基于LabVIEW 的继电保护测试仪自动检测系统设计

王 宏，王永波，韩春雪，黄 强

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.山东建筑大学，山东 济南 250101）

0 引言

继电保护测试仪是继电保护装置调试和检测的重要仪器，其精度直接影响继电保护装置能否按预定定值动作［1］。因此，继电保护测试仪须定期检测、校准或检定［2-3］，如有超差，须调整精度，满足要求后，才能投入使用。

继电保护测试仪检测分为数字量的检测和模拟量的检测/校准。数字量检测一般使用网络分析仪，或者光数字继电保护测试仪检测系统［4-6］。与常规模拟仪器不同，根据继电保护测试仪行业标准［7-8］的要求，继电保护测试仪模拟量的检测/校准项目有十几项甚至更多，需要使用多个标准器组合完成检测/校准。继电保护测试仪一般配置三相或六相电压/电流通道，另有8个开关量通道。

为提高检测效率，已有部分计量机构使用一体式继电保护测试仪自动检测装置，大大缩短测试时间。文献［9］以数字信号处理器（digital signal processor，DSP）为核心进行继电保护测试仪检定系统的硬件设计，并采用加窗插值快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）算法对采样数值进行分析计算，在循环多次后达到同步采样，设计测试系统对继电保护测试仪的主要性能进行分析测试。文献［10］采用电流互感器、电压互感器对继电保护测试仪的输出信号进行采样隔离，通过外设部件互连标准（peripheral component interconnect，PCI）采集卡与计算机连接，并采用LabVIEW 作为数据处理和控制平台，实现对继电保护测试仪电压、电流、相位等参数的自动测试。文献［11］将DSP 和嵌入式工控机架构设计结合，开发继电保护测试仪检定系统，并对继电保护测试仪的主要参数进行测试。一体式继电保护测试仪自动检测装置采用多个传感器、集成A/D转换器和微处理器，选用特定数据处理算法，对继电保护测试仪进行自动测试，但其精度、稳定性和测试范围与国际主流标准器相比还有一定差距。

文献［12］采用仪器TFG5010T、TDS2024 测试继电保护测试仪，并采用模拟键盘控制和仿真打印机解决测试仪器与计算机的通信问题，实现自动控制测试仪器对继电保护测试仪进行测试，但其解决方案已不适用于目前的国际主流测试仪器。

基于国内外计量机构常用的国际主流标准器，设计继电保护测试仪自动检测系统，按照预定测试流程自动完成继电保护测试仪各通道各项目的测试，自动生成测试报告等。不仅节省继电保护测试仪的大量检测/校准时间，无须另外购置一体式自动测试仪器，而且精度、稳定性和测试范围与所采用的国际主流标准器一致，满足国内外各种继电保护测试仪的检测/校准要求，可应用于国内外各计量机构。

1 继电保护测试仪自动检测系统功能

根据校准标准［8］要求，继电保护测试仪自动检测系统主要检测/校准功能包括：交流电压校准、交流电流校准、直流电压校准、直流电流校准、三相电源对称性、相位校准、时间校准等。交流电压校准、交流电流校准的项目又包含幅值、幅频特性、响应速度和谐波畸变率。

该系统能够根据预定的测试项目和测试点，自动控制继电保护测试仪输出规定的电气量，采集对应标准器的测试值，在人机界面显示测试值并自动生成测试报告，报告模板、项目、测点均支持用户自定义。数据分析功能可根据标准要求对数据进行超差评估等。实现整个测试过程全程自动化，节省大量测试和报告编写时间。

2 自动检测系统设计

2.1 自动检测系统硬件

继电保护测试仪自动检测系统的硬件由计算机、国内外通用标准器、输出转换装置、接口转换器和继电保护测试仪组成。各通用标准器的接口可为RS232 接口、IEEE-488 接口、以太网口或USB 接口。标准器与继电保护测试仪的电气量采用电缆连接。标准器选用万分之一等级三相比较仪、高精度万用表、示波器和时间间隔发生器。

继电保护测试仪的输出电压/电流为三相或六相，而万用表、示波器等标准器仅支持单相测试，因此设计输出转换装置，根据测试顺序依次把继电保护测试仪电压/电流各相通道与万用表、示波器等标准器的单通道相连。输出转换装置应选用接触电阻小、通流大的继电器，满足电流和电压计量测试的要求。硬件系统连接如图1所示。

图1 继电保护测试仪自动检测系统硬件Fig.1 Hardware diagram of automatic testing system for relay protection tester

2.2 自动检测系统软件

2.2.1 虚拟仪器LabVIEW

LabVIEW 是测试控制领域常用的程序开发环境［13-15］，其函数库包括数据采集、通用接口总线（general purpose interface bus，GPIB）、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。大多数主流测试仪器都有LabVIEW 的驱动程序，而LabVIEW 也包含各种适用于测试测量领域的工具包。

继电保护测试仪自动检测系统涉及多种通用标准器的采集控制，多种数据接口，且测量项目和测量数据相对较多，因此选用LabVIEW 作为开发环境，能够快速搭建自动检测系统软件。且LabVIEW 作为自动检测系统的开发环境，可广泛应用于国内外计量机构的通用测试仪器［16］。

2.2.2 自动检测系统软件设计

自动检测系统软件采用模块化设计，该软件分为三大模块：用户管理模块、检测/校准模块和数据分析模块。用户管理模块包括用户登录、用户界面两个子模块。检测/校准模块包括交流电压校准、交流电流校准、直流电压校准、直流电流校准、三相电源对称性、相位校准、时间校准等。数据分析模块包括数据存储、报告生成和数据分析。软件设计如图2所示。

程序运行，系统首先完成初始化，而后测试员进入用户登录界面，不同人员设置相应的操作权限，如测试、核验、批准等。用户界面如图3所示。

图3 用户界面Fig.3 User interface

根据继电保护测试仪实际电压电流通道选择测试通道。点击“自动测试”按钮，程序将按照左侧进度栏的测试项目，逐个项目、逐个测点进行自动测试，流程如图4 所示。在测试模板中开始第一个测试项目，读取测试点，控制继电保护测试仪输出被测参数，延时后，采集测试该项目标准器的测试数据，并在用户界面显示，同时把数据插入报告模板中。一个项目的所有测点测试完成后，进入下一个测试项目，并采集对应项目标准器的测试数据，直到所有测试项目自动测试完毕。

图4 自动检测校准流程Fig.4 Automatic testing and calibration process

在手动测试时，可以强制选择任一测试点，点击“手动测试”即可单独测试该测点。在不同的测试项目下可以观察到相应的数据和波形信号。测试项目和测试点的设计参考电力行业标准［8］推荐的测试项目和测点，也可以根据用户的需要设置所需测点。

如果中途需要中断测试，单击“停止测试”按钮。点击“保存数据”，在下一次测试前点击“恢复数据”，即可继续测试。点击“保存报告”，会按照预先设定的报告模板自动生成测试校准报告。

2.3 仪器通信

2.3.1 LabVIEW 与RS232串口通信

继电保护测试仪自动检测系统集成多种测试仪器，各测试仪器的通信接口不同，因此需要实现计算机与各种接口的通信。

串行通信是工业中常用的一种数据传输方式，目前大多数仪器仪表都是使用串口通信。该测量系统中通过RS232串口实现LabVIEW 与高精度万用表等仪器的通信。

LabVIEW 中的虚拟仪器软件架构（virtual instruments software architecture，VISA）节点用于串口通信。VISA 的I/O 控制功能适用于各种仪器类型，包括串口仪器、GPIB 仪器等各类仪器的控制操作，对VISA 使用者来说，不同类型仪器的使用在形式和方法上相同。常用的VISA 函数包括VISA 打开、VISA 配置串口、VISA 设备清零、VISA 写入、VISA读取、VISA 关闭。LabVIEW 与万用表通过VISA 节点进行串口通信，如图5和图6所示。

图5 LabVIEW 与RS232通信程序Fig.5 Communication program of LabVIEW and RS232

图6 LabVIEW 与RS232通信前面板Fig.6 Communication front panel of LabVIEW and RS232

2.3.2 LabVIEW 与GPIB接口通信

GPIB 接口是一种传输总线协议，它的主要功能是实现智能控制器与可编程系列仪器之间的数据通信，本文选择GPIB 转接卡作为控制计算机与标准仪器的通信工具。工作原理为：计算机通过GPIB-USB接口连接三相比较仪，利用计算机来控制三相比较仪的运行，并读取和存储其测量数据。

LabVIEW 中有专门用于控制GPIB 设备的驱动模块，可以实现对GPIB 仪器的自动控制，常用的GPIB 函数包括GPIB 读取、GPIB 写入，可以基本实现仪器的自动控制，如对仪器进行设置、数据的读写等。GPIB 模块驱动直流电压和交流电流测量程序如图7 所示。若要实现其他电力参数的测量，只需要将“命令代码”部分改为所要求的可编程仪器标准命令（standard commands for programmable instruments，SCPI）。

图7 COM3003 GPIB模块驱动程序Fig.7 Module driver of COM3003 GPIB

2.3.3 LabVIEW 与继电保护测试仪的通信接口

继电保护测试仪厂家较多，国内国外产品均在送检范围内。因此自动检测系统对多厂家多型号的继电保护测试仪实现自动调用是实现自动检测继电保护测试仪的关键。

继电保护测试仪厂家提供的接口方式有传输控制协议/网际协议（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）、动态链接库（dynamic-link library，DLL）等。

TCP/IP 作为网络通信的标准，是当今使用最多的协议。TCP/IP 网络模式包括浏览器/服务器（browser/server,B/S）结构和客户机/服务器（client/server，C/S）结构，该系统采用的是C/S 结构，该结构的优点是响应速度快、可靠性高，是应用软件中常用的结构模式。在LabVIEW 中，TCP通信的过程为：

1）服务器端通过主机名或IP地址与端口号建立侦听，等待客户端连接。

2）客户端根据主机的IP地址和端口号发送连接请求，待服务器与客户端建立连接后，通过读写函数就可以进行TCP数据通信。

LabVIEW 中为网络通信提供基于传输控制协议/用户数据报协议（transmission control protocol/user data protocol，TCP/UDP）的通信函数供用户调用［17］。在客户端，通过打开TCP 连接函数打开TCP 连接，端口必须与服务器端指定的端口相匹配。读取指定连接的数据，第一个读取TCP 数据函数采集数据的大小，如数据大小（由服务器指定）大于0，则第二个读取TCP 数据函数读取数据。使用写入TCP 数据发送单个字符至服务器，表明客户端已停止。用户单击停止或发生错误时，TCP连接将关闭。如服务器端关闭连接，可能发生某些错误代码。该情况下，忽略可能发生的错误并弹出显示服务器关闭连接的对话框。

在服务器端，客户端在指定端口连接时，TCP 侦听虚拟仪器（virtual instrument，VI）生成连接引用，客户端有30 s 时间进行连接，之后服务器将超时。第一个写入TCP 数据指定发送数据的大小，第二个写入TCP 数据函数发送数据。读取TCP 数据函数检查客户端是否写入数据，如写入数据，则客户端通知服务器停止执行。用户单击停止或发生错误时，关闭TCP连接。

为实现不同厂家、不同接口方式的继电保护测试仪均可与LabVIEW 通信，设计继电保护测试仪自动检测接口程序。该程序可实现测试仪型号选择、设备连接、设置测试仪输出参数、启动输出、断开设备连接等功能。

2.4 误差分析

基于LabVIEW 的自动检测系统对继电保护测试仪测试数据进行管理及分析［18-20］。数据库可存储同一台继电保护测试仪的多次检测校准数据，通过对校准数据进行比较分析，可对继电保护测试仪的运行情况进行评估和预测。

以交流电压偏差为例，设校准标准的显示数据为UN，继电保护测试仪交流电压输出值为UX。

交流电压输出值的绝对误差为

交流电压输出值的相对误差为

基准工作条件下，输出电压的幅值为0～120 V、频率为50 Hz 时，输出交流电压UX的基本误差应满足［8］：UX≤2 V 时，绝对误差不超过±4 mV；2 V＜UX≤120 V时，相对误差不超过±0.2%。

在数据分析模块中，万用表采集的电压数据根据式（1）和式（2）得到电压误差值，将其与标准要求的电压幅值误差进行比较。若实际电压误差超出标准规定的电压误差，过限警告灯会亮起，此数据在报告中会标注。

原始记录和报告中的数据来自检测/校准模块，不可人为改动。如果人为改动，将在原始记录中标注修改人的账号和修改时间，以满足实验室认可机构对原始记录数据修改的要求。

3 自动检测系统的性能指标

自动检测系统整合多个国际通用标准器，实现对继电保护测试仪的自动测试。系统的性能指标完全满足行业标准要求。

以交流电压校准为例，自动检测系统在重复性条件下对微机型继电保护测试仪进行10 次交流电压的测试，交流电压实测值是10 次测试值的平均值，计算扩展不确定度，如表1所示。

表1 交流电压测量结果Table 1 Test results of AC voltage

由表1 可见，交流电压不确定度小于0.023%。根据行业标准［8］对校准标准装置的要求，校准标准装置的扩展不确定度应为被校继电保护测试仪各输出功能和测量功能所运行误差的1/3～1/5。被测继电保护测试仪的交流电压误差为0.1%，自动检测系统的扩展不确定度0.023%，完全满足行业标准要求。

基于LabVIEW 的继电保护测试仪自动检测系统能够根据行业标准要求对交流电压、交流电流、直流电压、直流电流、相位、时间、谐波等指标进行高精度校准，不确定度均满足行业标准要求。根据测试项目和测试点的数量不同，自动测试比手动测试节约2/3以上测试时间。

4 结束语

基于LabVIEW 的继电保护测试仪自动检测系统，通过自动控制继电保护测试仪输出规定的电气量，采集多种国际通用标准器的测试数据，根据校准规范要求，自动检测校准继电保护测试仪，并自动生成测试报告，进行数据分析。该系统节省大量用于检测继电保护测试仪和编写测试报告的时间，采用国际通用标准器的精度、稳定性和测试范围，可满足国内外各种继电保护测试仪的检测/校准要求。

采用该系统自动校准继电保护测试仪的电压、频率、相位等，试验结果表明，自动校准的扩展不确定度完全符合继电保护测试仪相关行业规范要求。该系统还可以扩展到其他二次测试设备的检测校准，实现各项目的自动测试，提高测试效率，具有很大的推广意义。