余 乾 魯振威 王 亮 侯學(xué)勇 張 杰

基于容器的故障錄波仿真測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

余 乾 魯振威 王 亮 侯學(xué)勇 張 杰

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100）

本文針對故障錄波裝置測試環(huán)境復(fù)雜、測試效率低、自動化測試難度大的問題，提出基于容器的故障錄波仿真測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)各模塊共享硬件，依托同一操作系統(tǒng)內(nèi)核，通過守護進程將各個模塊的應(yīng)用程序和必要環(huán)境進行封裝隔離，實現(xiàn)多數(shù)據(jù)源、多層次的故障錄波仿真測試。應(yīng)用實例表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)故障錄波裝置閉環(huán)自動測試，提高測試效率。

故障錄波；自動測試；多數(shù)據(jù)源；多層次；波形回放

0 引言

隨著電網(wǎng)日趨復(fù)雜化和智能化，故障錄波器在電力系統(tǒng)故障分析中扮演著越來越重要的角色，其通過記錄電力系統(tǒng)大擾動發(fā)生前后系統(tǒng)電參量的變化過程及繼電保護與安全自動裝置的動作行為，為繼電保護裝置的動作行為、設(shè)備故障分析提供重要依據(jù)。傳統(tǒng)的故障錄波測試系統(tǒng)一般需借助外部的數(shù)字信號測試儀、被測故障錄波裝置、模擬主站系統(tǒng)、同步時鐘等，通過較復(fù)雜的組網(wǎng)形成，具有組網(wǎng)復(fù)雜、測試效率低、測試周期長、復(fù)用性差、復(fù)雜故障模擬難度大、錄波文件信息無法提取等缺點，不利于故障錄波的可靠完善測試。

文獻[1-4]對故障錄波裝置的設(shè)計、系統(tǒng)測試及現(xiàn)場應(yīng)用進行了研究。文獻[5]分析采用故障錄波文件回放的檢測實驗較常規(guī)動/靜模檢測實驗的優(yōu)點。文獻[6-7]研究了波形重現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了一種故障模擬再現(xiàn)系統(tǒng)。文獻[8]提出統(tǒng)一考慮波形縮放的波形顯示曲線縱坐標(biāo)計算方法。文獻[9]將實時數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）結(jié)果、動模試驗波形和實際現(xiàn)場的故障波形以COMTRADE（common format for transient data exchange）的數(shù)據(jù)格式通過測試儀回放成模擬波形，實現(xiàn)了對繼電保護裝置的測試。文獻[10-11]提出基于RTDS的故障錄波測試方法及數(shù)字化錄波測試方法。以上測試方法及系統(tǒng)均需借助外部設(shè)備，未利用故障錄波裝置自身的硬件條件，因此本文設(shè)計一種組網(wǎng)簡單、操作便捷、復(fù)用性高的故障錄波仿真測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

本文介紹的自動測試系統(tǒng)基于X86板卡，采用X86+片上系統(tǒng)（system on chip, SOC）插件模式，通過PCIe（peripheral component interconnect express）總線進行數(shù)據(jù)交互。操作系統(tǒng)運行于X86板卡內(nèi)，各應(yīng)用模塊以容器方式共享硬件，并依托同一操作系統(tǒng)內(nèi)核，通過守護進程進行隔離，最終實現(xiàn)各模塊協(xié)同工作，實現(xiàn)故障錄波裝置的自動測試。系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)硬件主要包括電源、CPU、主板、內(nèi)存、硬盤、外部接口等。外部接口包括對時接口（接收外部時鐘信號）、視頻圖形陣列（video graphics array, VGA）接口（外置顯示）、通用串行總線（universal serial bus, USB）接口（鼠標(biāo)、鍵盤、U盤）、采樣值（sampled value, SV）/面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）報文發(fā)送接口、SV/GOOSE報文接收接口及制造報文規(guī)范（manufacturing message specification, MMS）通信接口（與反饋判別模塊及上位機通信）、開出接口等。系統(tǒng)硬件示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件示意圖

與傳統(tǒng)故障錄波測試系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)無需借助外部測試儀、模擬主站系統(tǒng)、同步時鐘等，通過裝置內(nèi)不同的軟件模塊即可實現(xiàn)故障錄波自動測試需求。

1.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用容器技術(shù)，系統(tǒng)中的各個模塊相對獨立，封裝成標(biāo)準(zhǔn)化組件，擺脫與系統(tǒng)之間的緊耦合關(guān)系，能在多種主流系統(tǒng)中運用，可移植性強。本文的仿真測試系統(tǒng)主要包括人機交互模塊、信號發(fā)生模塊、故障錄波模塊和輸出信號采集校驗?zāi)K，各模塊以容器方式共享硬件，并依托同一操作系統(tǒng)內(nèi)核，通過共享緩存或虛擬IP進行數(shù)據(jù)交互。

系統(tǒng)通過人機交互模塊確定仿真數(shù)據(jù)來源，并將與仿真數(shù)據(jù)來源對應(yīng)的配置信息下發(fā)至信號發(fā)生模塊和故障錄波模塊；信號發(fā)生模塊對接收到的配置信息進行解析，通過軟件模擬及同步控制產(chǎn)生數(shù)字報文，并發(fā)送至故障錄波模塊；故障錄波模塊對接收到的配置信息進行解析，接收數(shù)字報文，生成過程特性分析軟件包（packet capture, PCAP）報文文件并存儲，同時根據(jù)配置信息對挑選的錄波模擬量通道和開關(guān)量通道數(shù)據(jù)進行抽取和計算啟動分析，生成COMTRADE波形文件并存儲，輸出啟動報文及節(jié)點信息至輸出信號采集校驗?zāi)K；輸出信號采集校驗?zāi)K在接收到啟動報文后，讀取錄波文件，同時接入故障錄波模塊的開出信號，進行報文比對、錄波文件分析、啟動信息提取、故障信息提取，形成測試報告后發(fā)送至人機交互模塊。

人機交互模塊的功能模式有3種：母版文件模式、COMTRADE再現(xiàn)模式和PCAP再現(xiàn)模式。母版文件模式是指通過部署在人機交互模塊里的配置工具導(dǎo)入解析智能站統(tǒng)一配置模型文件，挑選需要仿真的SV數(shù)據(jù)塊、GOOSE數(shù)據(jù)塊，并依次挑選SV數(shù)據(jù)塊下的模擬量通道、GOOSE控制塊下的開關(guān)量通道，同時將通道映射到信號發(fā)生模塊的通道里面（可以多個通道映射到信號發(fā)生模塊的同一通道），保存生成母版文件和通道映射配置文件。在人機交互模塊的控制界面依次建立設(shè)定多個狀態(tài)的輸出值及時間，生成控制序列文本。最后將母版文件、通道映射配置文件、控制序列文本發(fā)送到信號發(fā)生模塊，再將通道映射配置文件發(fā)送到故障錄波模塊。COMTRADE再現(xiàn)模式是指提取錄波CFG文件里的模擬量通道系數(shù)、一二次系數(shù)、原始采樣點碼值、一二次值標(biāo)識、通道標(biāo)志，通過計算轉(zhuǎn)換成二次值或者一次值。對于數(shù)字站利用標(biāo)準(zhǔn)9-2碼值轉(zhuǎn)換關(guān)系（9-2報文的一個碼值對應(yīng)10mV或者1mA）即可把所有采樣點值轉(zhuǎn)成標(biāo)準(zhǔn)SV報文輸出；對于常規(guī)采樣裝置，可通過額定測量量與額定數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系進行轉(zhuǎn)換，開關(guān)量通道變位發(fā)生時間可由原始波形文件中的相對時間獲得，通過解析原始波形文件獲得不同的延時，保證輸出的開關(guān)量變位時刻與原始波形一致。PCAP再現(xiàn)模式是指通過導(dǎo)入報文并解析，將解析的結(jié)果存放于文件中，運用軟件模擬控制實現(xiàn)數(shù)字報文重現(xiàn)，并通過報文接口輸出，供其他模塊或系統(tǒng)使用。

通過上述流程，即可實現(xiàn)整個測試系統(tǒng)的運行，從而實現(xiàn)故障錄波的閉環(huán)測試。軟件執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 軟件執(zhí)行流程

2 應(yīng)用實例

結(jié)合波形，對COMTRADE再現(xiàn)模式進行應(yīng)用過程展示。為便于對波形數(shù)據(jù)進行快速修改和仿造，應(yīng)用過程中所用的波形均為ASCII格式。通過波形分析工具從原始的COMTRADE波形中選取需要再現(xiàn)的模擬量通道和開關(guān)量通道，選擇另存為ASCII格式，本文以PCS996RF_RCD_32_20160701_ 173242_708_F波形為例，依次選擇6個模擬量通道和7個開關(guān)量通道進行波形轉(zhuǎn)存，轉(zhuǎn)存后可以看到各采樣序號的模擬量值及開關(guān)量值。模擬量通道原始采樣點數(shù)據(jù)見表1，開關(guān)量通道采樣點數(shù)據(jù)見表2。

指定需要回放的目標(biāo)通道，建立待回放通道與目標(biāo)通道的映射關(guān)系，通道映射如圖4所示。將另存波形的模擬量通道1～6依次映射到被測裝置的模擬量通道1、3、5、7、9、11，開關(guān)量通道1～7依次映射到被測裝置的開關(guān)量通道2、4、6、8、10、12、14。

表1 模擬量通道原始采樣點數(shù)據(jù)

表2 開關(guān)量通道采樣點數(shù)據(jù)

圖4 通道映射

至此，單個波形前期處理及映射完畢，其他波形依次處理。在波形轉(zhuǎn)換的過程中提供波形的批量轉(zhuǎn)換SelectChan.js腳本，可以快速實現(xiàn)波形的批量另存（默認(rèn)以故障序號作為另存波形的文件名），提高自動測試配置效率。

腳本在NodeJS環(huán)境下運行，執(zhí)行步驟如下：

1）在腳本中配置源波形文件夾和目標(biāo)波形文件夾、源通道序號和目標(biāo)通道序號。

2）執(zhí)行腳本 node SelectChan.js。

3）腳本依次解析源波形CFG和DAT文件，按照設(shè)定參數(shù)提取指定通道的配置和數(shù)據(jù)生成新的CFG和DAT文件，并保存到設(shè)定的目標(biāo)文件夾。

將批量處理的波形文件的CFG文件、DAT文件、HDR文件存放于裝置的波形數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)批量回放做準(zhǔn)備。波形庫文件列表見表3。

表3 波形庫文件列表

其中，轉(zhuǎn)存后波形文件名序號范圍為1～32 767，可不連續(xù)，不帶前導(dǎo)0。

回放過程中保持回放新波形各采樣點二次值與原始波形各采樣點二次值一致，便于查看對比分析，各個通道的回放系數(shù)的計算公式為

式中：為原始通道系數(shù)，來源于轉(zhuǎn)存后波形CFG文件；為額定測量量對應(yīng)的碼值，來源于被測裝置的配置文件；為額定測量量，來源于被測裝置的配置文件；為原始通道的量綱，如V、kV等，來源于轉(zhuǎn)存后波形CFG文件，使用時V用數(shù)字1代替，kV用數(shù)字1 000代替；為一二次轉(zhuǎn)換系數(shù)，若轉(zhuǎn)存后波形CFG文件中“一二次數(shù)據(jù)標(biāo)識”為“S”或“s”，則為1，若轉(zhuǎn)存后波形CFG文件中“一二次數(shù)據(jù)標(biāo)識”為“P”或“p”，則=/，其中為額定二次值，為額定一次值，均來源于轉(zhuǎn)存后波形CFG文件。

回放開始前，設(shè)置回放控制參數(shù)，選擇不同的回放模式，具體的回放控制參數(shù)含義見表4。

當(dāng)選擇批量回放模式時，set_simu_fid開始置-1，回放開始后實時顯示正在回放的波形編號，回放結(jié)束后置0。

表4 回放控制參數(shù)含義

假定原始波形的A段錄波時間為Time_A、B段錄波時間為Time_B，被測錄波裝置的A段錄波時間為Simu_A，B段錄波時間為Simu_B，控制參數(shù)設(shè)置示例如圖5所示。

圖5 控制參數(shù)設(shè)置示例

為保證回放產(chǎn)生的新波形完全包含原始波形數(shù)據(jù)，set_simu_pre、set_simu_pos的設(shè)置建議遵行以下原則（以50Hz為例）。

回放過程中實時監(jiān)視回放過程，當(dāng)檢測到異常時，輸出錯誤代碼，以便快速排查解決問題，提高效率。錯誤代碼釋義見表5。

至此，原始COMTRADE波形解析結(jié)束，通過設(shè)置控制參數(shù)進行單次回放或批量回放。故障錄波裝置的采樣模塊接收回放的采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)抽取、幅值計算、錄波啟動、故障分析，重新生成COMTRADE波形文件并存儲，輸出啟動報文及節(jié)點信息至輸出信號采集校驗?zāi)K，然后對報文信息、COMTRADE文件進行計算、提取、比對等，形成最終的測試報告。

通過COMTRADE文件的HDR文件[12-13]可以啟動錄波信息、故障測距信息等，下面對波形RM2201B_RCD1_03835_20221216_140752_197_F進行錄波啟動信息及測距信息提取展示。錄波啟動信息見表6，故障信息見表7。

表5 錯誤代碼釋義

表6 錄波啟動信息

通過讀取錄波CFG文件記錄的每個采樣通道的通道乘數(shù)與偏移加數(shù)，結(jié)合DAT文件里記錄每個點的原始采樣值，可通過+計算出模擬量的每個錄波點的實際值。通過CFG文件中模擬量頻率及采樣率，可計算每周期采樣點數(shù)=采樣率/模擬量頻率，這樣就可以通過傅里葉級數(shù)來計算周期信號的幅值與相位。對于某一個不含直流分量的信號可描述為[2]

結(jié)合一個周期的所有采樣點數(shù)據(jù)后，a、b的值可通過式（5）、式（6）計算。

式中：x為錄波文件記錄的每個采樣點的實際值；為每周期采樣點數(shù)。

進而可得到單個頻率波形的表達式為

依次對原始波形和回放波形的模擬量幅值進行計算，進而進行幅值比對。幅值比對結(jié)果見表8。整個波形回放測試流程如圖6所示。

針對故障錄波的大短路電流、故障測距等測試對注入的故障量有一定要求，通過常規(guī)的試驗儀加量無法滿足，需要搭建RTDS系統(tǒng)進行故障模擬。此類測試的測試環(huán)境復(fù)雜且需要專業(yè)的RTDS設(shè)備及技術(shù)人員，為簡化測試環(huán)境及測試門檻，可以采用文中波形批量回放的方法完成相關(guān)試驗并形成自動測試報告。

表8 幅值比對結(jié)果

圖6 波形回放測試流程

自動測試報告主要包含4部分內(nèi)容：基本信息、測試結(jié)論、定值清單、測試項目。其中，基本信息主要包含裝置型號、軟件版本等，測試報告基本信息如圖7所示。

圖7 測試報告基本信息

測試結(jié)論給出本次自動測試是否通過的整體結(jié)論；定值清單列出裝置自動測試用到的全部定值，定值清單如圖8所示（僅截圖部分定值）。

圖8 定值清單

測試項目是針對各個測試用例羅列的詳細(xì)信息，主要包括測試用例修改的定值、輸入、輸出及本測試用例測試結(jié)論。通過對收集的RTDS波形進行批量回放，自動進行測距結(jié)果比對及誤差計算。測距結(jié)果比對見表9。

表9 測距結(jié)果比對

3 結(jié)論

本文設(shè)計了基于容器的故障錄波仿真測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)無需借助外部試驗儀、主站系統(tǒng)、同步時鐘等，無需復(fù)雜組網(wǎng)即可實現(xiàn)多數(shù)據(jù)源、多層次的故障錄波仿真測試，解決了故障錄波裝置大短路電流及故障測距等復(fù)雜測試項目測試難度大的問題，具有組網(wǎng)簡單、操作便捷、復(fù)用性高的特點，大大提高了故障錄波裝置的自動測試效率，降低了自動測試難度，提高了裝置的開發(fā)效率。

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Design and implementation of simulation test system for fault recorder based on container

YU Qian LU Zhenwei WANG Liang HOU Xueyong ZHANG Jie

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211100)

Aiming at the problems of complex test environment, low test efficiency and difficult automatic test of fault recording device, this paper proposes a container-based fault recording simulation test system. In the system, all modules share hardware and rely on the same operating system kernel to package and isolate the application programs of each module and necessary environment through daemon process, achieving multi-data source, multi-level fault recording simulation test. The application example shows that the system can realize the closed-loop automatic test of the fault recording device and improve the test efficiency.

fault recorder; automatic test; multiple data sources; multiple levels; waveform playback

2023-06-30

2023-08-09

余 乾（1988—），男，湖北省黃岡市人，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護研發(fā)工作。