故障錄波裝置可記錄電力系統運行中由于短路故障等原因造成的各種電氣量變化，是判斷繼電保護裝置動作行為及分析運行設備故障性質和原因的重要參考依據，其性能的優良對保證電力系統安全運行起著重要作用，因此無論是研究開發還是工程測試，都需要對其進行大量測試，以確保其功能的可靠性。

不同于繼電保護裝置以動作出口為目的，錄波裝置最重要的任務是錄波，常規的繼電保護測試方法不適用，同時具有較多的輸入通道、較多的定值，依靠人工逐一校驗的方式繁瑣，非常消耗時間；另外，大電流測試、故障測距測試等更是難以通過一般的繼電保護儀靜模輸出來實現，因此有必要建立一套自動測試系統，同時涵蓋靜模測試與動態模擬測試，方便測試工作的進行，以減輕測試人員的工作壓力，提高測試效率。

1 系統概述

1.1 系統硬件設計

本文介紹的自動測試系統由測試儀HELP9000、功率放大器、上位機控制系統、被測故障錄波裝置四部分組成。控制系統主要職責為與測試儀及被測裝置通信、測試過程管理、形成測試數據、測試結果判斷及測試報告生成。自動測試系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 自動測試系統硬件框圖

測試過程中，測試儀接收來自測試系統的測試命令及測試數據，向被測裝置輸出一定的模擬量及開關量信號。測試儀采用的是南瑞繼保自主開發的HELP9000裝置，該裝置硬件配置靈活，I/O接口可擴展，可支持常規小信號、數字化IEC 61850—9—2/IEC 60044—8模擬量輸出，可發送及接收常規開入接點及面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）開關量，涵蓋了多種使用場景，同時可以輸出B碼信號，可以向被測裝置進行對時，能夠滿足測試中的多種需求。

HELP9000可以選擇性配置小信號輸出板、數字化通信板。對于常規錄波裝置，若不需要校驗交流插件的精度，可以輸出小信號直接到裝置采樣板，這種方式在僅校驗裝置功能時很方便，可以不受測試儀輸出通道的限制，也可以方便地測試大電流的錄波情況；對于需要實際模擬量的測試，可通過增加功放模塊，將信號通過功放轉為實際交流量；對于數字化裝置需要導入GOOSE文件建立通道映射關系，向裝置發送采樣測量值（sampled measured value, SMV）及GOOSE報文。

1.2 測試方案設計

錄波裝置不同于一般繼電保護裝置，沒有較多的保護邏輯及保護出口，所以對其進行自動測試的的方案也與保護裝置有所不同。有研究文獻介紹了數字化錄波裝置的試驗測試項目，包含性能測試、動態模擬、數字化報文功能等幾個方面，由于性能測試與動態模擬測試項目是大部分錄波裝置都應具備的功能，而這些功能的驗證在裝置程序開發測試時需要花大量時間與精力，因此建立一個自動測試系統來完成上述內容可減少研發人員的工作量，提升產品的開發效率。

測試過程可分為編輯測試用例、控制測試儀輸出一定的模擬量及開關量、校驗裝置行為（采樣精度、錄波啟動、故障測距等）。

測試用例通過上位機控制系統編輯設計，在控制系統的測試儀配置界面，創建測試儀的輸出通道與錄波裝置輸入通道的關聯關系，如測試儀模擬量輸出1對應裝置采樣通道1。

通過控制系統的測試編輯界面，輸入測試儀通道1的輸出值，測試開始后，控制系統下發測試數據及測試命令到測試儀，測試儀輸出相應的模擬量及開關量到故障錄波裝置。對于不同的測試項目設計輸入不同的模擬量值，如電流通道1采樣值校驗，可分別設計輸入0.1/0.5/ 1/1.2倍額定電流值；對于通道1模擬量突變啟動錄波測試，可分別設計輸入0.95/1.05倍啟動定值，待經過一定的時間延遲后，查看裝置的行為反應是否滿足測試要求作為判斷測試結果的依據，形成閉環測試。

根據測試內容逐一建立相應的測試用例，包含輸入模擬量、開關量、修改的定值及判據標準，并對用例進行保存，在測試時對選擇的測試用例逐一執行，實現自動閉環測試。

2 測試功能實現

錄波裝置的性能測試項目主要有零漂檢查、交流量的線性范圍檢查、交流量的相位一致性檢查、啟動性能及啟動值檢查，這些測試基本可歸結為對裝置采樣精度的檢查與啟動定值的校驗。

2.1 采樣精度測試

由于錄波裝置一般沒有遙測，所以無法向繼電保護那樣通過通信規約讀取裝置的實時采樣值來判斷采樣精度，另外，波形文件作為錄波裝置最重要的產物，有必要驗證COMTRADE波形數據的正確性，因此，對于錄波裝置的測試需要通過分析COMTRADE波形數據來驗證采樣。整個測試過程可分解為試驗加量、裝置錄波、上裝波形文件、解析波形文件、測試結果比對。

COMTRADE錄波文件一般包含配置文件CFG文件、數據文件DAT文件、頭標文件HDR文件和信息文件INF文件。在CFG文件里記錄了波形每個采樣通道的采樣值通道乘數a與偏移加數b，在DAT文件里記錄每個點的存儲數據值x，采樣數據為離散的采樣點，模擬量的每個錄波點的實際值通過ax+b求得。

CFG文件中同時記錄了當前錄波的模擬量頻率及采樣率，從而可以知道每個周期采樣點數為N=采樣率/模擬量頻率。由于輸入的實際模擬量為周期性信號，這樣就可以通過傅里葉級數來計算周期信號的幅值與相位。對于某一個不含有直流分量的信號可描述為：

式（1）（2）（3）

由此可以求得波形的幅值與相位，通過與設定的輸出值進行比較，計算采樣誤差，形成閉環測試。采樣測試流程如圖2所示。

圖2 采樣測試流程

如進行電流通道1的線性范圍檢查，測試用例界面輸入“1A，30°”，解析錄波裝置生成的COMTRADE文件，得到每周波采樣點數為80的一個周波的實際值，通過式（2）與式（3）得到計算幅值為0.9991，角度為29.99250°，幅值相對誤差為 0.09%，角度絕對誤差 0.007 5°。以此為基礎，就可以進行各通道交流量的線性范圍、相位一致性、諧波含量等測試。

2.2 啟動性能測試

繼電保護裝置通過事件順序記錄（sequence of event, SOE）或者遙信變位，記錄裝置的變位信息，而COMTRADE的頭標文件HDR文件可以存儲補充性的敘述信息，如啟動信息、故障動作情況。因此，可以在測試儀施加量后通過分析HDR文件獲得裝置的啟動情況，作為判斷依據對錄波裝置的啟動性能進行測試。

有研究文獻介紹了一種故障錄波裝置啟動性能測試方法和系統，通過客戶端控制試驗儀輸出模擬量，再通過仿真主站調取新生波形進行比較，由于受到試驗儀通道數量的限制，每次測試需要加載通道關聯文件。在本測試系統中，由于板卡具備可擴展性，可以通過配置多塊模擬量輸出板卡來滿足錄波裝置多通道的需求；此外，上位機控制軟件集成了與錄波裝置通信的功能，可以在測試用例中直接修改定值或上召文件，不再需要仿真主站的配合，簡化了測試環境，方便測試進行。

錄波的啟動主要有模擬量的上下限、突變與開關量的啟動，在測試過程中，測試用例執行前，通過通信規約逐一修改定值，使每次測試的啟動量只有一種因素，將每一個通道的啟動做成獨立的測試用例，在加量結束后，查詢裝置是否生成新波形，并進一步通過解析HDR文件，獲得當前錄波的啟動原因，與實際施加量的通道及變化類別進行比較。

如做電壓突變啟動測試，施加1.05倍定值的模擬量后，上召、解析HDR文件，文件中包含“合智集成裝置_TV2C電壓采樣值_突變啟動[|28.862V|大于2.887V][0.000V->28.862V]”字段，通過關鍵字段比對，進行測試結果判斷。

3 動態模擬測試

動態模擬項目包含大短路電流記錄能力、故障測距等。這類測試項目由于需要輸入特定的故障量進行模擬，一般的靜模穩態測試難以實現，現實中往往通過搭建實時數字仿真（real time digital simulation, RTDS）測試系統建立測試環境，設置各類故障項模擬故障，對裝置進行測試。很顯然，這種方法比較繁瑣，既需要設備也需要專業的RTDS知識，同時對于批量的測試任務，比較耗時。有研究文獻介紹了基于錄波文件回放的繼電保護自動測試方法，這種方法也可用于故障錄波裝置的測試，使用波形回放的方式，可以很容易地實現對動態模擬測試項目的批量自動測試。

在外部測試機構測試或內部測試時，試驗項目都會產生波形，保存此類波形作為歷史數據，在測試時，通過波形回放的方式，使測試儀輸出故障波形的相應數據，就可以方便地對裝置進行測試。

上位機控制系統解析波形CFG及DAT文件，獲得完整的波形實時數據，對于一次值錄波的數據，再根據變比轉換為二次值，這些數據就是測試儀應輸出的數據。上位機系統通過界面設置，將錄波裝置每個模擬量通道關聯波形的數據通道，再將數據通過TCP協議下發到HELP9000，HELP9000收到數據后，將數據保存到內存中，待收到所有數據后，即可將每個通道的數據通過數字信號處理器（digital signal processor, DSP）直接輸出，對于頻率不一致的數據，則需要通過插值填充數據。在一個測試用例里，可以批量測試較多的波形文件，如連續測試100個故障測距波形，批量測試流程如圖3所示。

圖3 批量測試流程

對于存在模擬量啟動錄波的情況，在波形回放時會產生擾動波形文件，影響結果的判斷，一方面可以通過修改定值將模擬量啟動錄波功能退出，另一方面，通過上位機向HELP9000下發控制數據時，設置故障前循環播放時間，選擇波形的前1～2個周波數據進行循環輸出，輸出時間大于錄波的A時段時間，從而保證B段錄波完整。在實際測試中通過波形回放得到的新生波形與原始波形的比較及測試結果如圖4和圖5所示。

圖4 原始波形與新生波形比較

圖5 故障波形批量回放測試結果

4 結論

本文針對故障錄波裝置設計了一套自動測試系統，該測試系統測試環境簡單易實現，測試用例可閉環反復執行，同一測試用例可同時適用于常規及數字化裝置，便于測試用例的復用，解決了錄波裝置由于通道多、定值多造成的測試時間長的問題，并通過波形回放實現了故障測距、大電流錄波檢驗的測試，有效提高了裝置性能測試的效率。

本文編自2022年第8期《電氣技術》，論文標題為“故障錄波裝置自動測試系統設計與實現”，作者為黃輝、李興建 等。