南瑞继保电气公司余乾、鲁振威 等：基于容器的故障录波仿真测试系统设计与实现

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针对故障录波装置测试环境复杂、测试效率低、自动化测试难度大的问题，南京南瑞继保电气有限公司的余乾、鲁振威、王亮、侯学勇、张杰，在2023年第10期《电气技术》上撰文，提出基于容器的故障录波仿真测试系统，该系统各模块共享硬件，依托同一操作系统内核，通过守护进程将各个模块的应用程序和必要环境进行封装隔离，实现多数据源、多层次的故障录波仿真测试。应用实例表明，该系统能够实现故障录波装置闭环自动测试，提高测试效率。

随着电网日趋复杂化和智能化，故障录波器在电力系统故障分析中扮演着越来越重要的角色，其通过记录电力系统大扰动发生前后系统电参量的变化过程及继电保护与安全自动装置的动作行为，为继电保护装置的动作行为、设备故障分析提供重要依据。传统的故障录波测试系统一般需借助外部的数字信号测试仪、被测故障录波装置、模拟主站系统、同步时钟等，通过较复杂的组网形成，具有组网复杂、测试效率低、测试周期长、复用性差、复杂故障模拟难度大、录波文件信息无法提取等缺点，不利于故障录波的可靠完善测试。

有文献对故障录波装置的设计、系统测试及现场应用进行了研究。有文献分析采用故障录波文件回放的检测实验较常规动/静模检测实验的优点。有文献研究了波形重现的关键技术，设计了一种故障模拟再现系统。有文献提出统一考虑波形缩放的波形显示曲线纵坐标计算方法。有文献将实时数字仿真（real time digital simulation, RTDS）结果、动模试验波形和实际现场的故障波形以COMTRADE（common format for transient data exchange）的数据格式通过测试仪回放成模拟波形，实现了对继电保护装置的测试。有文献提出基于RTDS的故障录波测试方法及数字化录波测试方法。

以上测试方法及系统均需借助外部设备，未利用故障录波装置自身的硬件条件，因此本文设计一种组网简单、操作便捷、复用性高的故障录波仿真测试系统。

1 系统设计

1.1 硬件设计

本文介绍的自动测试系统基于X86板卡，采用X86+片上系统（system on chip, SOC）插件模式，通过PCIe（peripheral component interconnect express）总线进行数据交互。操作系统运行于X86板卡内，各应用模块以容器方式共享硬件，并依托同一操作系统内核，通过守护进程进行隔离，最终实现各模块协同工作，实现故障录波装置的自动测试。系统构架如图1所示。

图1 系统构架

系统硬件主要包括电源、CPU、主板、内存、硬盘、外部接口等。外部接口包括对时接口（接收外部时钟信号）、视频图形阵列（video graphics array, VGA）接口（外置显示）、通用串行总线（universal serial bus, USB）接口（鼠标、键盘、U盘）、采样值（sampled value, SV）/面向通用对象的变电站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）报文发送接口、SV/GOOSE报文接收接口及制造报文规范（manufacturing message specification, MMS）通信接口（与反馈判别模块及上位机通信）、开出接口等。系统硬件示意图如图2所示。

图2 系统硬件示意图

与传统故障录波测试系统相比，该系统无需借助外部测试仪、模拟主站系统、同步时钟等，通过装置内不同的软件模块即可实现故障录波自动测试需求。

1.2 软件设计

系统软件设计采用容器技术，系统中的各个模块相对独立，封装成标准化组件，摆脱与系统之间的紧耦合关系，能在多种主流系统中运用，可移植性强。本文的仿真测试系统主要包括人机交互模块、信号发生模块、故障录波模块和输出信号采集校验模块，各模块以容器方式共享硬件，并依托同一操作系统内核，通过共享缓存或虚拟IP进行数据交互。

系统通过人机交互模块确定仿真数据来源，并将与仿真数据来源对应的配置信息下发至信号发生模块和故障录波模块；信号发生模块对接收到的配置信息进行解析，通过软件模拟及同步控制产生数字报文，并发送至故障录波模块；故障录波模块对接收到的配置信息进行解析，接收数字报文，生成过程特性分析软件包（packet capture, PCAP）报文文件并存储，同时根据配置信息对挑选的录波模拟量通道和开关量通道数据进行抽取和计算启动分析，生成COMTRADE波形文件并存储，输出启动报文及节点信息至输出信号采集校验模块；输出信号采集校验模块在接收到启动报文后，读取录波文件，同时接入故障录波模块的开出信号，进行报文比对、录波文件分析、启动信息提取、故障信息提取，形成测试报告后发送至人机交互模块。

人机交互模块的功能模式有3种：母版文件模式、COMTRADE再现模式和PCAP再现模式。母版文件模式是指通过部署在人机交互模块里的配置工具导入解析智能站统一配置模型文件，挑选需要仿真的SV数据块、GOOSE数据块，并依次挑选SV数据块下的模拟量通道、GOOSE控制块下的开关量通道，同时将通道映射到信号发生模块的通道里面（可以多个通道映射到信号发生模块的同一通道），保存生成母版文件和通道映射配置文件。

在人机交互模块的控制界面依次建立设定多个状态的输出值及时间，生成控制序列文本。最后将母版文件、通道映射配置文件、控制序列文本发送到信号发生模块，再将通道映射配置文件发送到故障录波模块。COMTRADE再现模式是指提取录波CFG文件里的模拟量通道系数、一二次系数、原始采样点码值、一二次值标识、通道标志，通过计算转换成二次值或者一次值。

对于数字站利用标准9-2码值转换关系（9-2报文的一个码值对应10mV或者1mA）即可把所有采样点值转成标准SV报文输出；对于常规采样装置，可通过额定测量量与额定数字量的对应关系进行转换，开关量通道变位发生时间可由原始波形文件中的相对时间获得，通过解析原始波形文件获得不同的延时，保证输出的开关量变位时刻与原始波形一致。PCAP再现模式是指通过导入报文并解析，将解析的结果存放于文件中，运用软件模拟控制实现数字报文重现，并通过报文接口输出，供其他模块或系统使用。

通过上述流程，即可实现整个测试系统的运行，从而实现故障录波的闭环测试。软件执行流程如图3所示。

图3 软件执行流程

2 应用实例

结合波形，对COMTRADE再现模式进行应用过程展示。为便于对波形数据进行快速修改和仿造，应用过程中所用的波形均为ASCII格式。通过波形分析工具从原始的COMTRADE波形中选取需要再现的模拟量通道和开关量通道，选择另存为ASCII格式，本文以PCS996RF_RCD_32_20160701_ 173242_708_F波形为例，依次选择6个模拟量通道和7个开关量通道进行波形转存，转存后可以看到各采样序号的模拟量值及开关量值。模拟量通道原始采样点数据见表1，开关量通道采样点数据见表2。

表1 模拟量通道原始采样点数据

表2 开关量通道采样点数据

指定需要回放的目标通道，建立待回放通道与目标通道的映射关系，通道映射如图4所示。将另存波形的模拟量通道1～6依次映射到被测装置的模拟量通道1、3、5、7、9、11，开关量通道1～7依次映射到被测装置的开关量通道2、4、6、8、10、12、14。

图4 通道映射

至此，单个波形前期处理及映射完毕，其他波形依次处理。在波形转换的过程中提供波形的批量转换SelectChan.js脚本，可以快速实现波形的批量另存（默认以故障序号作为另存波形的文件名），提高自动测试配置效率。

脚本在NodeJS环境下运行，执行步骤如下：1）在脚本中配置源波形文件夹和目标波形文件夹、源通道序号和目标通道序号；2）执行脚本 node SelectChan.js；3）脚本依次解析源波形CFG和DAT文件，按照设定参数提取指定通道的配置和数据生成新的CFG和DAT文件，并保存到设定的目标文件夹。

将批量处理的波形文件的CFG文件、DAT文件、HDR文件存放于装置的波形数据库中，为后续批量回放做准备。波形库文件列表见表3。

表3 波形库文件列表

其中，转存后波形文件名序号范围为1～32 767，可不连续，不带前导0。

回放过程中保持回放新波形各采样点二次值与原始波形各采样点二次值一致，便于查看对比分析，各个通道的回放系数r的计算公式为

式（1）

式（1）中：s为原始通道系数，来源于转存后波形CFG文件；j为额定测量量对应的码值，来源于被测装置的配置文件；h为额定测量量，来源于被测装置的配置文件；f为原始通道的量纲，如V、kV等，来源于转存后波形CFG文件，使用时V用数字1代替，kV用数字1000代替；m为一二次转换系数，若转存后波形CFG文件中“一二次数据标识”为“S”或“s”，则m为1，若转存后波形CFG文件中“一二次数据标识”为“P”或“p”，则m=d/c，其中d为额定二次值，c为额定一次值，d、c均来源于转存后波形CFG文件。

回放开始前，设置回放控制参数，选择不同的回放模式，具体的回放控制参数含义见表4。当选择批量回放模式时，set_simu_fid开始置1，回放开始后实时显示正在回放的波形编号，回放结束后置0。

表4 回放控制参数含义

假定原始波形的A段录波时间为Time_A、B段录波时间为Time_B，被测录波装置的A段录波时间为Simu_A，B段录波时间为Simu_B，控制参数设置示例如图5所示。

图5 控制参数设置示例

为保证回放产生的新波形完全包含原始波形数据，set_simu_pre、set_simu_pos的设置建议遵行以下原则（以50Hz为例）。

式（2）—式（3）

回放过程中实时监视回放过程，当检测到异常时，输出错误代码，以便快速排查解决问题，提高效率。错误代码释义见表5。

表5 错误代码释义

至此，原始COMTRADE波形解析结束，通过设置控制参数进行单次回放或批量回放。故障录波装置的采样模块接收回放的采样数据进行数据抽取、幅值计算、录波启动、故障分析，重新生成COMTRADE波形文件并存储，输出启动报文及节点信息至输出信号采集校验模块，然后对报文信息、COMTRADE文件进行计算、提取、比对等，形成最终的测试报告。

通过COMTRADE文件的HDR文件可以启动录波信息、故障测距信息等，下面对波形RM2201B_RCD1_03835_20221216_140752_197_F进行录波启动信息及测距信息提取展示。录波启动信息见表6，故障信息见表7。

表6 录波启动信息

表7 故障信息

通过读取录波CFG文件记录的每个采样通道的通道乘数a与偏移加数b，结合DAT文件里记录每个点的原始采样值x，可通过ax+b计算出模拟量的每个录波点的实际值。通过CFG文件中模拟量频率及采样率，可计算每周期采样点数N=采样率/模拟量频率，这样就可以通过傅里叶级数来计算周期信号的幅值与相位。对于某一个不含直流分量的信号可描述为

式（4）—式（7）

依次对原始波形和回放波形的模拟量幅值进行计算，进而进行幅值比对。幅值比对结果见表8。整个波形回放测试流程如图6所示。

图6 波形回放测试流程

表8 幅值比对结果

针对故障录波的大短路电流、故障测距等测试对注入的故障量有一定要求，通过常规的试验仪加量无法满足，需要搭建RTDS系统进行故障模拟。此类测试的测试环境复杂且需要专业的RTDS设备及技术人员，为简化测试环境及测试门槛，可以采用文中波形批量回放的方法完成相关试验并形成自动测试报告。

自动测试报告主要包含4部分内容：基本信息、测试结论、定值清单、测试项目。其中，基本信息主要包含装置型号、软件版本等，测试报告基本信息如图7所示。

图7 测试报告基本信息

测试结论给出本次自动测试是否通过的整体结论；定值清单列出装置自动测试用到的全部定值，定值清单如图8所示（仅截图部分定值）。

图8 定值清单

测试项目是针对各个测试用例罗列的详细信息，主要包括测试用例修改的定值、输入、输出及本测试用例测试结论。通过对收集的RTDS波形进行批量回放，自动进行测距结果比对及误差计算。测距结果比对见表9。

表9 测距结果比对

3 结论

本文设计了基于容器的故障录波仿真测试系统，该系统无需借助外部试验仪、主站系统、同步时钟等，无需复杂组网即可实现多数据源、多层次的故障录波仿真测试，解决了故障录波装置大短路电流及故障测距等复杂测试项目测试难度大的问题，具有组网简单、操作便捷、复用性高的特点，大大提高了故障录波装置的自动测试效率，降低了自动测试难度，提高了装置的开发效率。

本工作成果发表在2023年第10期《电气技术》，论文标题为“基于容器的故障录波仿真测试系统设计与实现”，作者为余乾、鲁振威 等。

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