0 引言
继电保护设备[1]作为变电所的关键设备，其运行状态对电力系统能否正常工作有直接影响，因此，继电保护设备测试技术在电力工业的高速发展中迅速崛起。
国外的相关研究起步较早，发展较快，尤其是美国AVO国际公司独立生产的PULSAR继电保护测试系统，不仅在一定程度上实现了人工智能，而且大幅提升了资源的利用率。Betancourt R J等[2]通过使用低成本的电压和电流传感器，测量和保护设备的相关变量被减少到适合数据采集系统的值。使用LabVIEW环境处理电压和电流信号，并开发功率计量算法和常见的继电器实现继电保护；而我国则在上世纪八、九十年代开始关注到继电保护设备的测试技术，并对保障继电保护设备正确动作与电网平稳运行起着重要的推动作用，近几年，刘大伟等[3]通过将云存储与物联网标签技术融入测试系统，结合微软媒体服务器协议，实现了智能变电站继电保护设备的自动测试。
牵引变电所综合自动化系统对上述测试方法提出了要求的新高度，因此，本文面向牵引变电所，设计继电保护设备的自动测试系统。系统中应用的各类组件均有助于强化系统通用性，其中，测试信号编码器既能用于多种设备测试，还能实现系统的全自动操作；利用可编程逻辑控制器自动完成所有工作，提升安全性与可靠性，在防止人为错误发生的同时，大幅提升测试速度。
1 牵引变电所继电保护设备自动测试系统硬件设计
由通用型计算机、继电保护测试仪、可编程逻辑控制器、服务器以及以太网交换机等组件构成的继电保护设备自动测试系统如图1所示。
该系统各组件具体内容如下所述：
（1）测试信号编码器：测试仪与保护设备间存在两个通道，即模拟量通道与开关量通道，该组件则是这两个通道之间的切换开关，主要通过可编程逻辑控制器[4]实现自动匹配连接，可用于多种设备。该组件的组成部分为可编程逻辑控制器与继电器阵列。为便于以太网与系统之间的数据交互更为顺畅，可编程逻辑控制器选用的是基恩士公司生产的KV-P16T型号。而继电器阵列则要根据电压与电流各自的接线形式进行建立。
为自动切换继电保护测试仪与预测设备间的电压接线形式，搭建图2所示的继电器阵列，并将其置放于测试仪与待测设备之间。
电流接线形式较电压相对简易，故针对设备输入电流仅为一组的情况搭建继电器阵列，如图3所示。通常，用户会在预测设备中接入三相电流，但因经济效益问题，也有只接入A、C相或A相的情况。
（2）通用型计算机：作为实现系统自动化测试的关键部分，由于该组件需利用其中一个网卡完成与测试设备之间的信息交互，须支持双网卡。
（3）服务器：该组件负责管理用户权限，外部网络服务器与通用计算机均可作为该虚拟组件，服务器中含有数据库与缺陷管理的子系统。
（4）对时系统：组成部分为各类时钟源，诸如简单网络时间协议与全球定位系统等。功能是提供输入源给预测设备，完成对时与时间管理功能。
（5）继电保护测试仪：故障模拟系统是测试系统的关键，选用奥地利OMICRON公司产CMC356继电保护测试仪[5]作为系统的核心组件。当保护设备的电流输入超过两组时，选用CMA156完成拓展。若开关量存在较多的输入输出数量要求，则选用I/O7来拓展通道。
（6）其他测试设备：该组件由可编程逻辑控制器自动开启，比如：温度传感器、网络负载发生器等。
2 牵引变电所继电保护设备自动测试系统软件设计
2.1 软件功能结构
图4所示为测试系统的软件结构组成。其中，主机程序通过Windows操作系统实现，用于支持通信协议接口等组件与人机交互界面的运行；从机程序包含Help2000控制程序与从机通信协议接口程序，主要负责转发报文信息与执行主控程序下发命令；数据库程序涵盖执行条件、测试目标等程序，其功能是实现系统对特定需求的满足；继电保护设备及其测试仪的运行程序作为软件的关键部分，除基本的差动保护测试程序外，还包括支持双端/多端的逻辑流程。
2.2 相关算法
自动测试系统的核心是继电保护测试仪。频率、相位差作为测试仪周期性故障信号的主要测量参数，其有效值决定系统的测试准确度；当测试对象为非对称性故障信号时，求解序分量则具有一定的必要性。各参数的具体计算方式描述如下：
（1）频率：基于Bézier曲线拟合算法[6]，取得频率参数。
若某线路的额定电压是Um，该线路上的三个相邻采样点分别为k、k+1、k+2，各采样点对应电压是u k、u k+1、u k+2，采样周期分别是t k、t k+1、t k+2，假设角频率是ω，则采样样本界定式如式（1）-（3）所示。（1）（2）（3）
式中，θ是角频率与采样频率的比值。由此推导出下列表达式：
（4）（2）相位差：假定噪声同时对同频正弦信号x(t)、y(t)存在干扰，且两信号为相互关联的函数对，若信号幅值各是A、B，产生的噪声信号分别为Nx(t)、Ny(t)，则采用下列表达式界定两同频正弦信号：
（5）（6）式中， 表示三角函数，其初始角频率为ω0，初始相位是φ0，信号周期是t。
将两同频正弦信号代入下列积分式后，得到式（8）：
（7）（8）式中， 为信号的延长周期。若该值是0，则表明信号相位处于理想状态，此时，积分式（8）可改写成下列表达式：
（9）由此，利用下列计算公式得出相位φ1与初始相位φ0之间的相位差：
（10）（3）序分量：采用对称分量法[7]分解一组三相不对称电量，得到正序、负序、零序三个对称分量F1、F2、F0。已知三相工频电压分别是F A、F B、F C，旋转因子[8]是α，则各序分量的界定公式分别如下所示：
3 自动测试系统实例验证
选取某牵引变电所多个应用范围较广的继电保护设备作为测试对象，根据变电所所在省市的继电保护设备检验规程，开展验收测试。
3.1 自动测试系统自动化用例
针对南瑞PCS-931线路保护设备，检验测试系统的自动化性能。运行中的测试系统，先完成各项定值试验，再解析协议发送的跳闸报告，*后在试验的初始记录里进行存档。
根据测试系统的试验实现过程与结果（见表1）可以看出，点击系统主界面上的“开始”键后，系统可自动生成相关信息较为完善的检测报告，所有测试流程均能够在没有人工干预的情况下自动执行。因为该系统采用了可编程逻辑控制器，自动匹配、连接测试仪与保护设备，自动开启温度传感器、网络负载发生器等其他测试设备，故能够较为理想地实现自动化操作目标。
3.2 自动测试系统性能分析
设定测试系统性能检验对象分别是南瑞PCS-931线路保护、南瑞PCS-921开关保护以及南自SGB-750母线保护等多个继电保护设备，并针对各设备的采样值、比率差动等项目展开测试试验，探讨不同保护设备采样标准值与差动保护比率制动系数下本文系统的测试性能，再根据测试效率验证其效益性。
3.2.1 系统准确性检验
五次加量处理0.1 A、1 A以及5 A采样标准值，得到图5所示的不同继电保护设备采样自动测试结果。从图中的数据结果可以看出，本文系统因针对测试仪的周期性故障信号与非对称性故障信号等不同情况，计算出对应的关键测量参数值，解得的有效值对测试准确度起到了较好的辅助作用，故三种设备的采样值均与标准值相一致，具有较高的测试准确性。
3.2.2 系统平稳性检验
设定差动保护下比率制动系数分别为0.2、0.3、0.4，各系数相应的比率差动测试结果如图6所示。可以看出，本文系统因采用支持双网卡的通用型计算机，利用其中一个网卡完成与测试设备之间的信息交互，并就多组电流输入与高开关量要求等情况分别给出了有效的解决策略，根据电压与电流各自的接线形式，建立不同的继电器阵列，结合可编程逻辑控制器后，赋予测试信号编码器更理想的通用性能，因此，比率差动的自动测试阶段较为稳定，且始终没有发生数据漂移情况。
3.2.3 系统效益性检验
图7呈现的是系统测试与报告填充所用时长，将其与手动测试时长作对比后可以看出，所提系统因利用可编程逻辑控制器，实现系统的全自动化，极大程度缩短了测试时长，并用标签的形式插入试验报告，因此，只需要花费少许时间即可完成报告内容的填充，大幅加快了劳动生产率，有助于产生较大的经济效益。
4 结束语
本文以牵引变电所的继电保护设备为研究对象，创建自动测试系统，在实现设备故障自动检测的同时，为电力工作者提供相关技术支持。尽管本文取得了一定的研究成果，但仍需从以下几个方面加以优化：应针对各硬件组件进行开、闭环测试，探寻更理想、更适合的元件配置，从根本上提升系统的测试性能；将缩短系统测试时长作为下一阶段的研究重点，使系统满足即时性需求。
