基于虚拟仪器技术的电力系统测试仪器的测试方法及在综自装置、同期检测装置上的应用

摘要

基于虚拟仪器技术的电力系统测试仪器的测试方法及在综自装置、同期检测装置上的应用。在上、下位机结构体系中，充分发挥两者工作性能，进而有利于功能扩展，并能充分利用有限的下位机资源。本发明的步骤：在上位机中根据功能需求选择测试软件模块；上位机根据划分程序将上位机中的程序划分为实时程序、准实时程序和非实时程序；上位机将实时程序传输给下位机，下位机接收到实时程序后，该实时程序接管DSP微处理器，控制其运行；上位机对准实时程序、非实时程序进行计算；下位机处理外部的各种实时信息和实时程序计算；上位机将计算结果按传输指令程序的指令传输给下位机，并和下位机交换数据；下位机响应上位机的指令，并执行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对于含有虚拟仪器技术的电力系统测试仪器的测试方法，以及在综合自动化装置和在同期检测装置上的应用方法。 

背景技术

虚拟仪器(Visμal Instrμctions)技术是现代计算机系统和仪器系统技术相结合的产物，是当今计算机辅助测试(CAT)领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着智能化、模块化、虚拟化、网络化的方向发展。随着电力系统的规模和技术水平的飞速发展，为保障电力系统安全可靠的运行和获得更高的经济效益，在发电厂、变电所等生产部门中所要求监测的参数种类和项目也越来越多。而传统的测量仪器在对被测参数的综合分析、评估，信息交换和共享等方面存在着严重的缺陷。目前基于微机硬件平台的虚拟测量仪器已经在许多部门得到越来越广泛的应用。 

目前，电力系统中利用虚拟仪器技术开发测试设备的主要采用NI公司的LabView平台。LabView平台有良好的图形界面，功能强大的函数库等。但它也有一些缺点，最主要的是实时性不高，虽然用户可以对实时性要求很高的部分程序代码进行优化，但其效率由于Windows操作系统的非实时性，不能完全达到实时要求。而电力系统测试设备中很多要求有电力系统暂态分析的，这对实时性要求很高。 

为满足这种高实时性的要求，很多电力测试设备采用了专门的硬件加上一些实时操作系统(如VxWorks)等方式。但这又背离了虚拟仪器(Visμal Instrμctions)技术的初衷，使得专用仪器的升级维护很不方便，而且功能单一和有缺陷，例如没有足够的空间来储备数据，不能实时显示处理结果，由于专门硬件电路在乘除法方面的缺陷不得不降低计算精度等。 

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种在上、下位机结构体系中，充分发挥两者工作性能，进而有利于功能扩展，并能充分利用有限的下位机资源的基于虚拟仪器技术的电力系统测试仪器的测试方法。 

此外，本发明还提供了将前述方法在综合自动化装置上的应用，以及在同期测检测装置上的应用。 

本发明的测试方法是：所述电力系统测试仪器包括上位机和下位机； 

所述上位机采用PC，所述PC中含存储有电力系统测试软件模块的存储器； 

所述下位机包括DSP微处理器、双口内存和接口电路，所述DSP微处理器具有内存； 

所述上位机与下位机之间采用PCI总线相连； 

所述上位机PC的存储器中还包括有按时间特性划分各程序性质的划分程序，和按划分程序的结果判定各程序、数据传输模式的传输指令程序； 

所述下位机的双口内存和下位机DSP微处理器的内存在初始状态空置； 

DSP微处理器的所有运行程序都在PC机测试过程中下载到所述DSP微处理器的内存中，测试完成后所述DSP微处理器的内存恢复到初始空置状态； 

所述测试方法按如下步骤进行： 

1)、在上位机中根据功能需求选择测试软件模块； 

2)、上位机根据划分程序将上位机中的程序划分为实时程序、准实时程序和非实时程序； 

所述实时程序为：系统在小于1ms内对特定的事件做出响应的程序； 

所述准实时程序为：系统在1ms至10s对特定的事件做出响应的程序； 

所述非实时程序为：无相应时间要求的程序； 

3-1)、上位机将实时程序传输给下位机，下位机接收到实时程序后，该实时程序接管DSP微处理器，控制其运行； 

3-2)、上位机对准实时程序、非实时程序进行计算； 

3-3)、下位机处理外部的各种实时信息和实时程序计算； 

4)、上位机将计算结果按传输指令程序的指令传输给下位机，并和下位机交换数据； 

5)、下位机响应上位机的指令，并执行。 

所述的电力系统测试仪器还包括用于在上位机和下位机之间进行远程通讯的GPS通讯装置。 

本发明在在综合自动化装置中的应用技术方案是：所述综合自动化装置中上位机的内存中的电力系统测试软件模块包括装置通讯、遥控、遥测、动作事件、事件雪崩、遥信响应时间、脉冲量、交直流六路输出、状态序列、三相及六相差动、递变输出、电压保护、电流保护、复压闭锁及功率方向、同步继电器、直流及中间继电器、故障回放、频率试验、低频减载定值、低频减载延时、低周滑差闭锁值、低电压闭锁定值、时间特性、同期试验、系统振荡、线路保护、谐波试验、谐波叠加、整组试验、阻抗特性、故障录波仪、高精度数字多用表、谐波分析仪和双通道示波器测试模块。 

本发明在同期检测装置中的应用技术方案是：所述同期检测装置中上位机的内存中的电力系统测试软件模块包括差频同期整组、同频同期、断路器合闸时间、压差上下限闭锁、频差上下限闭锁、同期合闸脉宽、调压脉宽和调频脉宽测试模块。 

本发明根据时间特性划分处理区间，结合上下位机的分层计算，进而解决实时性不高的基于虚拟仪器技术的电力系统测试仪器的测试方法。它采用了系统下位机软硬件彻底分离技术，有利于功能的扩展，充分利用有限的下位机资源，使得系统的响应 更为及时，数据处理效率更高。最后，本发明还利用通讯技术，和被测装置进行数据通讯，控制被测装置和得到测试结果，实现了自动测试，避免了人为操作失误，提高测试效率。本发明实现了专有仪器的高速实时的特点，也有一般虚拟仪器的智能化，功能强大，维护方便的特点。解决了对被测参数的综合分析、评估，信息交换和共享等方面的问题。例如有强大的录波分析和在线显示检测功能。 

附图说明

图1是本发明的工作原理图 

图2是本发明测试方法的流程图 

图3是本发明的工作原理框图 

图4-1是本发明应用在暂态分析中的原理框图 

图4-2是本发明背景技术应用在暂态分析中的原理框图 

图5-1是本发明应用在故障回放中的原理框图 

图5-2是本发明背景技术中应用在故障回放中的原理框图 

图6-1是本发明工作时功能软件架构形式的示意图 

图6-2是本发明背景技术中功能软件架构形式的示意图 

具体实施方式

本发明如图1、2、3所示，所述电力系统测试仪器包括上位机和下位机； 

所述上位机采用PC，所述PC中含存储有电力系统测试软件模块的存储器； 

所述下位机包括DSP微处理器、双口内存和接口电路，所述DSP微处理器具有内存； 

所述上位机与下位机之间采用PCI总线相连； 

所述上位机PC的存储器中还包括有按时间特性划分各程序性质的划分程序，和按划分程序的结果判定各程序、数据传输模式的传输指令程序； 

所述下位机的双口内存和下位机DSP微处理器在初始状态空置； 

DSP微处理器的所有运行程序都是PC机在测试过程中下载到所述DSP微处理器的内存中，测试完成后所述DSP微处理器的内存恢复到初始空置状态； 

所述测试方法按如下步骤进行： 

1)、在上位机中根据功能需求选择测试软件模块； 

2)、上位机根据划分程序将上位机中的程序划分为实时程序、准实时程序和非实时程序； 

所述实时程序为：系统在小于1ms内对特定的事件做出响应的程序；即必须在小于1ms内对特定的事件(定时器、外部中断、脉冲等)响应的程序。例如D/A输出波形程序中，要求每20ms输出2000点，定时器设置为10μs，该程序必须在每10μs响应一次定时器，不能漏掉一个，时间误差最大不能10μs；如果定时器发出信号后10μs，程序没有响应或没处理完，就会影响输出，输出波形变得不规则。 

所述准实时程序为：系统在1ms至10ms对特定的事件做出响应的程序；实质上和上面的实时程序定义一致，唯一的区别是时间限制为1ms至10ms，该程序对事件的时间响应不像实时程序苛刻。但准实时也会有时间限制，如果准实时程序不响应也会对系统有影响。例如下位机向上位机发送数据，上位机的时间限制为1ms，下位机是定时100μs(很精确)向上位机发送中断请求，上位机可以漏掉或延迟响应，只要在1ms以内就可以了，也就是下位机连续发送的十个中断(0μs，100μs，200μs……)中，上位机只要能响应其中的一个就可以了；如果上位机延迟1ms后再响应其中的一个，其下位机双口内存中的数据不是该中断发送的数据，而是下一批(十个)中断的数据了，就会产生数据误差。 

所述非实时程序为：无相应时间要求的程序；这种程序就是其运行和响应延迟对系统产生不了影响；例如打印程序，其速度的快慢甚至打印机故障都不会对测试结果产生干扰。 

3-1)、上位机将实时程序传输给下位机，下位机接收到实时程序后，该实时程序接管DSP微处理器，控制其运行； 

3-2)、上位机对准实时程序、非实时程序进行计算； 

3-3)、下位机处理外部的各种实时信息和实时程序计算； 

4)、上位机将计算结果按传输指令程序的指令传输给下位机，并和下位机交换数据； 

5)、下位机响应上位机的指令，并执行。 

所述的电力系统测试仪器还包括用于在上位机和下位机之间进行远程通讯的GPS通讯装置。 

本发明在在综合自动化装置中的应用技术方案是：所述综合自动化装置中上位机的内存中的电力系统测试软件模块包括装置通讯、遥控、遥测、动作事件、事件雪崩、遥信响应时间、脉冲量、交直流六路输出、状态序列、三相及六相差动、递变输出、电压保护、电流保护、复压闭锁及功率方向、同步继电器、直流及中间继电器、故障回放、频率试验、低频减载定值、低频减载延时、低周滑差闭锁值、低电压闭锁定值、时间特性、同期试验、系统振荡、线路保护、谐波试验、谐波叠加、整组试验、阻抗特性、故障录波仪、高精度数字多用表、谐波分析仪和双通道示波器测试模块。 

本发明在同期检测装置中的应用技术方案是：所述同期检测装置中上位机的内存中的电力系统测试软件模块包括差频同期整组、同频同期、断路器合闸时间、压差上下限闭锁、频差上下限闭锁、同期合闸脉宽、调压脉宽和调频脉宽测试模块。 

下面进一步详细说明本发明的原理： 

一、根据时间特性划分的上下位机分层计算技术 

本发明方法测试平台首先采用DSP+PC机的主从机机构，主从机连接采用了PCI桥，硬件和软件上进行通讯的实时处理和容错设计，系统既能满足电力系统高实时的 设计要求，又充分利用了PC机的强大处理能力。系统采用PC机+DSP的主从机结构，充分结合PC机和DSP的优点。DSP计算速度快，但片上资源少，功能单一，实时性好；PC机功能强大，但不能保证实时性。因此系统的实时处理部分，例如A/D的高速实时采样、D/A的稳定输出，GPS的接受、数字IO采样输出以及用户要求的实时计算分析程序都在DSP中；而DSP计算分析后的数据会通过PCI桥高速传送给PC机，让PC机处理一些复杂模型的计算、大数据的存储分析和显示等。 

主从机的连接采用PCI总线，而不是一般仪器的USB或串口。PCI总线可以提供极高的数据传送速率(132MB/s)。PCI总线与CPU无关，与时钟频率亦无关，可适用于各种平台，支持多处理器和并发工作。PCI总线还具有良好的扩展性，通过PCI-PCI桥可允许扩展。 

系统的时间特性划分中把必须在1ms以下响应的计算部分认为是实时程序；1ms以上的实时响应认为“准实时”程序；时间无要求的是非实时程序。实时程序必须在DSP处理，“准实时”程序放在PC机中计算，也可以在DSP中。具体原理如下： 

DSP相对于PC机计算能力弱，但由于是单一任务系统，可以有很好的实时性，可以达到μs级的定时响应；PC机与DSP相比功能强大，但由于windows系统是分“时间片”的多任务系统，但不能保证在规定的时刻响应消息。具体来说就是在一个规定时间内PC机能做的工作比DSP要多得多，计算能力是数量级上差别，但DSP能保证在规定的时刻响应你的要求；而PC机不能保证，如果该时刻空闲可以响应你，如果有其他任务，必须先处理好了再来响应。如果用户把这个时间间隔放大，达到1ms、10ms，则经过程序设计PC机也可以保证实时性，再加以容错处理，达到了实时要求，这就是“准实时”定义。 

利用这个特点系统采用“准实时”方案，DSP下位机定时发送中断给Windows系统(该时间中断小于1ms，一般为100μs)，每次发送的数据保存在内存中。由于PC机与DSP相比功能强大，只要能响应一次，就能处理十几甚至几十次DSP发送的数据。因此只要Windows在1ms内10次响应一次就能处理实时信息，完成“准实时”响应。 

这样的好处可以通过下面两个例子来比较： 

1)在分析电力系统的暂态分析中，对故障发生时间段要求非常精确，这种精确包含两个方面：一是计算模型要复杂，尽量模拟实际现场状态，这要求计算量很大；二是时间步长短，这样功放输出的波形才能反映信息丰富的暂态量，这也是增大了计算量，提高了实时要求。 

一般测试仪的计算部分全在DSP上，DSP的计算能力是有限的，不得不在两者权衡，甚至两个全精简，输出的波形不能反映实际现场状态。 

本发明中就克服了以上问题。PC机的计算能力很强，复杂计算模型和时间步长的长短不是问题，可以计算出符合实际现场状态的完美波形，把这些数据在1ms内发送 给DSP，由DSP实时输出就行了。具体如图4-1、4-2所示，参数为步长10μs，图4-2为常规(背景技术)测试系统。图4-1为本发明的测试系统。 

2)电力系统故障回放中，也就是把现场录波的数据通过实时再现出来，这些数据往往很大，常规测试仪器是把这些数据全部放在DSP板上，在通过DSP实时回放出来，由于DSP板上存储资源有限，不得不对其数据进行删减，对用户分析带来了很大的问题，甚至无法回放；而采用本发明方法，则无数据大小的限制，理论上只要能拷贝到PC机上就能回访出来。如图5-1、5-2所示：图5-2为常规测试系统，图5-1为本发明。 

二、下位机软硬件彻底分离技术 

系统的功能软件全部在PC机上，每次运行后系统会自动把程序的实时部分下载到DSP中，系统的软硬件相对独立，即软件功能的扩展和升级无需修改硬件，而硬件部分的修改升级也不影响软件。 

常规的测试仪器把计算和控制处理部分等主要程序烧写在DSP板卡上，一上电就启动，程序运行后PC机把一些用户设置的参数指令发送给DSP，DSP根据参数指令运行。这样的好处是程序设计简单、数据传输量少；但带来的问题是实时和非实时程序全部在DSP上运行，资源浪费，软件的升级修改麻烦，功能单一。 

在本系统中，DSP中没有主要程序，系统上电后DSP中没有运行程序，所有程序都在PC机中，当用户要进行测试时，PC机会把程序先下载到DSP中，然后该程序接管DSP运行，程序结束后退出，DSP又恢复原始状态。如图6-1、图6-2所示，图6-2是背景技术的工作原理，图6-1是本发明。 

这样有四个好处： 

①用户可以对程序加以裁减，仅把要测试的实时部分发送到DSP中，大大减少了其资源消耗，提高了效率；特别是测试功能单元很多时，如果全部下载到DSP中，不仅会消耗其宝贵的存储资源，特别是片内资源，也会让其在运行时不停查找功能单元，大大降低效率，而采用这种技术，占有内存空间小， 

②功能扩展方便，可以根据用户设置灵活更换功能单元。用户要扩展功能或修改、升级功能单元只要把PC机上的计算程序更换就行了，无需改变任何硬件。 

③实时软件的优化处理，由于占用内存空间小，在同等资源的前提下，能获得更高的效率。例如由于程序小，可以把原先只能在较慢的片外内存计算的数据放到速度快的片内内存。 

④查表计算的优化 

DSP中计算正弦等函数时会消耗大量的计算时间，因此一般DSP计算会有查表法，特别在电力系统中，即将一个函数分成若干等分，保存在内存中，形成函数表，计算时直接查函数表中的数据，省去了计算时间。函数表分的越细，空间越大，就会越节约计算时间，提高计算精度。比如这些数据可以存储在双口内存中；此外，双口内存 还可以存储一些指令、执行程序。 

不同的测试单元会有不同的函数，因此必须有很多不同的函数表，甚至一个程序中用户不同的参数设置就会有不同的函数表，一般的测试仪器由于把计算程序全放在DSP板上，同样也会把全部函数表放在DSP板上，这样就会有很多在当前测试单元中用不到的大量函数表存在DSP板上，大大占用了资源。 

而本发明中每次只会把根据用户参数而特制的函数表和计算程序一起下载到DSP板中，资源占用小。由于在每一个当前测试单元中，只有和该单元有关的函数表，该函数表可利用的空间相当于一般测试仪器全部的函数表占用的空间，这样该函数表可以分得更细，提高计算精度。 

而且该函数表可以和用户设置的参数相结合，由PC机计算好再发送下去。常规测试仪的函数表都是事先保存在DSP板中，只能和用户的参数结合一起在DSP中实时计算，效率会低很多。 

三、和被测装置进行数据通讯技术 

现在被测的电力系统装置也越来越智能化，它通过通讯接口(串口、网络等)接受外面的参数设置，也会把实时数据发送出去。 

它里面包含了很多测试系统需要的测试信息。例如在测试保护装置的阻抗测试，也就是测量被测保护的阻抗值。一般测试仪器只能通过节点得到被测保护装置的动作时间信息，并不知道被测保护具体阻抗值，主要是由用户通过动作时间来分析其阻抗是否满足要求。而被测保护装置内就会有这些测试结果数据。 

而现在本发明装置可以和被测保护装置通讯，就可以得到两方面的优势，使测试技术得到一个飞跃： 

1)得到详细的测试数据，例如阻抗测试中，就可以从被测装置得到其动作的具体阻抗，并与得到的动作时间一起分析，自动得出最精确的判断，并减少了人为分析的误差和提高效率。 

2)减少了测试错误。 

例如在阻抗测试中测试系统会输出大的电流和小的电压来测试被测保护的阻抗(阻抗＝电压/电流)，但一般被测保护装置会有多重判据来动作，当电流较大时，往往会先认为电流太大(过流)自动先发跳闸信号，而不会计算阻抗再发送跳闸信号，测试系统得到的动作时间是过流动作时间，非阻抗动作时间，为避免这种状态，用户必须先在测试前把被测保护的过流动作开关先关掉，测试完成后再打开。用户往往会出现忘记关掉或打开等错误，造成测试错误。 

先通过数据通讯技术，测试系统自动在测试前控制被测装置，发送关闭参数指令把被测保护的过流动作关掉，测试完成后再发送打开指令，这完全避免了人为操作错误。 

本发明的具体测试步骤例如下： 

如某电力系统测试仪器包括上位机和下位机，所述上位机采用PC，所述下位机包括DSP微处理器、双口内存和接口电路；上位机与下位机之间采用了PCI总线相连；上位机和被测装置进行实时通讯，和被测装置形成闭环系统，完成装置的自动测试。 

然后按照以下步骤进行： 

1)、本发明测试程序(上下位机的程序)都存储在上位机PC中；系统测试程序包含很多单个测试单元，例如一个保护测试系统中就包含几十个测试单元(各种继电器测试、谐波测试、低周减载、低压减载、系统振荡等等)。 

2)用户先把本测试系统和被测装置按要求把电压量、电流量、开关量连接好，并按设备的通讯要求连接好串口或网络。 

3)测试系统和被测装置数据通讯，设置好或取得被测装置的各种参数，防止测试系统和被测装置参数不一致。 

4)、系统运行后，用户进入某个测试单元。例如选择“低周减载”项目，用户设置好测试的各种参数；计算机控制系统自动查找该单元的下位机执行程序文件，读入该文件数据，并通过PCI总线下载到底层的DSP芯片中，DSP芯片根据该文件数据进入测试状态，初始化参数并等待运行参数； 

5)下位机在输出高质量的D/A数据通过功放给被测装置，包括故障电流、电压以及非周期分量等，能真实的反应实际电力系统的运行、故障情况；被测试装置接受到故障信息后，对故障进行判断来进行选择正确动作，测试软件通过步长时间间隔内、采集被测试系统的跳合信号、并根据新的系统模型拓扑结构判定下一时步的系统状态；被测保护装置与所仿真的电力系统构成测试闭环。 

下位机接受和输出、采集的各种信号会通过PCI桥实时高速发送给上位机并保存起来，以备用户事后分析。 

测试完成后，上位机得到测试结果，并和被测装置通过串口或网络通讯，得到被测装置的信息，二者加以分析给出完备的测试报告。 

最后： 

应用在综自测试中，由于系统的优化，计算能力强，输出点数密，实时性好，能同时满足保护测试的暂态特性输出和监控装置的稳态精度要求；由于采用了基于PC机的虚拟仪器技术，能方便使用串口或网络与被测装置通讯，实现了综自的自动测试功能。 

应用在同期装置中，除了能完成常规的功能测试外，还有强大的录波分析功能，方便现场用户分析同期装置问题；同时还可以和被测同期装置实时通讯，用来设置参数和读入装置结果，实现同期装置的自动测试，减少人为误差和干扰，提高测试准确性。