untitled

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 9 / 2 0 0 4

a u t o m a t y k a

rządzenia do testowania prze-
kaźników elektroenergetycz-

nych można podzielić według wielu
kryteriów [3, 9]. Jednym z podziałów
może być podział na testery pracują-
ce w układzie z otwartą pętlą (na za-
chowanie się modelowanego systemu

w testerze nie ma wpływu działanie

badanych przekaźników) i testery (sy-
mulatory) pracujące w układzie z za-
mkniętą pętlą (na zachowanie się mo-
delowanego systemu - tak jak w rze-
czywistym systemie - wpływ ma dzia-
łanie badanych przekaźników).

Według tego podziału do pierw-

szej grupy urządzeń można zaliczyć

testery (klasyczne) umożliwiające
badanie przekaźników prostymi sy-

gnałami analogowymi (najczęściej
o częstotliwości podstawowej) i te-
stery (symulatory) (ang.

playback di-

gital simulators

) umożliwiające ba-

danie przekaźników z wykorzysta-

niem odtwarzanych sygnałów przej-
ściowych (uwzględniających wyższe
harmoniczne i składowe nieokreso-

we) otrzymanych w wyniku symula-

cji z programów matematycznych lub
zarejestrowanych przez cyfrowe reje-
stratory zakłóceń. Symulatory tego

typu są odpowiednie, jeśli chce się

sprawdzić pierwszą odpowiedź bada-
nego urządzenia na zaistniałą sytu-
ację w systemie (np. reakcję na po-

jawiające się zwarcie). Za pomocą tej

grupy urządzeń istnieje możliwość

wykonania funkcjonalnych testów

zgodności oraz funkcjonalnych te-
stów działania [1, 2].

Do drugiej grupy testerów można

zaliczyć testery (symulatory) analogo-

we, hybrydowe i cyfrowe. Te ostatnie

są obecnie najpopularniejesze. Teste-
ry tego typu często nazywane są sy-
mulatorami systemu elektroenerge-

tycznego działającymi w czasie rze-

czywistym (ang.

real time simula-

tors

). Za pomocą tej grupy urządzeń

istnieje możliwość wykonania syste-
mowych testów działania [1, 2].

Integralną cześcią testerów zarów-

no z pierwszej, jak i z drugiej grupy
są odpowiednie wzmacniacze mocy,
umożliwiające wymuszenie sygnałów
analogowych (prądowych i napięcio-

wych) o wartościach zbliżonych do

tych, jakie pojawiają się na wejściach
analogowych przekaźników elektro-

energetycznych podczas zakłóceń.

testery mikroprocesorowe

pracujące w układzie
z otwartą pętlą

Testery te można podzielić na

testery mikroprocesorowe klasyczne

oraz testery (symulatory) odtwarza-

jące sygnały przejściowe.

Klasyczne testery mikroprocesorowe

Urządzenia tego typu są ciągle

w bardzo dużym stopniu wykorzy-

stywane do testowania urządzeń za-
bezpieczeniowych. Ich zasada dzia-
łania jest podobna do wcześniej sto-
sowanych walizek (urządzeń do wy-
konywania prostych prób konkret-
nych przekaźników). Za pomocą te-
sterów tego typu można wykonywać

funkcjonalne testy zgodności [1, 2].
Przedstawicielami tej grupy teste-
rów są m.in. CMC ﬁrmy OMICRON

electronics [10], Freja ﬁrmy Program-
ma Electric AB [11], ARTES ﬁrmy

KoCoS Meßtechnik AG [12], F6000
ﬁrmy Doble [13] (USA) oraz PULSAR
ﬁrmy Megger [14]. Wymienione te-

stery pozwalają na jednoczesne wy-
muszanie co najmniej 3 prądów i 3
napięć (wykonanie trójfazowe). Ist-
nieją też wersje uproszczone (wy-
konanie jednofazowe). Przedstawi-
cielami tego urządzeń typu są m.in.
SVERKER ﬁrmy Programma, F2250

ﬁrmy Doble, CMC 151 ﬁrmy OMI-
CRON electronics oraz tester UTC-

-GT Instytutu Energetyki w Warsza-

wie [15]. Testery w wykonaniu jed-

nofazowym mają zwykle większą
moc wyjścową sygnałów analogo-

wych niż testery w wykonaniu trój-

fazowym (przy tych samych gabary-
tach) i są zwykle przeznaczane do ba-

dania przekaźników elektromecha-

nicznych i elektronicznych.

Testery mikroprocesorowe są urzą-

dzeniami zaprojektowanymi z myślą
o sprawdzaniu poprawności działa-

nia nie tylko urządzeń zabezpiecze-
niowych, ale również:

układów przekształtnikowych

typu: transformatory pośredni-

czące, przetworniki,

innych urządzeń automatyki elek-

troenergetycznej mających wej-
ścia analogowe do pomiaru prą-

du i napięcia, wejścia dwustano-

we do określania stanu logiczne-

go sygnałów dwustanowych, wyj-
ścia dwustanowe do sterowania.

Badanie róznych urządzeń za po-

mocą testerów mikroprocesorowych

odbywa się w układzie przedstawio-

nym (poglądowo) na rysunku 1. Te-
ster połączony jest z jednej strony
z badanym urządzeniem, z drugiej
zaś z komputerem nadrzędnym -

- zwykle PC. Z komputera przesyła-

ne są polecenia i dane określające
rodzaj realizowanego testu, na któ-
ry składają się poziomy wymusza-
nych prądów i napięć, sekwencje

oraz czasy zmian zarówno wielko-
ści analogowych, jak i wyjść dwusta-

nowych testera. Zwrotnie (z badane-
go urządzenia), po zakończeniu te-
stu lub jego fragmentu, przekazywa-

urządzenia do wykonywania
badań przekaźników
elektroenergetycznych

część 1

dr inż. Adam Smolarczyk, dr inż. Ryszard Kowalik - Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki

Urządzenia (testery) do badania przekaźników elektroenergetycznych (urządzeń za-
bezpieczeniowych) ulegają ciągłym zmianom. Początkowo wykorzystywano w tym celu
wyspecjalizowane testery o stosunkowo wąskich i prostych możliwościach. Dla wygody
testery te robiono w formie walizek przeznaczonych do badania konkretnych urządzeń
(np. przekaźników odległościowych, przekaźników nadprądowych itp.). Dzisiaj techni-
ka cyfrowa umożliwia opracowanie i tworzenie bardzo elastycznych (programowalnych)
testerów mikroprocesorowych, współpracujących ze wzmacniaczami wysokiej klasy.

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 9 / 2 0 0 4

ne są informacje o zmierzonych war-
tościach analogowych (w przypad-
ku badania przekształtników), cza-
sy zmian stanów zaobserwowanych
na wejściach dwustanowych, itp.

W przypadku badania urządzeń za-

bezpieczeniowych do zmiany nasta-

wień badanego urządzenia i odczy-

tu wartości wielkości analogowych
mierzonych przez urządzenie najcze-
ściej wykorzystywany jest dodatko-

wy komputer PC. Taka zasada pro-
wadzenia badań ma wpływ na kon-

strukcję (sprzętową) testera. Ogól-
ny schemat blokowy przedstawiają-
cy budowę wewnętrzną testera mi-
kroprocesorowego przedstawiono na
rysunku 2

Jak widać na rysunku, tester skła-

da się z kilku bloków funkcjonalnych.

Wyróżnia się w nim:

układ sterownika głównego - spra-

wującego ogólny nadzór nad dzia-

łaniem urządzenia,

układ wejść analogowych - zamie-

niający wartości analogowe napięć
i prądów na wartości cyfrowe czy-
tane przez procesor podrzędny,

układ wyjść analogowych - zamie-

niający wartości cyfrowe na odpo-

wiadające im wymuszane warto-

ści napięć i prądów,

układ wejść dwustanowych - za-

mieniający wartości dwustano-

we na wartości cyfrowe czytane
przez procesor podrzędny,

układ wyjść dwustanowych - po-

zwalający na przekazywanie do
badanego urządzenia dwustano-

wych sygnałów sterujących.

Dokładniejszy opis poszczególnych

modułów sprzętowych (ang.

hardwa-

), z których składa się typowy te-

ster mikroprocesorowy, można zna-
leźć w [9].

Zwykle testery posiadają wyj-

ścia prądowe i wyjścia napięciowe

(ich liczba zależy od rodzaju testera),
wejścia analogowe (napięciowe i prą-

dowe przystosowane do standardów

telekomunikacyjnych), do kilkunastu

wejść dwustanowych i kilka wyjść

dwustanowych. Od strony sprzęto-

wej mogą współpracować z układa-

mi dodatkowymi, takimi jak:

wzmaczniacze - służące do wzmac-

niania wyjściowych sygnałów
analogowych (prądowych i napię-
ciowych) z testera oraz zwiększ-
nia ich liczby (np. podczas testo-

wania funkcji różnicowych, ukła-

dów kontroli synchronizmu, ukła-
dów współpracy z łączem),

urządzenia do zwiększania liczby

sygnałów dwustanowych (wejść
dwustanowych i wyjść dwustano-

wych),

układy GPS (ang.

Global Positio-

ning System

) do synchronizacji

czasu odniesienia, co pozwala na

wymuszenie w tym samym czasie

sygnałów testowych przez kilka

testerów (np. do testowania ukła-

dów współpracy z łączem, funkcji

porównawczo-prądowych do za-

bezpieczania linii).
Integralną częścią każdego teste-

ra mikroprocesorowego jest interfejs
użytkownika. Użytkownik może się
komunikować z urządzeniem przez
lokalny pulpit kontrolny (rozwiąza-
nie stosowane m.in. w testerze Fre-
ja ﬁrmy Programma Electric AB) lub
też zdalnie poprzez komputer PC (na
którym zainstalowano odpowiednie

oprogramowanie), współpracujący

z urządzeniem za pomocą łącza (roz-

wiązanie stosowane we wszystkich

testerach).

Dzięki lokalnemu pulpitowi kon-

trolnemu użytkownik ma możliwość

sterowania pracą testera za pomocą
odpowiednich przycisków sterują-
cych i wyświetlacza LCD (np. usta-

wianie wartości wymuszanych prą-

dów i napięć, ustawianie impedancji,

ustawianie warunków przed- i zwar-

ciowych, ustawienie szybkości i war-

tości kroku narastania sygnałów) oraz
możliwość odczytu (z poziomu wy-
świetlacza LCD) informacji o czasie
zadziałania urządzenia.

O wiele częściej praca testera jest

sterowana z poziomu komputera PC
za pomocą specjalistycznego oprogra-
mowania. Obecnie oprogramowanie

to najczęściej pracuje pod systemem

operacyjnym Windows. Możliwość

nadzorowania i sterowania pracą te-
sterów mikroprocesorowych przez

oprogramowanie jest jedną z ich

najważniejszych zalet (w porówna-
niu z poprzednią generacją testerów
elektronicznych). Za pomocą współ-
czesnego oprogramowania testerów
można m.in.:

w łatwy sposób badać wartości

rozruchowe i powrotowe (w tym

współczynniki powrotu), czasy za-

działania funkcji, prądowych, na-

pięciowych i częstotliwościowych.

Rys. 1 Układ do testowania urządzeń automatyki elektroenergetycznej przy wyko-

rzystaniu testera mikroprocesorowego

Badania można wykonać za pomo-

cą funkcji pozwalających manual-
nie zmieniać wartości wumusza-
nych prądów i napięć (w tym ich
amplitudy, fazy i częstotliwości)
oraz czas i krok ich narastania,

badać wpływ na czas zadziałania

przekaźnika składowej nieokreso-
wej w sygnałach zakłóceniowych,

synchronizować początek wymu-

szania sygnałów analogowych za

pomocą układów GPS (w przypad-
ku współpracy kilku testerów),

automatycznie badać charaktery-

styki funkcji odległościowych na

płaszczyźnie impedancyjnej oraz

charakterystyki czasowe tych

funkcji. Często standardowe cha-
rakterystyki (znanych prodcen-
tów urządzeń zabezpieczenio-

wych) na płaszczyźnie impedan-

cyjnej są wcześniej predeﬁniowa-
ne i dostępne w oprogramowa-
niu, dzięki czemu użytkownik nie
musi ich samodzielnie deﬁniować

w urządzeniu,

automatycznie badać charaktery-

styki rozruchowe funkcji różnico-

wych, badać poprawność bloko-
wania funkcji różnicowych okre-

śloną zawartością 2. i 5. harmo-
nicznej w prądzie różnicowym,

automatycznie sprawdzać charak-

terystyki rozruchowe funkcji nad-
prądowych (tak jak w przypadku

reklama

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 9 / 2 0 0 4

a u t o m a t y k a

charakterystyk impedancyjnych

funkcji odległościowych są one

często predeﬁniowane w oprogra-
mowaniu),

automatycznie sprawdzać układy

kontroli synchronizmiu i napięcia,

samodzielnie pisać dodatkowe mo-

duły oprogramowania sterującego

pracą testera za pomocą popular-
nych języków programowania (Vi-

sual Basic, Delphi, C++) przez wy-
korzystanie specjalnych rozkazów
i bibliotek sterujących (np. Engine
Software dla testera CMC),

generować raporty z wykonanych

badań.

Testery (symulatory) odtwarzające

sygnały przejściowe

Testery tego typu odtwarzają w try-

bie off-line przebiegi sygnałów ana-
logowych otrzymane z programów
do symulacji elektromagnetycznych
stanów przejściowych lub rejestra-
cje z rejestratorów zakłóceń. Pozwa-
lają sprawdzić, jak zachowa się bada-
ne urządzenie w przypadku wystąpie-
nia sygnałów analogowych zawierają-
cych składową nieokresową i wyższe
harmoniczne (które występują pod-
czas rzeczywistych zakłóceń w sys-
temie elektroenergetycznym).

Symulatory odtwarzające sygnały

przejściowe są o wiele mniej kosztow-
ne niż cyfrowe symulatory działajace
w czasie rzeczywistym zjawisk i są zde-

cydowanie mniejsze niż zajmujące bar-
dzo dużo miejsca symulatory analogo-

we bądź hybrydowe. Wadą ich jest to,

że nie uwzględniają podczas testów sy-

gnałów zwrotnych z badanego przekaź-
nika (informacji o jego zadziałaniu). Ze

względu na to, że te testery nie pracu-

ją w czasie rzeczywistym, potrzebują
zdecydowanie mniejszą moc oblicze-
niową (do rozwiązania równań zwią-
zanych z modelowanym układem) niż
symulatory działające w czasie rzeczy-

wistym. Dzięki temu można za ich po-

mocą modelować większe i bardziej
skomplikowane fragmenty systemu
elektroenergetycznego. Testy z wyko-
rzystaniem tego typu symulatorów

określane są jako funkcjonalne testy
działania [1, 2].

Większość klasycznych testerów

mikroprocesorowych (opisanych

wyżej) posiada funkcje (np. moduł

AdvTransPlay w przypadku testera typu
CMC) umożliwiające odtworzenie prze-
biegów z plików zapisanych w formacie
COMTRADE (jest on obecnie standar-

dem w zapisie rejestracji zakłóceń) lub

formacie generowanym przez progra-
my do symulacji stanów dynamicznych
(np. ATP/EMTP). Dzięki temu w łatwy

sposób za pomocą testera można od-

tworzyć przebiegi przejściowe prądów
i napięć występujące podczas zakłóceń
i sprawdzić zachowanie się urządzenia
zabezpieczeniowego (zadziałanie lub
jego brak).

Oprócz testerów klasycznych po-

siadających jako dodatkową możli-

wość odtworzenia przebiegów przej-

ściowych istnieje też grupa testerów

wykorzystywana jedynie do odtwa-

rzania takich przebiegów. Przykładem
takiego urządzenia może być symula-

tor RTP (Real Time Playback) [5] od-
twarzający przebiegi wygenerowane
prze program PSCAD/EMTDC.

Symulator RPT jest 12-kanałowym

(sygnały analogowe) testerem zapro-
jektowanym do współpracy z oprogra-

mowaniem PSCAD/EMTDC. Oprócz

wyjść analogowych ma 8 wejść dwu-

stanowych i 8 wyjść dwustanowych.

Dodatkowo istnieje możliwość zwięk-

szenia liczby wejść dwustanowych
o dodatkowe 8 i liczby wyjść o dwu-
stanowych o dodatkowe 8. Ze wzglę-
du na fakt, że poziom wyjściowych sy-
gnałów analogowych (warość maksy-
malna) mieści się w zakresie wartości

+/- 10 V tester, musi współpracować

z dodatkowymi wzmacniaczami mocy.
System, w którym pracuje symulator
RTP, został podzielony na dwie cześci:

RTP Client – graﬁczny interfejs użyt-

kownika, który steruje procesem te-
stowania. Może być zainstalowany
na wielu komputerach PC. Na kom-
puterze PC, na którym jest zain-
stalowany, wyświetlane są wymu-
szane przebiegi analogowe i sygna-
ły dwustanowe będące wynikiem

działania badanego urządzenia.

RTP Server – część sprzętowa teste-

ra, która zawiera sterownik mikro-
procesorowy, wyjścia analogowe

oraz wejścia/wyjścia dwustanowe,

które są podłączone do badanego
urządzenia.
Części RTP Client i RTP Server mogą

współpracować ze sobą za pomocą sie-

ci Ethernet, LAN lub Internet. Urządze-
nie RTP może dodatkowo współpraco-

wać z zegarem GPS synchronizującym

start wymuszanych przebiegów. Głów-
na różnica między testerami typu RTP
a klasycznymi testerami (typu FREJA,
CMC, F6000, PULSAR, ARTES) polega
na tym, że testery typu RTP służą jedy-
nie do odtwarzania i obrabiania prze-
biegów przejściowych wygenerowa-
nych za pomocą oprogramowania do
symulacji stanów dynamicznych (np.

EMTP/ATP, PSCAD/EMTDC). Oprogra-
mowanie współpracujące z tymi teste-
rami zwykle posiada większe możli-
wości obrabiania sygnałów przejścio-
wych niż oprogramowanie współpra-

cujące z klasycznymi testerami mikro-

procesorowymi, które zwykle pozwa-
la je tylko odtworzyć i nie daje możli-
wości ich obróbki.

Należy podkreślić, że niektóre kla-

syczne testery mikroprocesorowe dają

użytkownikowi możliwość dokonania

samodzielnego powiązania oprogramo-

wania symulującego stany dynamiczne

z częścią sprzętową testera. Polega to na
tym, że wyeliminowany został „ręczny”
sposób przenoszenia danych między
matematycznym programem symula-
cyjnym a standardowym oprogramo-

waniem testera służącym do wczyty-
wania danych i obserwacji reakcji ba-

danego urządzenia. Wszystko odbywa
się automatycznie od momentu wyko-

nania symulacji do momentu spraw-

dzenia reakcji przekaźnika (pojawienia
się sygnału na odpowiednich wejściach
dwustanowych testera) na zasymulo-

wane przebiegi analogowe. Przykłada-

mi testerów współpracującym z tego
typu oprogramowaniem mogą być:

tester CMC i skojarzone z nim

za pomocą biblioteki CM Engi-
ne oprogramowanie AtpNet [1, 4]

(CM Engine - biblioteka procedur
umożliwiająca napisanie progra-

mu sterującego testerem CMC),

tester PULSAR [14] nadzorowany

przez współpracujące ze sobą pro-

gramy ATPDraw, BGEN, ATP i Re-
lay Assistant [1].
Od redakcji:

Artykuł powstał w ra-

mach badań sponsorowanych przez
KBN. Projekt Nr 4 T10B 068 22. Litera-
turę do artykułu opublikujemy wraz
z częścią drugą.

Rys. 2 Schemat blokowy przedstawiający budowę wewnętrzną testera mikroprocesorowego