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微機型繼電保護測試儀的研制——微處理器系統設計
時間：2022-02-23
中試控股技術博士為您解答：近年來隨著繼電保護的數字化進程，繼電保護測試裝置趨向具備數字化、高效的數據處理能力、裝置模塊化、小型化方向發(fā)展，國內的主要幾家測試儀生產研制廠家不斷地推出電壓與電流等級更高、信號純度更好、每周期內點數更多、系統軟件功能更加強大的繼電保護測試儀器系統。這些測試儀功能性能略有差異，但是都有如下特點：
１．硬件電路上采用一體化模塊設計；
２．多采用高速處理器，精度高，速度快。具有故障轉換，故障再現功能；
３．擁有ＧＰｓ全球定位系統，可進行同步測試；
４．寬帶功率放大器高效率、高可靠，高精度、大功率輸出，具有良好的線性特性；
微機型繼電保護測試系統，測試對象主要是２２０Ｋｖ及以下高壓輸電線路的繼電保護及安全自動裝置。系統通過模擬電力系統的各種故障：輸出三相電壓、電流或直流試驗電壓，采用電壓、電流由正常運行值突變到故障值等，同時測試繼電保護裝置對故障的響應狀態(tài)和響應速度。除了對各種電壓、電流、負序、阻抗、方向、差動、重合閘等各類保護裝置進行校驗外，還能模擬單相接地、兩相短路、三相短路等各種故障的發(fā)生與切除過程，模擬故障過程中電流電壓的變化，從而檢驗被檢保護裝置的整體動作性能。
微機型繼電保護測試裝置主要組成部分包括：信號控制單元、電流電壓放大器和開關量輸入通道。信號控制單元是一個微機控制的可編程的信號發(fā)生器，可模擬電力系統各種常態(tài)和故障態(tài)的電氣量，輸出的弱信號，經功放放大成具有一定功率的電流、電壓激勵信號，開關量輸入通道檢測被測試繼電保護裝置的保護動作信號。當前的繼電保護微機型測試裝置具有以下功能：
1信號發(fā)生和開關量單元：要求能夠獨立產生各種輸出電壓、電流信號．通過采用高性能數模轉換電路，提供高質量的放大器輸入端信號；輸出直流至所需各種頻率的交流電壓、電流信號，可以為正弦，方波、三角波等各種波形和電力系統任意混成波形；提供八路開關量輸入和輸出；
2故障模擬：用于電路中接地短路等運行故障同時還提供模擬故障轉換及測試保護裝置的動作時間等功能；
3仿真功能：可以進行各種不同類型等仿真實驗如將故障記錄數據重新轉化為模擬量再現電網當時的故障情況；
4阻抗搜索：用于測試和搜索阻抗繼電器動作時間和阻抗的關系用數字方法合成試驗波形，如正弦波或疊加直流分量和高次諧波，可測試保護繼電器的穩(wěn)態(tài)特性或暫態(tài)特性。
2.測試儀研發(fā)的技術關鍵
１．良好的系統架構
為了提高測試儀的總體性能，測試儀的許多功能的實現都依賴于硬件電路如系統控制電路、任意信號發(fā)生器，譯碼及讀寫控制電路、總線驅動的控制、Ｉ，ｏ接口等，所以測試儀的硬件電路非常復雜。可能引起可靠性、電磁兼容性、功耗，設計風險，設計周期、設計費用等方面的問題。
２．ＵＳＢ通訊協議
通訊協議制定的好壞關系到系統測試的準確性和有效性。制定的協議必須保證數據的正確性的同時盡量減少數據的通訊量。ＲＴ型測試儀采用的串口通信方式在大量數據實時傳輸時，速度已不能滿足要求；基于ＵｓＢ通信的方案是本文設計的重點之一。
３．高性能任意波形發(fā)生器的ＦＰＧＡ實現
任意波形發(fā)生器的實質是通過Ｄ，Ａ轉換器產生模擬電力系統故障狀態(tài)的三相電流和電壓信號，信號質量將直接影響測試儀的性能指標。設計具有相位靈活可變、頻率穩(wěn)定且適當可調的任意波形發(fā)生器是測試儀的關鍵。在任意波形發(fā)生器的設計中，主要解決的問題有：a全量程范圍內實現信號輸出的高分辨率；b信號的高穩(wěn)定度；c信號任意波形、幅度、相位的實現；d信號的諧波疊加等。
４．保護動作的識別
繼電保護裝置的動作信號有電位式、節(jié)點式等，還可能有正、負極性之分，測試裝置需要能夠自動判別保護裝置輸出的常態(tài)和動作標志。
５．電磁兼容（ＥＭＣ）的保證
在設計過程中，需要分析產生干擾的原因和干擾侵入的途徑。從而采取有效的軟、硬件防范措施，一方面盡量消除電磁干擾、將干擾抑制到能夠容忍的水平，提高測試的準確性，另一方面減小系統自身產生的輻射干擾，提高系統的電磁兼容性。
3.測試儀的基本功能和技術指標
3.1.基本功能
測試儀所實現的基本功能有：
１．實現任意周期信號的輸出：根據測試的要求，運用軟件或硬件的方法，實現各信號通道波形的相位、頻率和幅值的任意設定，以及和不同頻率信號的混合，構成所希望的電流電壓信號。
２．保護動作的識別：測試儀需要能夠自動判別保護裝置輸出的常態(tài)和動作標志。
３．軟件功能：下位機部分測試監(jiān)控軟件實現滿足市場上絕大多數繼電保護裝置的測試要求。
４．Usb通信的實現：Ｐｃ機和下位機之間ｕｓＢ傳輸的實現，通信速率不低于１ＭＢ．
3.2.技術指標
根據國家電力總公司頒布的國家電力行業(yè)標準‘繼電保護微機測試裝置技術條件》，繼電保護微機測試裝置必須滿足如下的技術規(guī)范和要求。
●模擬故障的輸出通道；
能夠獨立地輸出三相電壓ｕＡ’ｕＢ、ｕｃ，三相電流Ｉ＾、ＩＢ、ｌｃ，中線電壓３ｕｏ；
能夠通過一路直流電壓輸出Ｕｄ
●開關量輸出接口的要求：
裝置需配備８對開關量輸出接口；
開關量的遮斷容量不低于250Ｖｍ．３Ａ（Ｄｃ）；
各對開關量輸出通道在電氣上完全隔離。
●開關量輸入接口的要求：
裝置需配備８對開關量輸入接口；
開關量輸入接口的輸入阻抗不低于10Ｋ；
電壓型或接點型開關量可以自動識別；
開關量輸入電壓不低于250ｖ（Ｄｃ）：
各開關量輸入通道在電氣上完全隔離。
●交流電流源的要求：
電流幅值范圍為：0-30Ａ
電流幅值的分辨力為：0.00ｌＡ
電流頻率變化范圍為：0-1000Ｈｚ
電流頻率變化分辨力為：0.001Ｈｚ
●交流電壓源的要求：
電壓幅值范圍為：0-75ｖ
電壓幅值分辨力為：0.001ｖ
電壓頻率變化范圍為：0-1Ｈｚ
電壓頻率變化分辨力為：0.001Ｈｚ
●電流與電壓的同步性；
不同步時間小于100
１．硬件電路上采用一體化模塊設計；
２．多采用高速處理器，精度高，速度快。具有故障轉換，故障再現功能；
３．擁有ＧＰｓ全球定位系統，可進行同步測試；
４．寬帶功率放大器高效率、高可靠，高精度、大功率輸出，具有良好的線性特性；
５．基于ｗｉｎｄｏｗｓ的測試軟件，圖形用戶界面友好。
微機型繼電保護測試系統，測試對象主要是２２０Ｋｖ及以下高壓輸電線路的繼電保護及安全自動裝置。系統通過模擬電力系統的各種故障：輸出三相電壓、電流或直流試驗電壓，采用電壓、電流由正常運行值突變到故障值等，同時測試繼電保護裝置對故障的響應狀態(tài)和響應速度。除了對各種電壓、電流、負序、阻抗、方向、差動、重合閘等各類保護裝置進行校驗外，還能模擬單相接地、兩相短路、三相短路等各種故障的發(fā)生與切除過程，模擬故障過程中電流電壓的變化，從而檢驗被檢保護裝置的整體動作性能。
微機型繼電保護測試裝置主要組成部分包括：信號控制單元、電流電壓放大器和開關量輸入通道。信號控制單元是一個微機控制的可編程的信號發(fā)生器，可模擬電力系統各種常態(tài)和故障態(tài)的電氣量，輸出的弱信號，經功放放大成具有一定功率的電流、電壓激勵信號，開關量輸入通道檢測被測試繼電保護裝置的保護動作信號。當前的繼電保護微機型測試裝置具有以下功能：
1信號發(fā)生和開關量單元：要求能夠獨立產生各種輸出電壓、電流信號．通過采用高性能數模轉換電路，提供高質量的放大器輸入端信號；輸出直流至所需各種頻率的交流電壓、電流信號，可以為正弦，方波、三角波等各種波形和電力系統任意混成波形；提供八路開關量輸入和輸出；
2故障模擬：用于電路中接地短路等運行故障同時還提供模擬故障轉換及測試保護裝置的動作時間等功能；
3仿真功能：可以進行各種不同類型等仿真實驗如將故障記錄數據重新轉化為模擬量再現電網當時的故障情況；
4阻抗搜索：用于測試和搜索阻抗繼電器動作時間和阻抗的關系用數字方法合成試驗波形，如正弦波或疊加直流分量和高次諧波，可測試保護繼電器的穩(wěn)態(tài)特性或暫態(tài)特性。
2.測試儀研發(fā)的技術關鍵
１．良好的系統架構
為了提高測試儀的總體性能，測試儀的許多功能的實現都依賴于硬件電路如系統控制電路、任意信號發(fā)生器，譯碼及讀寫控制電路、總線驅動的控制、Ｉ，ｏ接口等，所以測試儀的硬件電路非常復雜。可能引起可靠性、電磁兼容性、功耗，設計風險，設計周期、設計費用等方面的問題。
２．ＵＳＢ通訊協議
通訊協議制定的好壞關系到系統測試的準確性和有效性。制定的協議必須保證數據的正確性的同時盡量減少數據的通訊量。ＲＴ型測試儀采用的串口通信方式在大量數據實時傳輸時，速度已不能滿足要求；基于ＵｓＢ通信的方案是本文設計的重點之一。
３．高性能任意波形發(fā)生器的ＦＰＧＡ實現
任意波形發(fā)生器的實質是通過Ｄ，Ａ轉換器產生模擬電力系統故障狀態(tài)的三相電流和電壓信號，信號質量將直接影響測試儀的性能指標。設計具有相位靈活可變、頻率穩(wěn)定且適當可調的任意波形發(fā)生器是測試儀的關鍵。在任意波形發(fā)生器的設計中，主要解決的問題有：a全量程范圍內實現信號輸出的高分辨率；b信號的高穩(wěn)定度；c信號任意波形、幅度、相位的實現；d信號的諧波疊加等。
４．保護動作的識別
繼電保護裝置的動作信號有電位式、節(jié)點式等，還可能有正、負極性之分，測試裝置需要能夠自動判別保護裝置輸出的常態(tài)和動作標志。
５．電磁兼容（ＥＭＣ）的保證
在設計過程中，需要分析產生干擾的原因和干擾侵入的途徑。從而采取有效的軟、硬件防范措施，一方面盡量消除電磁干擾、將干擾抑制到能夠容忍的水平，提高測試的準確性，另一方面減小系統自身產生的輻射干擾，提高系統的電磁兼容性。
3.測試儀的基本功能和技術指標
3.1.基本功能
測試儀所實現的基本功能有：
１．實現任意周期信號的輸出：根據測試的要求，運用軟件或硬件的方法，實現各信號通道波形的相位、頻率和幅值的任意設定，以及和不同頻率信號的混合，構成所希望的電流電壓信號。
２．保護動作的識別：測試儀需要能夠自動判別保護裝置輸出的常態(tài)和動作標志。
３．軟件功能：下位機部分測試監(jiān)控軟件實現滿足市場上絕大多數繼電保護裝置的測試要求。
４．Usb通信的實現：Ｐｃ機和下位機之間ｕｓＢ傳輸的實現，通信速率不低于１ＭＢ．
3.2.技術指標
根據國家電力總公司頒布的國家電力行業(yè)標準‘繼電保護微機測試裝置技術條件》，繼電保護微機測試裝置必須滿足如下的技術規(guī)范和要求。
●模擬故障的輸出通道；
能夠獨立地輸出三相電壓ｕＡ’ｕＢ、ｕｃ，三相電流Ｉ＾、ＩＢ、ｌｃ，中線電壓３ｕｏ；
能夠通過一路直流電壓輸出Ｕｄ
●開關量輸出接口的要求：
裝置需配備８對開關量輸出接口；
開關量的遮斷容量不低于250Ｖｍ．３Ａ（Ｄｃ）；
各對開關量輸出通道在電氣上完全隔離。
●開關量輸入接口的要求：
裝置需配備８對開關量輸入接口；
開關量輸入接口的輸入阻抗不低于10Ｋ；
電壓型或接點型開關量可以自動識別；
開關量輸入電壓不低于250ｖ（Ｄｃ）：
各開關量輸入通道在電氣上完全隔離。
●交流電流源的要求：
電流幅值范圍為：0-30Ａ
電流幅值的分辨力為：0.00ｌＡ
電流頻率變化范圍為：0-1000Ｈｚ
電流頻率變化分辨力為：0.001Ｈｚ
●交流電壓源的要求：
電壓幅值范圍為：0-75ｖ
電壓幅值分辨力為：0.001ｖ
電壓頻率變化范圍為：0-1Ｈｚ
電壓頻率變化分辨力為：0.001Ｈｚ
●電流與電壓的同步性；
不同步時間小于100
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