研制微機型繼電保護測試儀——微處理器系統設計

微機型繼電保護測試儀的研制——微處理器系統設計
       近年來(lái)隨著(zhù)繼電保護的數字化進(jìn)程，繼電保護測試裝置趨向具備數字化、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(chǎn)研制廠(chǎng)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(diǎn)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(diǎn)：
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定位系統，可進(jìn)行同步測試；
４．寬帶功率放大器率、高可靠，高精度、大功率輸出，具有良好的線(xiàn)性特性；
５．基于ｗｉｎｄｏｗｓ的測試軟件，圖形用戶(hù)界面友好。
1.繼電保護測試內容
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(xiàn)路的繼電保護及安全自動(dòng)裝置。系統通過(guò)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(shí)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(dòng)、重合閘等各類(lèi)保護裝置進(jìn)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(guò)程，模擬故障過(guò)程中電流電壓的變化，從而檢驗被檢保護裝置的整體動(dòng)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(kāi)關(guān)量輸入通道。信號控制單元是一個(gè)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(jīng)功放放大成具有一定功率的電流、電壓激勵信號，開(kāi)關(guān)量輸入通道檢測被測試繼電保護裝置的保護動(dòng)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(kāi)關(guān)量單元：要求能夠獨立產(chǎn)生各種輸出電壓、電流信號．通過(guò)采用高性能數模轉換電路，提供高質(zhì)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(kāi)關(guān)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(shí)還提供模擬故障轉換及測試保護裝置的動(dòng)作時(shí)間等功能；
3仿真功能：可以進(jìn)行各種不同類(lèi)型等仿真實(shí)驗如將故障記錄數據重新轉化為模擬量再現電網(wǎng)當時(shí)的故障情況；
4阻抗搜索：用于測試和搜索阻抗繼電器動(dòng)作時(shí)間和阻抗的關(guān)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態(tài)特性或暫態(tài)特性。
2.測試儀研發(fā)的技術(shù)關(guān)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(shí)現都依賴(lài)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(xiě)控制電路、總線(xiàn)驅動(dòng)的控制、Ｉ，ｏ接口等，所以測試儀的硬件電路非常復雜?？赡芤鹂煽啃?、電磁兼容性、功耗，設計風(fēng)險，設計周期、設計費用等方面的問(wèn)題。
２．ＵＳＢ通訊協(xié)議
通訊協(xié)議制定的好壞關(guān)系到系統測試的準確性和有效性。制定的協(xié)議必須保證數據的正確性的同時(shí)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(shí)時(shí)傳輸時(shí)，速度已不能滿(mǎn)足要求；基于ＵｓＢ通信的方案是本文設計的重點(diǎn)之一。
３．高性能任意波形發(fā)生器的ＦＰＧＡ實(shí)現
任意波形發(fā)生器的實(shí)質(zhì)是通過(guò)Ｄ，Ａ轉換器產(chǎn)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(zhì)量將直接影響測試儀的性能指標。設計具有相位靈活可變、頻率穩定且適當可調的任意波形發(fā)生器是測試儀的關(guān)鍵。在任意波形發(fā)生器的設計中，主要解決的問(wèn)題有：a全量程范圍內實(shí)現信號輸出的高分辨率；b信號的高穩定度；c信號任意波形、幅度、相位的實(shí)現；d信號的諧波疊加等。
４．保護動(dòng)作的識別
繼電保護裝置的動(dòng)作信號有電位式、節點(diǎn)式等，還可能有正、負極性之分，測試裝置需要能夠自動(dòng)判別保護裝置輸出的常態(tài)和動(dòng)作標志。
５．電磁兼容（ＥＭＣ）的保證
在設計過(guò)程中，需要分析產(chǎn)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(chǎn)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(shù)指標
3.1.基本功能
測試儀所實(shí)現的基本功能有：
１．實(shí)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(shí)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(dòng)作的識別：測試儀需要能夠自動(dòng)判別保護裝置輸出的常態(tài)和動(dòng)作標志。
３．軟件功能：下位機部分測試監控軟件實(shí)現滿(mǎn)足市場(chǎng)上絕大多數繼電保護裝置的測試要求。
４．Usb通信的實(shí)現：Ｐｃ機和下位機之間ｕｓＢ傳輸的實(shí)現，通信速率不低于１ＭＢ．
3.2.技術(shù)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(shù)條件》，繼電保護微機測試裝置必須滿(mǎn)足如下的技術(shù)規范和要求。
●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(xiàn)電壓３ｕｏ；
能夠通過(guò)一路直流電壓輸出Ｕｄ
●開(kāi)關(guān)量輸出接口的要求：
裝置需配備８對開(kāi)關(guān)量輸出接口；
開(kāi)關(guān)量的遮斷容量不低于250Ｖｍ．３Ａ（Ｄｃ）；
各對開(kāi)關(guān)量輸出通道在電氣上*隔離。
●開(kāi)關(guān)量輸入接口的要求：
裝置需配備８對開(kāi)關(guān)量輸入接口；
開(kāi)關(guān)量輸入接口的輸入阻抗不低于10Ｋ；
電壓型或接點(diǎn)型開(kāi)關(guān)量可以自動(dòng)識別；
開(kāi)關(guān)量輸入電壓不低于250ｖ（Ｄｃ）：
各開(kāi)關(guān)量輸入通道在電氣上*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(shí)間小于100