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微機(jī)型繼電保護(hù)測試儀的研制——微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
近年來隨著繼電保護(hù)的數(shù)字化進(jìn)程，繼電保護(hù)測試裝置趨向具備數(shù)字化、高效的數(shù)據(jù)處理能力、裝置模塊化、小型化方向發(fā)展，國內(nèi)的主要幾家測試儀生產(chǎn)研制廠家不斷地推出電壓與電流等級(jí)更高、信號(hào)純度更好、每周期內(nèi)點(diǎn)數(shù)更多、系統(tǒng)軟件功能更加強(qiáng)大的繼電保護(hù)測試儀器系統(tǒng)。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(shè)計(jì)；

２．多采用高速處理器，精度高，速度快。具有故障轉(zhuǎn)換，故障再現(xiàn)功能；

３．擁有ＧＰｓ全球定位系統(tǒng)，可進(jìn)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。

1.繼電保護(hù)測試內(nèi)容

微機(jī)型繼電保護(hù)測試系統(tǒng)，測試對(duì)象主要是２２０Ｋｖ及以下高壓輸電線路的繼電保護(hù)及**自動(dòng)裝置。系統(tǒng)通過模擬電力系統(tǒng)的各種故障：輸出三相電壓、電流或直流試驗(yàn)電壓，采用電壓、電流由正常運(yùn)行值突變到故障值等，同時(shí)測試?yán)^電保護(hù)裝置對(duì)故障的響應(yīng)狀態(tài)和響應(yīng)速度。除了對(duì)各種電壓、電流、負(fù)序、阻抗、方向、差動(dòng)、重合閘等各類保護(hù)裝置進(jìn)行校驗(yàn)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(yàn)被檢保護(hù)裝置的整體動(dòng)作性能。

微機(jī)型繼電保護(hù)測試裝置主要組成部分包括：信號(hào)控制單元、電流電壓放大器和開關(guān)量輸入通道。信號(hào)控制單元是一個(gè)微機(jī)控制的可編程的信號(hào)發(fā)生器，可模擬電力系統(tǒng)各種常態(tài)和故障態(tài)的電氣量，輸出的弱信號(hào)，經(jīng)功放放大成具有一定功率的電流、電壓激勵(lì)信號(hào)，開關(guān)量輸入通道檢測被測試?yán)^電保護(hù)裝置的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。當(dāng)前的繼電保護(hù)微機(jī)型測試裝置具有以下功能：

1信號(hào)發(fā)生和開關(guān)量單元：要求能夠獨(dú)立產(chǎn)生各種輸出電壓、電流信號(hào)．通過采用高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，提供高質(zhì)量的放大器輸入端信號(hào)；輸出直流至所需各種頻率的交流電壓、電流信號(hào)，可以為正弦，方波、三角波等各種波形和電力系統(tǒng)任意混成波形；提供八路開關(guān)量輸入和輸出；

2故障模擬：用于電路中接地短路等運(yùn)行故障同時(shí)還提供模擬故障轉(zhuǎn)換及測試保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間等功能；

3仿真功能：可以進(jìn)行各種不同類型等仿真實(shí)驗(yàn)如將故障記錄數(shù)據(jù)重新轉(zhuǎn)化為模擬量再現(xiàn)電網(wǎng)當(dāng)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(shù)字方法合成試驗(yàn)波形，如正弦波或疊加直流分量和高次諧波，可測試保護(hù)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(shù)關(guān)鍵

１．良好的系統(tǒng)架構(gòu)

為了提高測試儀的總體性能，測試儀的許多功能的實(shí)現(xiàn)都依賴于硬件電路如系統(tǒng)控制電路、任意信號(hào)發(fā)生器，譯碼及讀寫控制電路、總線驅(qū)動(dòng)的控制、Ｉ，ｏ接口等，所以測試儀的硬件電路非常復(fù)雜?？赡芤鹂煽啃浴㈦姶偶嫒菪?、功耗，設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)周期、設(shè)計(jì)費(fèi)用等方面的問題。

２．ＵＳＢ通訊協(xié)議

通訊協(xié)議制定的好壞關(guān)系到系統(tǒng)測試的準(zhǔn)確性和有效性。制定的協(xié)議必須保證數(shù)據(jù)的正確性的同時(shí)盡量減少數(shù)據(jù)的通訊量。ＲＴ型測試儀采用的串口通信方式在大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸時(shí)，速度已不能滿足要求；基于ＵｓＢ通信的方案是本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。

３．高性能任意波形發(fā)生器的ＦＰＧＡ實(shí)現(xiàn)

任意波形發(fā)生器的實(shí)質(zhì)是通過Ｄ，Ａ轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生模擬電力系統(tǒng)故障狀態(tài)的三相電流和電壓信號(hào)，信號(hào)質(zhì)量將直接影響測試儀的性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)具有相位靈活可變、頻率穩(wěn)定且適當(dāng)可調(diào)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(shè)計(jì)中，主要解決的問題有：a全量程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出的高分辨率；b信號(hào)的高穩(wěn)定度；c信號(hào)任意波形、幅度、相位的實(shí)現(xiàn)；d信號(hào)的諧波疊加等。

４．保護(hù)動(dòng)作的識(shí)別

繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作信號(hào)有電位式、節(jié)點(diǎn)式等，還可能有正、負(fù)極性之分，測試裝置需要能夠自動(dòng)判別保護(hù)裝置輸出的常態(tài)和動(dòng)作標(biāo)志。

５．電磁兼容（ＥＭＣ）的保證

在設(shè)計(jì)過程中，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(zhǔn)確性，另一方面減小系統(tǒng)自身產(chǎn)生的輻射干擾，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。

3.測試儀的基本功能和技術(shù)指標(biāo)

3.1.基本功能

測試儀所實(shí)現(xiàn)的基本功能有：

１．實(shí)現(xiàn)任意周期信號(hào)的輸出：根據(jù)測試的要求，運(yùn)用軟件或硬件的方法，實(shí)現(xiàn)各信號(hào)通道波形的相位、頻率和幅值的任意設(shè)定，以及和不同頻率信號(hào)的混合，構(gòu)成所希望的電流電壓信號(hào)。

２．保護(hù)動(dòng)作的識(shí)別：測試儀需要能夠自動(dòng)判別保護(hù)裝置輸出的常態(tài)和動(dòng)作標(biāo)志。

３．軟件功能：下位機(jī)部分測試監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)滿足市場上絕大多數(shù)繼電保護(hù)裝置的測試要求。

４．Usb通信的實(shí)現(xiàn)：Ｐｃ機(jī)和下位機(jī)之間ｕｓＢ傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，通信速率不低于１ＭＢ．

3.2.技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)國家電力總公司頒布的國家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)‘繼電保護(hù)微機(jī)測試裝置技術(shù)條件》，繼電保護(hù)微機(jī)測試裝置必須滿足如下的技術(shù)規(guī)范和要求。

●模擬故障的輸出通道；

能夠獨(dú)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(guān)量輸出接口的要求：

裝置需配備８對(duì)開關(guān)量輸出接口；

開關(guān)量的遮斷容量不低于250Ｖｍ．３Ａ（Ｄｃ）；

各對(duì)開關(guān)量輸出通道在電氣上完全隔離。

●開關(guān)量輸入接口的要求：

裝置需配備８對(duì)開關(guān)量輸入接口；

開關(guān)量輸入接口的輸入阻抗不低于10Ｋ；

電壓型或接點(diǎn)型開關(guān)量可以自動(dòng)識(shí)別；

開關(guān)量輸入電壓不低于250ｖ（Ｄｃ）：

各開關(guān)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(shí)間小于100