繼電保護(hù)測試儀檢測裝置的研發(fā)

周 勤 胡海梅 陳克緒

(江西省電力科學(xué)研究院1，江西 南昌 330096;江西科晨高新技術(shù)發(fā)展有限公司2，江西 南昌 330096)

0 引言

目前，國內(nèi)對繼電保護(hù)測試儀的檢測主要是采用多個高精度多用表測試其交直流電壓、電流、頻率和相位等電參數(shù)的準(zhǔn)確度，所用設(shè)備種類多、測試步驟繁瑣，且無法檢測繼電保護(hù)測試儀的響應(yīng)速度、同步性、帶負(fù)載能力以及時間精度等大多數(shù)技術(shù)參數(shù)。這是由于繼電保護(hù)測試儀的檢測涉及繼電保護(hù)、電測計量、時間計量等多專業(yè)領(lǐng)域，要完整地檢測繼電保護(hù)測試儀項目具有一定的難度［4］。近年來，隨著繼電保護(hù)技術(shù)的飛速發(fā)展，提高對繼電保護(hù)測試儀的檢測技術(shù)水平已迫在眉捷［5］。

基于以上原因，本文研制開發(fā)了繼電保護(hù)測試儀檢測裝置，簡化了繼電保護(hù)測試儀的檢測，實現(xiàn)了繼電保護(hù)測試儀的交直流電壓、電流等電參數(shù)的高準(zhǔn)確度測量，總諧波畸變率、響應(yīng)速度、同步性、帶負(fù)載能力和動作時間等功能性技術(shù)參數(shù)的檢測以及關(guān)鍵技術(shù)也有了一定的突破。

1 裝置的硬件設(shè)計及工作原理

1.1 裝置的硬件設(shè)計

裝置硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 裝置硬件組成圖Fig.1 Hardware compositions

裝置采用低功耗DSP微處理器和高精度A/D采樣芯片(16位高速A/D)及其他交流同步采樣電路進(jìn)行硬件設(shè)計，并在所設(shè)計的電路中采用DSP+AVR+嵌入式工控機架構(gòu)。裝置包括信號采樣電路(采樣、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)選擇)、A/D轉(zhuǎn)換電路、DSP處理器、光電隔離電路、彩色液晶顯示器和鍵盤。DSP專門負(fù)責(zé)信號的采樣、處理和計算等，嵌入式工控機負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理以及8.4英寸(1英寸=25.4 mm)TFT彩色LCD顯示和鍵盤處理。為提高信號采集速度，采用多片高速A/D循環(huán)采樣技術(shù)。光電隔離電路與DSP處理器相連，負(fù)責(zé)在電隔離的情況下，以光為媒介傳送信號，對輸入和輸出電路進(jìn)行隔離，抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，提高響應(yīng)速度。

1.2 裝置的工作原理

1.2.1 電參量的計算

電參量基本算法如下。

交流電壓、電流有效值為［2］:

式中:N為每個周期采樣點數(shù);um為第m次電壓采樣值;im為第m次電流采樣值。

諧波分析為［3］:

式中:x(n)為時域信號;X(k)為頻域信號;DFT為數(shù)字傅里葉變換=e－jnk2Nπ;x(n)=XR(n)+iXI(n)。

相位為［3］:

式中:Im為X(k)的虛部;Re為X(k)的實部。

1.2.2 裝置的工作原理

繼電保護(hù)測試儀輸出的交流電壓、電流信號經(jīng)電壓、電流互感器送入信號調(diào)理電路，直流電壓、電流信號經(jīng)過直流取樣電路送入信號調(diào)理電路，實現(xiàn)對交直流電壓、電流的取樣，并經(jīng)信號調(diào)理電路濾波后，送入雙四選一模擬開關(guān)進(jìn)行選擇處理。雙四選一模擬開關(guān)輸出的信號送入A/D(6通道16位A/D轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再由A/D采樣芯片將采集到的信號送入DSP處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計算。光電隔離電路與DSP處理器相連，將A/D轉(zhuǎn)換信號送入DSP處理器I/O口數(shù)據(jù)總線。開入量信號經(jīng)光電隔離電路送入DSP處理器處理，光電隔離電路負(fù)責(zé)在電隔離的情況下，以光為媒介傳送信號，對輸入和輸出電路進(jìn)行隔離。DSP處理器與彩色液晶顯示器及鍵盤相連，負(fù)責(zé)信號的采樣、數(shù)據(jù)處理和計算以及顯示和鍵盤處理。

2 裝置的性能指標(biāo)

近年來，繼電保護(hù)技術(shù)有了飛躍式的發(fā)展［5］。目前，大多數(shù)繼電保護(hù)測試儀交直流電參量(電壓、電流、相位)精度已達(dá)0.2級。頻率精度在10Hz＜f≤65Hz時，頻率誤差為 ±0.001Hz;在65Hz＜f≤450Hz時，頻率誤差為 ±0.01Hz;在450Hz＜f≤1000Hz時，頻率誤差為 ±0.01Hz。相位精度已達(dá) 0.2°。自主開發(fā)的DKY-2105型繼電保護(hù)測試儀檢測裝置交直流電壓、電流參數(shù)測量精度達(dá)到0.05級，相位測量精度達(dá)0.05°，完全滿足對繼電保護(hù)測試儀的檢測。此外，裝置對繼電保護(hù)測試儀的檢測的幅頻特性(0～1 kHz范圍)［6］、總諧波畸變率等性能指標(biāo)也滿足DL/T 624-1997“繼電保護(hù)微機型試驗裝置技術(shù)條件”的要求［1］。

3 響應(yīng)速度及同步性測試

裝置對繼電保護(hù)測試儀的輸出交流電壓、交流電流響應(yīng)速度(上升/下降速率)和同步性測試須滿足以下條件［1］。

①在繼電保護(hù)測試儀輸出電壓為Umax時，在阻性負(fù)載上可測得電壓幅值由10%上升至90%(或由90%下降至10%)，其上升或下降的時間小于120 μs。

②在繼電保護(hù)測試儀輸出電流為Imax時，在阻性負(fù)載上可測得電流幅值由10%上升至90%(或由90%下降至10%)，其上升或下降的時間小于200 μs。

③電流與電壓輸出的不同步時間小于等于100 μs［4］。

當(dāng)輸出電壓為75 V、輸出電流為5 A時，試驗數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 輸出電壓、電流響應(yīng)速度的測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of output voltage and current response speed

表2 同步性的測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of synchronization

4 繼電保護(hù)測試儀時間精度測試

以往繼電保護(hù)測試儀時間的檢測是難點，最主要的原因是其涉及繼電保護(hù)、電測計量和時間計量等專業(yè)。因此，在對繼電保護(hù)測試儀檢測裝置的研發(fā)中，繼電保護(hù)、電測計量、時間計量的專業(yè)人士，對繼電保護(hù)測試儀時間的檢測進(jìn)行了多次試驗并成功地測得繼電保護(hù)測試儀的動作時間。

時間精度測試可分為3個步驟。

①時間檢測試驗接線

時間檢測試驗接線圖如圖2所示。圖2中的開出為繼電保護(hù)測試儀自身的輸出開關(guān)量，有常開和常閉兩種類型;開入為被測裝置的接點方式選擇，有常開和常閉兩種方式。

圖2 時間檢測試驗接線圖Fig.2 Test wiring for time detection

②檢驗參數(shù)設(shè)置

繼電保護(hù)測試儀選擇能進(jìn)行測量動作時間的功能。測量時間時設(shè)置的變量應(yīng)能發(fā)生突變，即設(shè)置的變量從0或額定值突變到動作時間規(guī)定的激勵量。繼電保護(hù)測試儀設(shè)置如下。

狀態(tài)1:Udc=10 V(交流電壓、電流均為零);開出2斷開;開出4斷開(或閉合);狀態(tài)觸發(fā)條件選擇“按鍵觸發(fā)”。

狀態(tài)2:Udc=10 V(交流電壓、電流均為零);開出2閉合;開出4斷開(或閉合，與狀態(tài)1相同);狀態(tài)觸發(fā)時間選擇“開入量觸發(fā)翻轉(zhuǎn)”。

狀態(tài)設(shè)置完成后，選擇“觸發(fā)故障”后開始測量。

③時間測量的測試結(jié)果

時間測量的測試結(jié)果如表3所示。

表3 時間測量的測試數(shù)據(jù)(Udc=14 V)Tab.3 Test data of time measurement

5 繼電保護(hù)測試儀交流帶負(fù)載能力測試

由于供電企業(yè)對繼電保護(hù)測試儀交流帶負(fù)載能力的要求較高，而進(jìn)口設(shè)備帶載能力較差，因此，開展對繼電保護(hù)測試儀的交流帶負(fù)載能力的檢測具有重要的意義。目前國家有關(guān)部門正在制訂最新繼電保護(hù)測試儀標(biāo)準(zhǔn)草案，其中就強調(diào)繼電保護(hù)測試儀的帶負(fù)載能力。

5.1 交流電壓帶負(fù)載能力測試

交流電壓帶負(fù)載能力測試可分為3個步驟。

①交流電壓帶負(fù)載能力測試的試驗接線

交流電壓帶負(fù)載能力測試的試驗接線如圖3所示。

圖3 交流電壓帶負(fù)載能力測試試驗接線圖Fig.3 Test wiring for AC voltage laoding capability

圖3中:UA/B/C為依次接入的A、B、C相電壓;UN為零相電壓。

②檢驗參數(shù)設(shè)置

設(shè)定繼電保護(hù)測試儀輸出量為三相交流電壓，頻率為50Hz;輸出的交流電壓幅值為100 V(繼電保護(hù)測試儀所能輸出的Umin和Umax之間設(shè)定);功率因數(shù)為1(電阻性負(fù)載)。

③檢驗方法

測量各項電流值，計算交流電流的輸出功率。選擇1 A、1 kΩ滑線變阻器，被測繼電保護(hù)測試儀電壓端接入標(biāo)準(zhǔn)表電壓端，調(diào)整負(fù)載電阻由大到小，當(dāng)輸出電壓的總諧波畸變率＜1%時，輸出功率應(yīng)不小于50 VA。

5.2 交流電流帶負(fù)載能力測試

電流源輸出頻率為50Hz、輸出電流為0～I(xiàn)max，當(dāng)功率因數(shù)為1、電流總諧波畸變＜1%時，電流源負(fù)載能力應(yīng)不小于0.5 Ω(DL/T 624—1997 中為75 VA)。

交流電流帶負(fù)載能力測試可分為3個步驟。

①交流電流帶負(fù)載能力測試的試驗接線

交流電流帶負(fù)載能力測試的試驗接線如圖4所示。

圖4 交流電流帶負(fù)載能力測試試驗接線圖Fig.4 Test wiring for AC current loading capability

圖4中:IA/B/C為依次接入的A、B、C相電流;IN為零相電流。

②檢驗參數(shù)設(shè)置

設(shè)定繼電保護(hù)測試儀輸出量為三相交流電流，頻率為50Hz;輸出的交流電流幅值為5 A(介于繼電保護(hù)測試儀所能輸出的Imin和Imax之間);功率因數(shù)為1(電阻性負(fù)載)。

③檢驗方法

測量各項電壓值，計算交流電壓的輸出功率。將被測繼電保護(hù)測試儀、裝置的標(biāo)準(zhǔn)表、30 A/4 Ω滑線變阻器串聯(lián)，被測繼電保護(hù)測試儀電流兩端接入裝置的標(biāo)準(zhǔn)表電壓兩端，調(diào)整負(fù)載電阻由小到大。當(dāng)輸出電流的總諧波畸變率小于1%時，電流源負(fù)載能力應(yīng)不小于 0.5 Ω。

6 結(jié)束語

繼電保護(hù)測試儀檢測裝置的開發(fā)研制實現(xiàn)了繼電保護(hù)測試儀各項檢測功能的集成，簡化了繼電保護(hù)測試儀的檢測，解決了長期以來繼電保護(hù)測試儀檢測中存在的檢測所用設(shè)備多且步驟繁瑣、檢測項目不全等問題，探索了對繼電保護(hù)測試儀較為規(guī)范的技術(shù)檢測手段，確保了繼電保護(hù)測試儀測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，提升了電網(wǎng)的安全運行水平。

［1］中華人民共和國電力工業(yè)部.DL/T624-1997繼電保護(hù)微機型試驗裝置技術(shù)條件［S］.北京:中國電力出版社，1997.

［2］劉冰，郝慶水，叢振剛.基于單片機的RTU三相交流采樣技術(shù)［J］.中國電力，2006(10):88 －90.

［3］陳永東.一種基于FPGA的DFT算法實現(xiàn)的研究［J］.遙測遙控，2005(7):53 －55，69.

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［5］何智平，周鈴，張萬軍.國內(nèi)市場微機型繼電保護(hù)測試儀的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.繼電器，2005，33(8):76 －80.

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