便攜式變配電所微機保護電流測試儀的研制

李學山,陳崇海

(1.大秦鐵路股份有限公司，山西 大同 037005;2.北京浩天中勝科技有限公司，北京 100029)

便攜式變配電所微機保護電流測試儀的研制

李學山1,陳崇海2

(1.大秦鐵路股份有限公司，山西 大同 037005;2.北京浩天中勝科技有限公司，北京 100029)

基于微機保護的綜合自動化系統在鐵路變配電所得到普遍的應用。微機保護的高可靠性，使得傳統的繼保測試方式已經不完全適應運行的需要。通常情況下只需要測試儀器能夠提供一路幅值可調的交流電流就可以滿足電流傳動試驗的需要。為提高生產效率，減輕繼保試驗人員負擔，討論了一種針對變配電所綜自系統微機保護電流測試的便攜式小型測試儀的設計，以滿足微機保護裝置電流傳動試驗的需要。

便攜式；微機保護；電流測試；設計

1 引言

隨著電力電子科技的發展，為了滿足高速、重載電氣化鐵路列車運營的可靠性要求，牽引變電所已普遍采用微機保護，以大秦線、北同蒲線鐵路為例，所有的牽引變電所以及分區所、AT所等都采用了微機保護的方式。微機保護的高可靠性，進一步保障了牽引供電系統的安全運行。由于微機保護裝置的不間斷長時間運行，其輸入采樣回路、保護出口回路、自身工作電源等也會出現偏差與損壞。所以，有必要按周期對其進行可靠性測試。

2 現狀調查

微機保護的應用使二次回路大大簡化，同時也大大減輕了檢修人員的負擔。由于微機保護裝置屬于長時間不間斷運行，為了確保微機保護的可靠性與準確性，還是需要定周期對其進行傳動試驗測試。基于微機保護的高可靠性理論—對于單個微機保護裝置而言，只要前端各回路的采樣值準確，任一回路的任一保護出口良好，就可以確定裝置是完好的。也就是說，微機保護可靠性是基于微機數學運算與邏輯運算的，對于同一保護回路的各個保護，只要有一項保護是準確可靠的，就可以確定本回路其他項保護也是準確可靠的。

目前微機保護裝置的測試均采用微機保護綜合測試儀進行，該儀器主要的特點是功能全面、可進行所有類型保護的校驗，但這類儀器體積較大、非常笨重且價格昂貴，需要外接電源、配套筆記本電腦等，現場使用很不方便。而且微機保護綜合測試議的很多功能在現場實際測試中用不到，多功能設計存在很大的浪費。

為提高生產效率，進一步減輕檢修、試驗人員負擔，本文討論了一種針對牽引供電綜自系統二次傳動測試的微型試驗儀的設計，用以滿足牽引供電綜自系統絕大多數的測試需要。

3 技術方案

便攜式微機保護電流測試儀采用大容量磷酸鐵鋰電池做為電源，通過PWM及SPWM兩級逆變，并通過簡單實用地人機交互對內部逆變電路進行控制，提供電氣回路傳動試驗所需要的交流電流。總體技術方案原理框圖如圖1所示。

圖1 方案原理框架圖

3.1 電源選擇

為保證儀器的安全可靠，采用磷酸鐵鋰電池作為電源，為逆變及輔助回路提供電能。磷酸鐵鋰電池具有容量大、放電倍率高、工作溫度范圍寬、不燃燒、不爆炸等特點。

3.2 主回路

要實現0～20A的寬范圍交流電流輸出和0.01A的輸出精度，如果單一采用基于軟件實現的SPWM方法，受制于單片機定時器位數及功放MOS管開關頻率和開關損耗，無法達到這一目標。因此主回路采用DC-DC-AC的方法，在SPWM逆變的前級加入PWM調壓，實現0～32V的直流輸出。SPWM逆變一級采用固定最大占空比，即固定使Uout等于Uin/ 3^(1/2)。SPWM一級只負責DC-AC的逆變，不再執行調壓的任務。這樣，經過DC-DC-AC兩級調壓及逆變，即解決了單一SPWM逆變調壓困難的問題，又使得輸出電流的精度滿足要求。

3.3 交流電流反饋

為了在輸出端得到穩定的交流電流輸出，在輸出端與DC-DC變換級之間引入電流PID調節。在輸出回路的末端，用霍爾交流電流傳感器進行采樣，對應輸出0～5V的電壓信號。將此電壓信號送到單片機進行AD轉換，計算出電流的大小。單片機對輸出電流與目標電流值進行比例運算后，控制DA芯片的輸出，用DA芯片的輸出來調節DC-DC一級的輸出電壓，最終形成一個DC-DC-AC的閉環結構。

4 硬件構成

本技術方案擬定裝置硬件結構分為7個部分：鋰電池組、直流調壓單元、交流逆變單元、輔助電源、中央控制單元、濾波電路、顯示單元。結構框圖如圖2所示。

圖2 硬件結構組成圖

4.1 PWM直流調壓單元

PWM的全稱是Pulse Width Modulation(脈沖寬度調制)，它是通過改變輸出方波的占空比并通過電感電容的濾波來得到等效的輸出電壓。這里采用AX3304作為控制芯片，功率放大管采用IRF1010。為克服AX3304驅動電流的不足，中間采用安捷輪公司高速光耦HCPL4504對驅動進行放大。為了實現中央控制單元對DC-DC一級輸出的控制，以得到最終想要的輸出電流，在AX3304的電壓反饋端加入一級LM358運算放大電路。將控制電壓加至同相輸入端，將DC-DC輸出的反饋電壓加至反相輸入端。

圖3 直流調壓單元原理圖

4.2 SPWM逆變單元

SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation——正弦波脈寬調制)是一種比較成熟的,目前使用較廣泛的DC-AC電源變換技術。采樣控制理論中有一個重要結論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。SPWM技術就是以該結論為理論基礎，對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。其原理如圖4所示，當圖(a)的電流脈沖經過電感或電容慣性器件的濾波后，最終輸出波形與圖(b)基本相同。

圖4 SPWM控制原理圖

逆變單元，采用EGS002板卡。EGS002 是一款專門用于單相純正弦波逆變器的驅動板。采用單相純正弦波逆變器專用芯片EG8010 為控制芯片，驅動芯片采用IR2110S。只需要在電壓反饋端給以固定的低電壓，便可使其始終工作在最大輸出狀態。

4.3 中央控制單元

中央控制單元采用PIC16F877A單片機做為核心，實現整個逆變流程的控制、顯示、采樣、計算和人機交互等。

4.4 輔助電源

輔助電源部分采用兩片PWM芯片LM2596，將電池輸出的32V電壓分別轉換為5V、12V輸出。其原理圖如圖5所示，其中1為輸入端。

圖5 輔助電源結構圖

5 軟件設計

主程序完成單片機的總體功能設定，控制子程序的工作流程。軟件結構流程如圖6所示。

圖6 程序軟件流程圖

DC-DC控制子程序：單片機根據設定的初始值與AC輸出電流采樣相比較，控制DC的輸出電壓。輸出值小于設定值則調節增大DC的輸出，一直到輸出值等于設定值時停止調節。數顯子程序：采集AC的輸出電流值，經計算變換成BCD碼送到譯碼器。手動調節子程序：采集按鍵的信息，做出增大，減小輸出值的控制，采集設定信息，完成設定值的顯示。采樣子程序：采集輸出電流信號，經過AD轉換，送顯示并控制輸出的調整。AD轉換子程序：將采集的模擬量轉換成數字量。按鍵子程序：采集按鍵的信息，根據按鍵的動作情況完成相應的子程序調用，實現相應的功能。計算子程序：根據按鍵值，采樣值，設定值，完成相就的計算并送輸出顯示。

6 結束語

按本思路試制的便攜式微機保護電流測試儀總重不超過10kg，經在大同西供電段檢修車間一年多時間的試用，儀器輸出電流的范圍與精度都能夠滿足微機保護電流測試的需要。由于其使用簡單，操作方便，大大提高了檢修試驗的效率，減輕了檢修人員的負擔。

[1] 廖曉鐘.電力電子技術與電氣傳動[M].北京:北京理工大學出版社,2000.

[2] 熊軍華，王亭嶺.SPWM的軟件實現[J].華北水利水電學院學報,2009,1.

Development of Portable Microcomputer Protected Current Tester for Power Transformation and Distribution Station

LIXue-shan,CHENChong-hai

(1.Datong Railway Co.Ltd.,Datong 037005,China;2.Beijing Haotian Zhongsheng Science and Technology Co.Ltd.,Beijing 100029,China)

The integrated automation system based on microcomputer protection is widely applied in railway power transformer and distribution station.The high reliability of micro-computer protection makes the traditional way of relay Protection test can′t fully meet the needs of the operation.Usually the tester providing one way adjustable amplitude of alternating current can meet the needs of the current driving test.In order to improve the production efficiency and reduce the burden of relay protection testing personnel,this paper discussed a kind of protable tester′s designation of the integrated automation system of power transformer and distribution Station microcomputer protection test in order to meet the needs of the current driving test of the microcomputer protection device.

portable;microcomputer protection;current tests;design

1004-289X(2015)02-0045-03

TM63

B

2014-12-22

李學山(1970-)，大秦鐵路股份有限公司大同西供電段，高級工程師。 陳崇海(1978-)，北京浩天中勝科技有限公司，工程師。