研制微機型繼電保護測試儀——微處理器系統(tǒng)設(shè)計

微機型繼電保護測試儀的研制——微處理器系統(tǒng)設(shè)計
       近年來隨著繼電保護的數(shù)字化進程，繼電保護測試裝置趨向具備數(shù)字化、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更高、信號純度更好、每周期內(nèi)點數(shù)更多、系統(tǒng)軟件功能更加強大的繼電保護測試儀器系統(tǒng)。這些測試儀功能性能略有差異，但是都有如下特點：
１．硬件電路上采用一體化模塊設(shè)計；
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定位系統(tǒng)，可進行同步測試；
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.繼電保護測試內(nèi)容
微機型繼電保護測試系統(tǒng)，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(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(yīng)狀態(tài)和響應(yīng)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(guān)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(tǒng)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，開關(guān)量輸入通道檢測被測試繼電保護裝置的保護動作信號。當(dāng)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(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；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(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行故障同時還提供模擬故障轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)重新轉(zhuǎn)化為模擬量再現(xiàn)電網(wǎng)當(dāng)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(guān)系用數(shù)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(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現(xiàn)都依賴于硬件電路如系統(tǒng)控制電路、任意信號發(fā)生器，譯碼及讀寫控制電路、總線驅(qū)動的控制、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)計風(fēng)險，設(shè)計周期、設(shè)計費用等方面的問題。
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(shè)計的重點之一。
３．高性能任意波形發(fā)生器的ＦＰＧＡ實現(xiàn)
任意波形發(fā)生器的實質(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，信號質(zhì)量將直接影響測試儀的性能指標(biāo)。設(shè)計具有相位靈活可變、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)計中，主要解決的問題有：a全量程范圍內(nèi)實現(xiàn)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(xiàn)；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(biāo)志。
５．電磁兼容（ＥＭＣ）的保證
在設(shè)計過程中，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
測試儀所實現(xiàn)的基本功能有：
１．實現(xiàn)任意周期信號的輸出：根據(jù)測試的要求，運用軟件或硬件的方法，實現(xiàn)各信號通道波形的相位、頻率和幅值的任意設(shè)定，以及和不同頻率信號的混合，構(gòu)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(biāo)志。
３．軟件功能：下位機部分測試監(jiān)控軟件實現(xiàn)滿足市場上絕大多數(shù)繼電保護裝置的測試要求。
４．Usb通信的實現(xiàn)：Ｐｃ機和下位機之間ｕｓＢ傳輸?shù)膶崿F(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)‘繼電保護微機測試裝置技術(shù)條件》，繼電保護微機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）；
各對開關(guān)量輸出通道在電氣上*隔離。
●開關(guān)量輸入接口的要求：
裝置需配備８對開關(guān)量輸入接口；
開關(guān)量輸入接口的輸入阻抗不低于10Ｋ；
電壓型或接點型開關(guān)量可以自動識別；
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*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