繼電保護測試儀檢測裝置的研發

周 勤 胡海梅 陳克緒

(江西省電力科學研究院1，江西 南昌 330096;江西科晨高新技術發展有限公司2，江西 南昌 330096)

0 引言

目前，國內對繼電保護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的準確度，所用設備種類多、測試步驟繁瑣，且無法檢測繼電保護測試儀的響應速度、同步性、帶負載能力以及時間精度等大多數技術參數。這是由于繼電保護測試儀的檢測涉及繼電保護、電測計量、時間計量等多專業領域，要完整地檢測繼電保護測試儀項目具有一定的難度［4］。近年來，隨著繼電保護技術的飛速發展，提高對繼電保護測試儀的檢測技術水平已迫在眉捷［5］。

基于以上原因，本文研制開發了繼電保護測試儀檢測裝置，簡化了繼電保護測試儀的檢測，實現了繼電保護測試儀的交直流電壓、電流等電參數的高準確度測量，總諧波畸變率、響應速度、同步性、帶負載能力和動作時間等功能性技術參數的檢測以及關鍵技術也有了一定的突破。

1 裝置的硬件設計及工作原理

1.1 裝置的硬件設計

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行硬件設計，并在所設計的電路中采用DSP+AVR+嵌入式工控機架構。裝置包括信號采樣電路(采樣、信號調理、數據選擇)、A/D轉換電路、DSP處理器、光電隔離電路、彩色液晶顯示器和鍵盤。DSP專門負責信號的采樣、處理和計算等，嵌入式工控機負責數據處理以及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循環采樣技術。光電隔離電路與DSP處理器相連，負責在電隔離的情況下，以光為媒介傳送信號，對輸入和輸出電路進行隔離，抑制系統噪聲，消除接地回路的干擾，提高響應速度。

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;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

繼電保護測試儀輸出的交流電壓、電流信號經電壓、電流互感器送入信號調理電路，直流電壓、電流信號經過直流取樣電路送入信號調理電路，實現對交直流電壓、電流的取樣，并經信號調理電路濾波后，送入雙四選一模擬開關進行選擇處理。雙四選一模擬開關輸出的信號送入A/D(6通道16位A/D轉換器)轉換器進行A/D轉換，再由A/D采樣芯片將采集到的信號送入DSP處理器進行數據處理、計算。光電隔離電路與DSP處理器相連，將A/D轉換信號送入DSP處理器I/O口數據總線。開入量信號經光電隔離電路送入DSP處理器處理，光電隔離電路負責在電隔離的情況下，以光為媒介傳送信號，對輸入和輸出電路進行隔離。DSP處理器與彩色液晶顯示器及鍵盤相連，負責信號的采樣、數據處理和計算以及顯示和鍵盤處理。

2 裝置的性能指標

近年來，繼電保護技術有了飛躍式的發展［5］。目前，大多數繼電保護測試儀交直流電參量(電壓、電流、相位)精度已達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 0.2°。自主開發的DKY-2105型繼電保護測試儀檢測裝置交直流電壓、電流參數測量精度達到0.05級，相位測量精度達0.05°，完全滿足對繼電保護測試儀的檢測。此外，裝置對繼電保護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也滿足DL/T 624-1997“繼電保護微機型試驗裝置技術條件”的要求［1］。

3 響應速度及同步性測試

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

①在繼電保護測試儀輸出電壓為Umax時，在阻性負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在繼電保護測試儀輸出電流為Imax時，在阻性負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］。

當輸出電壓為75 V、輸出電流為5 A時，試驗數據如表1和表2所示。

表1 輸出電壓、電流響應速度的測試數據Tab.1 Test data of output voltage and current response speed

表2 同步性的測試數據Tab.2 Test data of synchronization

4 繼電保護測試儀時間精度測試

以往繼電保護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、電測計量和時間計量等專業。因此，在對繼電保護測試儀檢測裝置的研發中，繼電保護、電測計量、時間計量的專業人士，對繼電保護測試儀時間的檢測進行了多次試驗并成功地測得繼電保護測試儀的動作時間。

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測試儀自身的輸出開關量，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檢驗參數設置

繼電保護測試儀選擇能進行測量動作時間的功能。測量時間時設置的變量應能發生突變，即設置的變量從0或額定值突變到動作時間規定的激勵量。繼電保護測試儀設置如下。

狀態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);狀態觸發條件選擇“按鍵觸發”。

狀態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1相同);狀態觸發時間選擇“開入量觸發翻轉”。

狀態設置完成后，選擇“觸發故障”后開始測量。

③時間測量的測試結果

時間測量的測試結果如表3所示。

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

5 繼電保護測試儀交流帶負載能力測試

由于供電企業對繼電保護測試儀交流帶負載能力的要求較高，而進口設備帶載能力較差，因此，開展對繼電保護測試儀的交流帶負載能力的檢測具有重要的意義。目前國家有關部門正在制訂最新繼電保護測試儀標準草案，其中就強調繼電保護測試儀的帶負載能力。

5.1 交流電壓帶負載能力測試

交流電壓帶負載能力測試可分為3個步驟。

①交流電壓帶負載能力測試的試驗接線

交流電壓帶負載能力測試的試驗接線如圖3所示。

圖3 交流電壓帶負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檢驗參數設置

設定繼電保護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(繼電保護測試儀所能輸出的Umin和Umax之間設定);功率因數為1(電阻性負載)。

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，被測繼電保護測試儀電壓端接入標準表電壓端，調整負載電阻由大到小，當輸出電壓的總諧波畸變率＜1%時，輸出功率應不小于50 VA。

5.2 交流電流帶負載能力測試

電流源輸出頻率為50Hz、輸出電流為0～Imax，當功率因數為1、電流總諧波畸變＜1%時，電流源負載能力應不小于0.5 Ω(DL/T 624—1997 中為75 VA)。

交流電流帶負載能力測試可分為3個步驟。

①交流電流帶負載能力測試的試驗接線

交流電流帶負載能力測試的試驗接線如圖4所示。

圖4 交流電流帶負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檢驗參數設置

設定繼電保護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(介于繼電保護測試儀所能輸出的Imin和Imax之間);功率因數為1(電阻性負載)。

③檢驗方法

測量各項電壓值，計算交流電壓的輸出功率。將被測繼電保護測試儀、裝置的標準表、30 A/4 Ω滑線變阻器串聯，被測繼電保護測試儀電流兩端接入裝置的標準表電壓兩端，調整負載電阻由小到大。當輸出電流的總諧波畸變率小于1%時，電流源負載能力應不小于 0.5 Ω。

6 結束語

繼電保護測試儀檢測裝置的開發研制實現了繼電保護測試儀各項檢測功能的集成，簡化了繼電保護測試儀的檢測，解決了長期以來繼電保護測試儀檢測中存在的檢測所用設備多且步驟繁瑣、檢測項目不全等問題，探索了對繼電保護測試儀較為規范的技術檢測手段，確保了繼電保護測試儀測量數據的準確性、穩定性和可靠性，提升了電網的安全運行水平。

［1］中華人民共和國電力工業部.DL/T624-1997繼電保護微機型試驗裝置技術條件［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［J］.中國電力，2006(10):88 －90.

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

［4］袁瑞銘，趙景京，丁恒春，等.微機型繼電保護測試儀檢測技術研究［J］.華北電力技術，2007(6):30－34.

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

［6］金明，蘭勇，袁博強.微機型繼電保護測試裝置的功能與現狀［J］.繼電器，2001，29(3):1 －4，46.