新型頻率電壓緊急控制裝置測試系統研究

摘要：針對新型頻率電壓緊急控制裝置測試中較難定量地校驗df/dt和du/dt定值，提出采用DSP+ARM控制技術生成高精度頻率、電壓以及對應的滑差信號，對連續變化測試、多輪重復測試和固定步長連續測試三種邏輯檢測方法進行了分析，并且對減載裝置的性能進行測試。測試裝置通過加裝模擬斷路器組，減少試驗時對現場斷路器的損耗。詳細介紹了實現方案、技術特點、測試系統的原理和硬軟件構成。

關鍵詞：頻率電壓緊急控制裝置；測試系統；頻率變化率df/dt；電壓變化率du/dt；動作時間

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）26-0120-03

頻率和電壓是電力系統運行的重要狀態量，在出現較大的電源事故情況下，系統功率失去平衡，頻率或電壓或兩者同時下降，電網正常運行方式受到威脅時應盡快采取一切可能的手段和方法提高電網頻率與電壓的水平。否則，一些小事故將很快擴大，嚴重時將發生頻率崩潰或電壓崩潰，造成大面積停電。電力系統在出現嚴重的有功功率或無功功率缺額的情況下，調速器、自動調壓器等正常時的調節手段已發揮不了多大作用，國內外電力系統普遍采用了頻率電壓緊急控制措施，在頻率或電壓降低到安全的臨界值以下時切除部分負荷，使頻率或電壓回升到臨界值以上。這些措施對防止事故擴大、保障系統安全發揮了重要作用，常被譽稱為電力系統安全的“第三道防線”。因此，這些安全自動裝置必須按規程定期進行校驗測試，從而確保具有足夠準確的反應能力。

近年來，隨著電力系統的發展和容量的擴大，運行狀況更加復雜。與之相適應，低頻低壓減載控制技術也不斷得到改進和提高。其中按系統頻率或電壓下降率快速減載的新型自動低頻低壓減負荷裝置得到了大量應用。因此，如何建立測試模型，對低頻低壓減載裝置進行檢測，正確評估低頻低壓減載裝置的動作特性顯得尤為重要。

低頻低壓減載裝置的動作特性檢測包括動作定值、動作時間、加速滑差等。常規測試儀器不能夠定量地、準確地對自動裝置中df/dt、dU/dt動作定值（或閉鎖值）以及動作時間進行測試與校驗。針對這些問題，本文提出并設計了一種以DSP微機技術為核心的頻率電壓緊急控制裝置測試系統模塊。該模塊軟硬件基于微機保護測試平臺，采用突變量啟動和時間補償的方法，主要解決測試df/dt、du/dt和動作時間的準確性，既可用于各類型的頻率電壓緊急控制裝置生產和投運前的調試，又可滿足運行現場對這些自動裝置的定期檢測與校驗的要求。

一、測試系統功能設計

1.測試原理

頻率電壓緊急控制裝置是從變電站的兩段母線電壓信號中提取系統的頻率和電壓信息，當電力系統發生故障引起系統頻率或局部電網電壓下降時，自動裝置通過就地采集到的頻率或母線電壓與定值比較并進行邏輯判斷，按照給定的控制邏輯實施減載切負荷。

為此，測試裝置應能模擬正常工作、功率缺額事故情況下頻率和電壓的靜態與動態特性，并且能夠對頻率電壓緊急控制裝置的動態、靜態性能指標進行足夠精度的測試。針對低頻低壓減載裝置的測試系統結構如圖1所示。

2.主要功能及技術指標

本測試系統是對繼電保護測試儀進行軟硬件升級，測試儀增加了頻率電壓緊急控制軟件測試模塊和模擬斷路器硬件部分，從而能夠較方便和準確地校驗分散式低周低壓減載裝置的動作值、動作時間、閉鎖值、du/dt、df/dt定值，對集中式減載裝置也可一次完成多輪動作時間測試。主要功能及技術指標如下：

（1）模擬量輸出：8個電壓輸出端，范圍0～120V；2個電流輸出端，范圍0～2A；可單步調節或快速連續調節，且由采用真彩色大屏幕液晶實時顯示輸出電壓。交流電壓、電流誤差：0.5%；驅動能力200mA。

（2）輸出頻率：10.00～60.00Hz，可單步調節或快速連續調節。頻率誤差1mHz。

（3）數字部分采用高性能DSP+FPGA完成高精度信號的計算和發生以及各種時序邏輯控制功能，每周波輸出點數達600點，保證了信號的平滑度，經過測試諧波畸變率小于0.5%，時間測試精度小于1ms，實現了對du/dt、df/dt的精確控制。

（4）5個模擬斷路器：三相跳閘5個跳閘時間40ms，合閘時間50ms，跳閘電流1.5A，合閘電流0.5A，測試低頻減載裝置時可不用外接斷路器進行整組試驗，簡化了接線，提高了測試效率。

（5）正確模擬過頻、過壓、低頻、低壓故障。

（6）準確校驗分散式低周低壓減載裝置的動作值、動作時間、閉鎖值、du/dt、df/dt定值，一次完成多輪動作時間測試。

二、測試系統的設計

1.硬件設計

該測試裝置采用一套DSP+CPLD和一套DSP+ARM構成信號發生主控模塊和嵌入式人機監控模塊，采用自定義的內部通信協議，通過模塊間內部CAN通訊接口傳輸測試數據，系統與頻率電壓緊急控制裝置相連接，可以根據操作需要靈活配置，通過從上位機下載保護程序軟件，可完成繼電保護以及備自投、低頻減載、故障錄波和故障測距等多種功能測試。新增的人機監控DSP系統賦予了整機人機交互和保護自檢功能。本系統采用高精度串行DA轉換器和10M以太網控制器CS8900A與DSP芯片的以太網接口設計方案，使裝置具備輸出高精度電壓電流測試信號的功能。

測試裝置主要由上位機程序、數字控制單元、功率輸出單元、開入量單元，人機接口單元五個部分組成。測試裝置硬件組成原理如圖2所示。

（1）數字控制單元采用DSP+FPGA的架構，其中DSP采用的是TI公司的DSP2812完成信號的讀取并控制DA產生模擬小信號，FPGA負責邏輯的生成和DSP外部總線的擴展。數字控制板上載有大容量SDRAM、大容量FLASH和高精度DA等芯片。

（2）DA選用MAX公司的高精度16Bit串行口數模轉換芯片MAX542。它提供完全的16位轉換，電壓建立時間僅為1us，積分微分線性誤差均小于1LSB，而其最小分辨電壓僅為38.15uv，串行輸出時鐘為10MHZ。MAX542的模擬電壓經高精度、低噪聲運放電路調理后再送至低通濾波器濾除1kHZ以上高頻信號，輸出的正弦波電壓信號精度能夠滿足電子式互感器模擬輸出的標準。

（3）功率輸出單元采用線性功放架構，該功放單元把DA產生的模擬電壓小信號按比例進行放大，產生大幅值、大功率的電壓和電流信號。

（4）多路開入量單元用于檢測低周低壓減載裝置的跳閘節點動作信號，DSP檢測到開入量動作后會記錄動作時間和動作值，由上位機進行讀取和顯示。

（5）人機接口單元采用ARM作為主控制器，外接觸摸屏完成程序的控制和參數設置。

（6）內置5路模擬斷路器，模擬斷路器跳閘電流1.5A合閘電流 0.5A，可以通過面板上的按鍵實現具有手動跳閘、手動合閘功能，通過面板上的指示燈能夠觀察當前斷路器的開關狀態。測試低頻低壓減載裝置時可不用外接斷路器，簡化了接線，提高了測試效率。

2.測試原理設計

目前低頻低壓減載裝置生產廠家眾多，水平參差不齊。如何高質量地對低頻低壓減載裝置進行正確評估與檢測顯得十分重要。本裝置對比國內一些裝置所用頻率電壓測試原理與方法，提出高精度信號控制和檢測方法，主要動作特性檢測包括動作定值、滑差、動作時間等。

（1）頻率信號控制原理。常規測試儀采用整周波變頻的非實時計算方法，由計算機對每個周期的電壓波形依次計算之后，以整周波的形式回放并輸出。該方法頻率的最小變化為50/999Hz，分辨率會受到一定限制。[1]測試裝置輸出的電壓和電流信號的頻率能夠按照設定的滑差進行變化，滑差可設定為正值或負值。該裝置的技術難點和關鍵性指標是頻率滑差的精度。

測試裝置的信號輸出方式是按照等時間間隔（25us）的方式輸出，對于50Hz的信號來說，每周波輸出20ms/25us=800點，而對于40Hz的信號來說每周波輸出25ms/25us=1000點。

比如系統設定滑差df/dt=2.0Hz/s，起始頻率為50.0Hz，終止頻率為44Hz，變化步長為0.1Hz，則總變化時間=（50.0Hz-44Hz）/（2.0Hz/s）=3.0秒，輸出總點數=3.0秒/25us =120000（點）， 測試裝置變化步長的間隔點數n=0.1Hz/（25us*2.0Hz/s）=2000。其中輸出每點變化的頻率為：

每點的輸出計算按照如下式：

上式中DA為16位DA的設定值，Us為設定的輸出信號的峰值， f0為設定的信號的初始頻率，dF為每點的頻率變化步長，N為當前的變化點數，φ0為初始相位。

上位機程序由EVC++開發，由上位機首先計算每點輸出的DA值，然后將各個通道每點對應的DA值下載到數字控制板上的SDRAM中，DSP在程序開始運行時開啟定時器中斷（中斷時間為25us），每個定時器中斷從SDRAM中取出當前輸出點對應的DA值，然后寫入DA的數據寄存器，DA輸出的模擬小信號經過電壓和電流放大器按照比例放大，完成該點的模擬信號輸出。

由上可見，由于每點的輸出值是由上位機計算完畢后下載到數字控制板上的SDRAM中，因此量化誤差可以忽略不計。有可能導致滑差出現誤差的主要因素是DSP晶振的誤差，晶振存在誤差會導致定時器中斷時間（25us）不準確，影響滑差的的精度。

數字控制板上DSP的晶振誤差小于10PPM，即十萬分之一，引起的滑差誤差為十萬分之一左右。因此該實現方法能夠使滑差的誤差很小，滿足各種對于滑差高精度的精度需求。

連續變化測試中考慮到被測裝置的整定延時以及出口繼電器的固有動作時間，當測試儀真正收到裝置出口動作的接點信息時，被測信號已經繼續變化了一段時間，這時所記錄的動作值必然不等于實際動作值。多輪重復測試邏輯先輸出額定電壓，保證裝置可靠上電復歸，然后每次都從額定電壓開始下降，變化步長為誤差允許值的1/10。每次按照設定的滑差降低電壓，下降到每一步的值時，保持此電壓輸出單步時間即保持時間。這種方式不能考察各輪次動作間的配合，并且全部檢測用時很長。固定步長連續測試邏輯先輸出額定電壓，保證裝置可靠上電復歸，然后按照設定的滑差降低一個步長的電壓，保持此電壓輸出一個單步時間，如果保護不動作，則繼續下降一個步長的電壓，直到保護動作或到所設的電壓終值。這種檢測方法既可滿足測試精度要求，同時也能考查裝置各輪之間動作值的配合。

（4）動作時間的檢測。測試頻率電壓緊急控制裝置動作時間，關鍵是計時啟動起點的確定。如圖5所示，計時器啟動由實際測試的動作電壓決定，所以準確找到計時起點是保證動作時間精度的前提。

文獻2提出測試低壓減載裝置的動作時間采用固定時間補償方法，采取突變量啟動計時，通過滯后10ms即可確定實際動作時間的啟動點。

實際操作時，先按照設置的“變化前延時”的時間輸出額定電壓，電壓按滑差緩慢變化，在電壓達到（1+2%）Uz時停留0.5s，然后突變到（1-2.04%）Uz后再停留0.5s。電壓從（1+2%）*Uz突變量下降時啟動計時器，動作出口（或保護接點翻轉）時停止計時器，然后將所測動作時間減去10ms得到實測動作時間。之后再繼續下滑變化檢測下一輪次動作時間。如圖6所示。

3.系統軟件設計

測試裝置采用模塊化結構，采用實時多任務操作系統設計，能方便完成對各種參數的測量、計算、控制和顯示等操作。簡化的軟件流程圖如圖7所示。

三、結束語

根據以上原理研制出頻率電壓緊急控制裝置測試系統應用在TQWX-Ⅲ型微機繼電保護測試儀中，現場使用證明，具有技術性能好、功能齊全、操作簡便的特點，各項技術指標均滿足設計要求。該系統能夠準確生成頻率、電壓變化率信號，準確地對電力系統低頻、低壓減載裝置中df/dt、du/dt定值（或閉鎖值）進行測試與校驗，內置五組模擬斷路器，可一次性完成多輪次動作值的測試，為調試和校驗頻率電壓緊急控制裝置提供了便利。但是研究中還有許多深入細致的問題有待解決，比如系統電壓中存在諧波和噪聲干擾等。怎樣更確切、定量地描述這些問題并給以恰當的模擬和實現還有待于更深入的研究。

參考文獻：

[1]韓笑，趙景峰，邢素娟.電網微機保護測試技術[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[2]韓士杰，胥岱遐，韓天行，等.關于低壓減載裝置檢測方法的探討[J].電工電氣，2012，（1）：51-55.

[3]田建設，米增強，魏建英，等.電力系統低頻低壓減載裝置測試研究[J].華北電力大學學報，1998，25（4）：24-29.

（責任編輯：王祝萍）