2M 光接口測試儀檢測裝置的研究與設計

邱細蝦，萬 敏，方美明，蔡耀廣，曾 潤

（廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局，廣東 佛山528000）

2M 光接口測試儀檢測裝置的研究與設計

邱細蝦，萬 敏，方美明，蔡耀廣，曾 潤

（廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局，廣東 佛山528000）

針對繼電保護測試儀檢測裝置具有檢測過程復雜、涉及檢測儀器種類較多、檢測精度要求較高等特點，本文對繼電保護測試儀的檢測裝置進行設計與研究。首先對檢定裝置的整體結構進行設計，對檢測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)傳輸通信等電路模塊硬件進行合理設計，并根據(jù)實際檢測需要設計上位機實時檢測界面和主要組態(tài)程序。采用LR98A多功能校準器對該檢測裝置進行測試，結果表明本文設計的繼電保護測試儀檢測裝置具有測量過程簡單、檢測設備輕便、檢測結果精度高、人際交互界面友好等優(yōu)點。

繼電保護測試儀；檢測裝置；電參數(shù)測量；數(shù)據(jù)采集

電力系統(tǒng)的逐步完善以及平穩(wěn)運行，對于社會經(jīng)濟的發(fā)展以及國民生活水平的提高具有不可替代的作用。確保電力系統(tǒng)健康穩(wěn)定運行的主要措施即為繼電保護，而繼電保護裝置作為最重要以及最有效的手段，可以確保電力設備的安全運行，避免、限制電力系統(tǒng)大面積或者是較長時間停電[1]。繼電保護測試技術涵蓋如下：繼電保護試驗與特性參數(shù)的測量原理；測量方法以及測量專用儀表使用[2]。文章旨在研究出檢定繼電保護測試儀的裝置，確保繼電保護測試儀平穩(wěn)工作，意義顯著。

1　檢測裝置的硬件設計

系統(tǒng)由2部分組成，即：1）數(shù)據(jù)采集板卡；2）上位機監(jiān)控系統(tǒng)[3]。第一組成部分為高速信號采集處理系統(tǒng)，圖1表示該組成部分的結構圖。工作流程如下：數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進行采樣，采樣對象為繼電保護測試儀的電壓數(shù)據(jù)與電流數(shù)據(jù)，首先對濾波進行放大，然后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換操作，由于系統(tǒng)的強電與弱電會導致不利現(xiàn)象的出現(xiàn)，因此，系統(tǒng)選擇光耦隔離方法，對強電以及弱電信號進行區(qū)分，傳送至DSP，再通過串口RS232通訊傳送至檢測系統(tǒng)上位機，最終在計算機上實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)儲存等[4]。

圖1　檢測裝置結構框圖

按照系統(tǒng)不同部分之間功能存在的差異性，系統(tǒng)可包括如下模塊：1）信號采樣；2）輸入信號調(diào)理；3）光電隔離；4）數(shù)字信號處理；5）通信。第二模塊主要調(diào)理被采集的模擬信號，從而達到A/D電路對于信號的要求；第四模塊的主要功能是對輸入的電信號進行采集、處理的操作，DSP主要作用是對數(shù)據(jù)進行采集，控制系統(tǒng)邏輯與時序；第五模塊的主要功能是將數(shù)據(jù)傳至計算機，完成數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)顯示等過程[5]。

1.1DSP系統(tǒng)的設計

本文設計的繼電保護測試儀檢測裝置所采用的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)為最小系統(tǒng)[6]，該系統(tǒng)包括：數(shù)字信號處理芯片TMS320F2812；外圍擴展電路：復位電路等，圖2表示數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)（DSP）最小系統(tǒng)架構如圖2所示。

1.2前端信號調(diào)理電路

本設計的繼電保護測試儀檢測裝置采集的電壓信號最低值達到10 mV，最高值為7 V，當檢測電壓信號較小時，檢測裝置采集到的信號將存在較多的信號噪聲，不利于數(shù)據(jù)的處理、分析，最終將影響檢測裝置的測量精度[7]。因此需要對采集到的電壓信號進行放大，并對采集到的信號中的噪聲進行過濾，以達到檢測裝置采集的信號準確性。前段采集信號調(diào)理電路如圖3所示。

圖2　DSP最小系統(tǒng)架構

圖3　采集信號調(diào)理電路

1.3通訊串口RS232電路設計

本文采用MAX232C作為繼電保護測試儀檢測裝置的通訊串口專用芯片，通過MAX232C芯片將3.3 V的TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)變通訊串口RS232兼容的通訊信號。本次設計的繼電保護測試儀檢測裝置的通訊串口選擇RxD、TxD以及GND節(jié)點作為通信接口，其中通訊接頭采用D型9針陽性插頭。通訊串口專用芯片MAX232C具有智能通訊連接的特點，并且在高數(shù)據(jù)傳輸率狀態(tài)時仍然保持兼容；③抗電子干擾能力強[8]。最低供電電壓以及最高供電電壓分別為-3.3 V、3.3 V，電源可選擇DSP系統(tǒng)電源。通訊串口RS232電路如圖4所示。

圖4　通訊串口RS232電路圖

2　檢測裝置的軟件設計

檢測裝置軟件設計涵蓋兩方面：1）數(shù)據(jù)采集卡的DSP軟件程序設計，2）PC機應用程序的軟件設計。其中數(shù)據(jù)采集卡的 DSP軟件主要子程序包括：DSP的數(shù)字信號處理芯片TMS320F2812運行程序；數(shù)據(jù)采集裝置運行程序；數(shù)據(jù)通訊接口運行程序；A/D采樣電路運行程序。本繼電保護測試儀檢測裝置的DSP軟件程序運行流程圖如圖5所示，數(shù)據(jù)采集裝置運行程序流程如圖6所示。

PC機的應用程序采用Delphi開發(fā)，打開串口后，為確保檢定裝置處于安全運行狀態(tài)，軟件設計過程中，無論電壓還是電流量程均為最大值。根據(jù)采樣方式，分別從DSP進行數(shù)據(jù)的讀取，在不同的存儲空間進行存儲，調(diào)用不同的線程處理數(shù)據(jù)，不同處理方式的數(shù)據(jù)均會在用戶主界面中進行顯示[9]。圖7表示上位機應用程序的流程圖。

由直、交流處理，串口設置與調(diào)標設置3個模塊構成了應用程序。為確保檢定裝置在測量過程中的高精確度，設計過程中，電壓以及電流均選擇多量程，第三模塊按照不同量程對誤差系數(shù)進行計算。檢測系統(tǒng)的人機交互主界面如圖8所示。

圖5　檢測裝置DSP軟件程序運行流程圖

圖6　數(shù)據(jù)采集裝置運行程序流程

圖7　上位機應用程序流程圖

3　系統(tǒng)測試及結果分析

為了測試檢測裝置參數(shù)檢測的精度，測試信號源選擇LR98A多功能校準器[10]。LR98A多功能校準器數(shù)據(jù)精度等級為0.05級，諧波失真度達到0.01級。頻率最低分辨率為0.001 Hz，相序角最低分辨率為0.025°。

本檢測裝置可以分別對繼電保護測試儀采集的電流頻率和電壓頻率進行測量，并可以對個數(shù)據(jù)通道就行檢測，同時將檢測數(shù)據(jù)實時顯示在上位機檢測界面上，上位機數(shù)據(jù)顯示界面如圖9所示。

該檢測裝置可以實現(xiàn)對頻率范圍在10～1 000 Hz之間的電流頻率、電壓頻率進行檢測，使用本檢測裝置對頻率標準值為30 Hz、50 Hz、100 Hz、500 Hz、800 Hz、1 000 Hz進行檢測，檢測結果如表1所示。

圖8　檢測系統(tǒng)人機交互主界面

圖9　測試數(shù)據(jù)顯示界面

表1　頻率標準值檢測結果

當檢測頻率處于0～65 Hz之間，偏差處于-0.001～0.001 Hz之間；當檢測頻率處于65～450 Hz之間，偏差處于-0.01～0.01 Hz之間；當檢測頻率處于450～1 000 Hz之間，偏差處于-0.02～0.02 Hz之間，本文設計的檢測裝置，其偏差不受檢測頻率的影響，始終保持0.001 Hz的偏差，因此，本文設計的檢定系統(tǒng)可以達到繼電保護測試儀頻率檢測精度的要求。使用本文設計的檢測裝置逐一進行驗證，驗證參數(shù)包括交直流電壓與電流、諧波總畸變率、相位以及時間等，對比分析實際檢測結果與相關性能參數(shù)間存在的差異性。結果表明：該檢定裝置可以滿足設計要求，推廣前景廣闊。

4　結束語

文章對一種繼電保護測試儀檢定裝置進行設計與驗證分析。該裝置可以測量測試儀的基本參數(shù)，測量精度可達0.05級，該裝置的成功設計，避免使用多種儀器測試的繁瑣以及中間檢測過程中形成的誤差，簡化檢定過程，提高檢定效率。設計過程中選擇軟件同步采樣技術，對于提升系統(tǒng)的抗干擾能力作用明顯。經(jīng)過實際驗證，設計的檢定裝置實用價值較高、滿足設計要求、建議大范圍推廣使用。

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Research and design of 2M optical interface tester

QIU Xi-xia，WAN Min，F(xiàn)ANG Mei-ming，CAI Yao-guang，ZENG Run
（Guangdong Power Grid co.，LTD Foshan Power Supply Bureau，F(xiàn)oshan 528000，China）

Etection device for relay protection tester with complex testing process，which involves many testing instrument types and the characteristics of the high detection accuracy in this paper，the testing device of relay protection tester design and research.First to design the overall structure of the calibration device for detecting data acquisition，data processing and data transmission communication hardware circuit module such as reasonable design，and according to the actual test need to design of real-time detection of the host computer interface and main configuration program.Using LR98A multifunction calibrator to test the detection device，results show that the design of relay protection tester detection device is simple in measurementprocess，lighttestingequipmentandhighprecisionoftestresult，interpersonalinteraction，friendlyinterface，etc.

relay protection tester；detection device；electric parameter measurement；data acquisition

TN98

A

1674－6236（2016）22-0145-04

2016-04-11稿件編號：201604107

國家自然科學基金資助項目(51277069)

邱細蝦（1976—），男，廣東清遠人，高級工程師。研究方向：通信技術、電力系統(tǒng)通信、智能電網(wǎng)、智能通信。