交流雙電源備投系統測試儀的設計

楊 晨，鄒洪森，陳 瑞

（國網寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750000）

1 系統背景

備用電源自動投入裝置可以提高供電的可靠性和連續性，對電源自投裝置進行全面的檢驗是保證備自投運行方式和邏輯關系等方面正確性的主要手段。在目前備自投邏輯校驗過程中，主要存在如下問題。

一方面，在10 kV及以上高壓備自投功能驗證測試方面，目前的繼保測試儀基本滿足測試要求，在缺乏備自投專用調試菜單和調試功能條件下，在備自投裝置調試過程中需要實驗人員根據現場具體備自投配置方式進行調試方案設計，調試人員技能水平要求高，調試配合人員需求數量多，調試工作耗時長。

另一方面，繼保測試儀由于交流相電壓輸出最大120 V，輸出功率小，無法滿足380 V交流雙電源備自投回路測試工作。如變壓器風冷電源、換流站內水冷主循環泵等雙電源備自投回路的測試均依靠斷掉一路進線電源的方式對交流380 V交流雙電源備自投進行簡單驗證。由于缺乏專業實驗儀器，對380 V交流雙電源備自投回路的電壓監視繼電器、相序繼電器、整個切換回路電壓動作值、備自投切換邏輯等均無法得到驗證和測試，為雙電源備自投的正確動作埋下安全隱患。

針對10 kV各種備自投接線方式、備自投邏輯、備自投測試要求，以及380 V交流雙電源備自投測試需要，開發了一款備自投裝置專用測試儀器。

2 設計原則

第一，兼容各型號的備投保護裝置。由于采用自動化配置試驗方案，所以必須提前了解待測裝置的信息，根據不同的試驗裝置設定對應的試驗參數，配置對應的試驗過程，要求很高的系統兼容性、擴展性。第二，自動化試驗控制。自動化試驗控制不僅僅是針對既有試驗方案的，更多的應用在于試驗方案以外一些特殊需求，要求試驗控制功能要靈活多變，隨時可以調整試驗過程。第三，需要輸出6路高達300 V的交流電壓，且幅值、相位、頻率單獨可調。第四，開出量不能采用繼電器，傳統繼電器開出延時長。第五，在保證所有功能的同時，必須保證設備的體積小，重量輕，方便現場攜帶。

3 整體架構設計

3.1 裝置硬件結構

根據設計原則，裝置采用標準6U3I（整層）機箱，層疊式結構。裝置采用分開模塊化獨立設計。交流電源備投裝置整機結構如圖1所示。

3.2 裝置各硬件部件設計

交流雙電源備投裝置主要由主控核心板、功率放大板、散熱器、電源模塊、開關量板、電壓電流輸出板、風機、側板和顯示通信面板等系列部件組成。

3.2.1 主控核心板

圖1 硬件結構圖

主控核心板CPU采用TMS320F2812PGFA、FPGA、XC3S500E-4PQ208C。TM320F2812是TI公司新推出的功能強大的定點運算DSP，最大的特點是數據運算效率高。它由雙網口模塊接收來自內置工控機或者聯機電腦的控制命令，將參數存入SRAM CY7C1041，并通過雙口RAM CY7C025AVC與網絡報文和FT3控制系統互相交互。TMS320F2812發出波形命令控制FPGA自動根據參數計算波形并輸出計算結果，計算結果通過并口總線傳至DA轉換芯片，將數字量轉換成模擬量，濾波后傳遞至電壓功放與電流功放。

雙口RAM CY7C025AVC是一種高速并行傳輸芯片。它的數據線、地址線以及讀/寫控制線一共有兩套，且這兩套線是彼此獨立的，允許兩個CPU一同存取雙端口存儲器的同一單元它的時序與普通單端口存儲器存取時完全一樣，還有兩套獨立的中斷邏輯來實現兩個CPU之間的高效傳輸數據。

SRAM CY7C1041是靜態的數據存取存儲器，存取速度快，接口時序簡單，是DSP存儲擴展的常用器件。主控核心板上還通過高性能網絡芯片DM9000生成兩路相互獨立的100 MHz以太網電口，分別連接工控機與聯機網口，用于獲取來自用戶界面軟件的控制指令。工控機內置嵌入式Windows XPE操作系統，除搭載大容量、高速率、數據穩定的電子硬盤外，還提供豐富外接U口、串口等。

3.2.2 功率放大板

放大部分對主板D/A輸出的信號進行放大輸出，采用的是高保真線性功放。

電壓功放采用三級放大，第一級以高精密運放對主板給出的小信號和反饋的輸出的電壓進行誤差處理放大，主要是信號放大以驅動后級三級管等元件。第二級放大則是電壓放大，將第一級運放輸出的信號進行再放大，采用高耐壓型三極管。末級則是采用著名IC公司APT生產的高耐型大功率MOS N管驅動負載。工作電源采用±450 V高電源，以保證輸出有效值高達300 V的電壓值。

電流功放采用兩級放大，第一級以高精密運放對主板給出的小信號和反饋的輸出的電流進行誤差處理放大，以驅動末級功率MOS N管和MOS P管。采樣電阻采用低溫漂高耐溫的電阻，以保證反饋的電壓不受負載和電流大小的影響，從而保證了輸出的電流值的穩定性。工作電源采用正負電源，輸出為正時正電源及N型MOS管工作，輸出為負時則由負電源及P型管參與工作。

3.2.3 散熱器

采用高密齒導熱率高的散熱器，能夠及時把電壓功放的功率管和電流功放的功率管發出的熱量導出去，避免了功率元器件因為過熱而燒毀。

3.2.4 電源模塊

電流功放的供電電源采用進口Cosel公司的大功率電源模塊，紋波小、噪聲低，本身具備過熱保護、過壓保護及過載保護功能，從而保證了電流輸出的精度和可靠性。電壓功放的電源采用高達450 V輸出的電源，本身具備過流保護、過熱保護及短路保護，電源的輸入輸出對外殼的絕緣性高達AC 1 500 V，從而保證了裝置對人身的安全性。

3.2.5 開關量板

采用MOS型開關元器件和高速光耦，保證開關量輸出延時達到微秒級，以及外界裝置和本裝置的隔離。

3.2.6 電壓電流輸出板

提供6路0～300 V的電壓值、3路0～30 A電流值的輸出接口。

3.2.7 風 機

采用高速低噪聲風機，能夠把功率元器件發出導到散熱器上的熱量以及電源部件在工作時產生的熱量及時抽出去，從而保證了整機可靠地運行。

3.2.8 側 板

提供開關量和電壓電流輸出的接口。

3.2.9 顯示通信面板

人機交互界面采用10.4寸超大工業液晶屏，具有RGB多位彩色顯示，有豐富形象的畫面顯示裝置的軟件設置和運行狀況。面板上設有軌跡球鼠標、優化的全鍵盤，運行人員需要時可以通過軌跡球鼠標操作查看當前裝置設置運行狀態、歷史報表等信息；也可以通過面板上的以太網口把裝置外接筆記本電腦或臺式機進行操作，通過面板上的U口可以在線升級裝置的上位機和下位機，可以把軟件的設置信息和歷史報告導出到U盤中，方便在筆記本或者臺式電腦上查看。

3.3 裝置的軟件架構設計

3.3.1 主界面介紹

打開程序進入主界面，界面上方是菜單欄，左側是樹形顯示所要配置的試驗及項目名稱，右側對應具體試驗項目的參數配置等。下方是狀態欄，主要顯示試驗運行時間及開關量動作的標志。

3.3.2 工具欄功能介紹

圖2為工具欄主要功能圖。

圖2 工具欄主要功能圖

（1）用戶管理：可用來設置用戶權限。

（2）新建方案：可設置是否保存當前方案，不保存直接清除以往配置，重設新方案。

（3）打開方案：選擇所需要打開的方案文件，默認文件名“//para//Default.stp”。

（4）保存方案：保存當前的方案到文件中，默認為程序所在路徑para文件夾下。

（5）打開報告：用來打開試驗結果報告。

（6）開始試驗：單擊即開始試驗，同時默認保存方案到“Default.stp”文件中。

（7）停止試驗：試驗開始后可用，試驗做完后可自動停止或中間手動停止，停止時會自動彈出保存報告窗口。

（8）手動減少：啟用“手動”試驗模式后，按此鍵會手動減小變量的值一個步長量。在實際應用中，其功能相當于測試儀鍵盤上的“↓”按鍵。再自動試驗模式下，此按鍵無效，呈灰色顯示。

（9）圖表顯示：單擊彈出電壓電流矢量圖顯示。

4 裝置主要實現的功能

（1）6相0～300 V電壓、3相0～30 A電流輸出，可任意組合，可4相電壓3相電流輸出、3相電壓3相電流輸出和9相同時輸出，9通道幅值、相位、頻率完全獨立。這樣不僅可以兼容多種傳統試驗方式，而且會更便于進行三相變壓器差動試驗、廠用電快切以及備自投試驗。

（2）裝置有8路開入和4路開出。開關量輸入電路可兼容空接點和0～250 V電位接點。電位方式時，0～6 V為合，11～250 V為分。開關量可以方便地對各相開關觸頭的動作時間和動作時間差進行測量。

開入部分與主機工作電源以及功放電源等部分均隔離。開入地為懸浮地，所以開入部分公共端與電流、電壓部分公共端UN、IN等都不相通。開關量電位輸入有方向性，應將公共端接電位正端，開入端接電位負端，保證公共端子電位高于開入端子。現場接線時，應將開入公共端接＋KM，接點負端接開入端子。若出現接反現象，就不能進行正確檢測。

5 本設計主要創新點

（1）本裝置可以為設備提供高達AC 300 V相電壓的輸出，以及全范圍精度可靠的交流電壓輸出，還要幅值、相位、頻率單獨可調，克服了傳統繼保輸出電壓低、帶載能力差的問題，特別是帶載感性負載時，初始啟動電流大，會造成裝置誤動作，功率器件容易損壞。這使本裝置既可兼容傳統的各種試驗方式，也可方便地進行三相變壓器差動試驗、廠用電快切和備自投試驗。

（2）采用開關型的MOS管和光速率的光耦，實現本裝置與外界待試驗設備的隔離絕緣，又保證了開關量輸出延時達到微秒級。

（3）自動化配置試驗方案的軟件。通過試驗方案配置軟件進行所有保護裝置的試驗方案配置與管理，現場試驗時直接應用既有方案進行試驗，是提高工作效率的一個有效途徑。

（4）通過界面操作，完成裝置的添加與方案配置，完整預控制試驗流程。

（5）通過試驗測試軟件來選配好的試驗方案，控制試驗過程與輸出，完成試驗，并出具試驗報告。

6 經濟效益

交流雙電源備投系統測試儀在寧夏±660 kV銀川東換流變電站運行以來，現場測試交流電源備投開關裝置，檢驗結果良好，充分發揮本裝置自動化、精確化、可視化的技術特點，解決了之前用常規備投測試儀器輸出電壓低、功率低的問題。用自耦調壓裝置測試檢驗交流電源備投開關裝置，測試結果不準，且自耦調壓裝置體積笨重，需多人協作。該裝置具有自動化、可視化的軟件集成界面，無需多人協作操作，大大節省了系統運維的人力、物力，并能自動導出測試結果，有效幫助了運維人員及時排除故障，降低了備投裝置切換的安全隱患，提高了變電站電網運行時供電的可靠性和連續性。

7 結 論

本交流雙電源備投測試儀，立足于工作實際，可模擬多進線備投及橋備投方式的測試。靈活的接線方式轉換、直觀的界面顯示，極大地方便了現場的調試人員，簡化了調試程序，精簡了調試所需人員，減少調試時間，使繼電保護人員完成備自投試驗工作輕松便捷、快速準確。由于測試儀有6相0～300 V幅值、相位、頻率可調的電壓輸出，可以單獨測試自動轉換器及交流接觸器。