研制微機(jī)型繼電保護(hù)測(cè)試儀——微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微機(jī)型繼電保護(hù)測(cè)試儀的研制——微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
       近年來(lái)隨著繼電保護(hù)的數(shù)字化進(jìn)程，繼電保護(hù)測(cè)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(guó)內(nèi)的主要幾家測(cè)試儀生產(chǎn)研制廠家不斷地推出電壓與電流等級(jí)更高、信號(hào)純度更好、每周期內(nèi)點(diǎn)數(shù)更多、系統(tǒng)軟件功能更加強(qiáng)大的繼電保護(hù)測(cè)試儀器系統(tǒng)。這些測(cè)試儀功能性能略有差異，但是都有如下特點(diǎn)：
１．硬件電路上采用一體化模塊設(shè)計(jì)；
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(jìn)行同步測(cè)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(cè)試軟件，圖形用戶界面友好。
1.繼電保護(hù)測(cè)試內(nèi)容
微機(jī)型繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試對(duì)象主要是２２０Ｋｖ及以下高壓輸電線路的繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置。系統(tǒng)通過(guò)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(yàn)電壓，采用電壓、電流由正常運(yùn)行值突變到故障值等，同時(shí)測(cè)試?yán)^電保護(hù)裝置對(duì)故障的響應(yīng)狀態(tài)和響應(yīng)速度。除了對(duì)各種電壓、電流、負(fù)序、阻抗、方向、差動(dòng)、重合閘等各類(lèi)保護(hù)裝置進(jìn)行校驗(yàn)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(guò)程，模擬故障過(guò)程中電流電壓的變化，從而檢驗(yàn)被檢保護(hù)裝置的整體動(dòng)作性能。
微機(jī)型繼電保護(hù)測(cè)試裝置主要組成部分包括：信號(hào)控制單元、電流電壓放大器和開(kāi)關(guān)量輸入通道。信號(hào)控制單元是一個(gè)微機(jī)控制的可編程的信號(hào)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(hào)，經(jīng)功放放大成具有一定功率的電流、電壓激勵(lì)信號(hào)，開(kāi)關(guān)量輸入通道檢測(cè)被測(cè)試?yán)^電保護(hù)裝置的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。當(dāng)前的繼電保護(hù)微機(jī)型測(cè)試裝置具有以下功能：
1信號(hào)發(fā)生和開(kāi)關(guān)量單元：要求能夠獨(dú)立產(chǎn)生各種輸出電壓、電流信號(hào)．通過(guò)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(hào)；輸出直流至所需各種頻率的交流電壓、電流信號(hào)，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(kāi)關(guān)量輸入和輸出；
2故障模擬：用于電路中接地短路等運(yùn)行故障同時(shí)還提供模擬故障轉(zhuǎn)換及測(cè)試保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間等功能；
3仿真功能：可以進(jìn)行各種不同類(lèi)型等仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)的故障情況；
4阻抗搜索：用于測(cè)試和搜索阻抗繼電器動(dòng)作時(shí)間和阻抗的關(guān)系用數(shù)字方法合成試驗(yàn)波形，如正弦波或疊加直流分量和高次諧波，可測(cè)試保護(hù)繼電器的穩(wěn)態(tài)特性或暫態(tài)特性。
2.測(cè)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(cè)試儀的總體性能，測(cè)試儀的許多功能的實(shí)現(xiàn)都依賴(lài)于硬件電路如系統(tǒng)控制電路、任意信號(hào)發(fā)生器，譯碼及讀寫(xiě)控制電路、總線驅(qū)動(dòng)的控制、Ｉ，ｏ接口等，所以測(cè)試儀的硬件電路非常復(fù)雜。可能引起可靠性、電磁兼容性、功耗，設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)周期、設(shè)計(jì)費(fèi)用等方面的問(wèn)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(cè)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(shí)盡量減少數(shù)據(jù)的通訊量。ＲＴ型測(cè)試儀采用的串口通信方式在大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸時(shí)，速度已不能滿足要求；基于ＵｓＢ通信的方案是本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。
３．高性能任意波形發(fā)生器的ＦＰＧＡ實(shí)現(xiàn)
任意波形發(fā)生器的實(shí)質(zhì)是通過(guò)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(hào)，信號(hào)質(zhì)量將直接影響測(cè)試儀的性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)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(cè)試儀的關(guān)鍵。在任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)中，主要解決的問(wèn)題有：a全量程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出的高分辨率；b信號(hào)的高穩(wěn)定度；c信號(hào)任意波形、幅度、相位的實(shí)現(xiàn)；d信號(hào)的諧波疊加等。
４．保護(hù)動(dòng)作的識(shí)別
繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作信號(hào)有電位式、節(jié)點(diǎn)式等，還可能有正、負(fù)極性之分，測(cè)試裝置需要能夠自動(dòng)判別保護(hù)裝置輸出的常態(tài)和動(dòng)作標(biāo)志。
５．電磁兼容（ＥＭＣ）的保證
在設(shè)計(jì)過(guò)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(cè)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(cè)試儀的基本功能和技術(shù)指標(biāo)
3.1.基本功能
測(cè)試儀所實(shí)現(xiàn)的基本功能有：
１．實(shí)現(xiàn)任意周期信號(hào)的輸出：根據(jù)測(cè)試的要求，運(yùn)用軟件或硬件的方法，實(shí)現(xiàn)各信號(hào)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(hào)的混合，構(gòu)成所希望的電流電壓信號(hào)。
２．保護(hù)動(dòng)作的識(shí)別：測(cè)試儀需要能夠自動(dòng)判別保護(hù)裝置輸出的常態(tài)和動(dòng)作標(biāo)志。
３．軟件功能：下位機(jī)部分測(cè)試監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)滿足市場(chǎng)上絕大多數(shù)繼電保護(hù)裝置的測(cè)試要求。
４．Usb通信的實(shí)現(xiàn)：Ｐｃ機(jī)和下位機(jī)之間ｕｓＢ傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，通信速率不低于１ＭＢ．
3.2.技術(shù)指標(biāo)
根據(jù)國(guó)家電力總公司頒布的國(guó)家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)‘繼電保護(hù)微機(jī)測(cè)試裝置技術(shù)條件》，繼電保護(hù)微機(jī)測(cè)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(dú)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(guò)一路直流電壓輸出Ｕｄ
●開(kāi)關(guān)量輸出接口的要求：
裝置需配備８對(duì)開(kāi)關(guān)量輸出接口；
開(kāi)關(guān)量的遮斷容量不低于250Ｖｍ．３Ａ（Ｄｃ）；
各對(duì)開(kāi)關(guān)量輸出通道在電氣上*隔離。
●開(kāi)關(guān)量輸入接口的要求：
裝置需配備８對(duì)開(kāi)關(guān)量輸入接口；
開(kāi)關(guān)量輸入接口的輸入阻抗不低于10Ｋ；
電壓型或接點(diǎn)型開(kāi)關(guān)量可以自動(dòng)識(shí)別；
開(kāi)關(guān)量輸入電壓不低于250ｖ（Ｄｃ）：
各開(kāi)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(shí)間小于100