周 勤 胡海梅 陳克緒

(江西省電力科學(xué)研究院1，江西 南昌 330096;江西科晨高新技術(shù)發(fā)展有限公司2，江西 南昌 330096)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試儀的檢測(cè)主要是采用多個(gè)高精度多用表測(cè)試其交直流電壓、電流、頻率和相位等電參數(shù)的準(zhǔn)確度，所用設(shè)備種類多、測(cè)試步驟繁瑣，且無法檢測(cè)繼電保護(hù)測(cè)試儀的響應(yīng)速度、同步性、帶負(fù)載能力以及時(shí)間精度等大多數(shù)技術(shù)參數(shù)。這是由于繼電保護(hù)測(cè)試儀的檢測(cè)涉及繼電保護(hù)、電測(cè)計(jì)量、時(shí)間計(jì)量等多專業(yè)領(lǐng)域，要完整地檢測(cè)繼電保護(hù)測(cè)試儀項(xiàng)目具有一定的難度［4］。近年來，隨著繼電保護(hù)技術(shù)的飛速發(fā)展，提高對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試儀的檢測(cè)技術(shù)水平已迫在眉捷［5］。

基于以上原因，本文研制開發(fā)了繼電保護(hù)測(cè)試儀檢測(cè)裝置，簡(jiǎn)化了繼電保護(hù)測(cè)試儀的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)測(cè)試儀的交直流電壓、電流等電參數(shù)的高準(zhǔn)確度測(cè)量，總諧波畸變率、響應(yīng)速度、同步性、帶負(fù)載能力和動(dòng)作時(shí)間等功能性技術(shù)參數(shù)的檢測(cè)以及關(guān)鍵技術(shù)也有了一定的突破。

1 裝置的硬件設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 裝置的硬件設(shè)計(jì)

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(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，并在所設(shè)計(jì)的電路中采用DSP+AVR+嵌入式工控機(jī)架構(gòu)。裝置包括信號(hào)采樣電路(采樣、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)選擇)、A/D轉(zhuǎn)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(fù)責(zé)信號(hào)的采樣、處理和計(jì)算等，嵌入式工控機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)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(hào)采集速度，采用多片高速A/D循環(huán)采樣技術(shù)。光電隔離電路與DSP處理器相連，負(fù)責(zé)在電隔離的情況下，以光為媒介傳送信號(hào)，對(duì)輸入和輸出電路進(jìn)行隔離，抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，提高響應(yīng)速度。

1.2 裝置的工作原理

1.2.1 電參量的計(jì)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(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù);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(shí)域信號(hào);X(k)為頻域信號(hào);DFT為數(shù)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(shí)部。

1.2.2 裝置的工作原理

繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出的交流電壓、電流信號(hào)經(jīng)電壓、電流互感器送入信號(hào)調(diào)理電路，直流電壓、電流信號(hào)經(jīng)過直流取樣電路送入信號(hào)調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流電壓、電流的取樣，并經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路濾波后，送入雙四選一模擬開關(guān)進(jìn)行選擇處理。雙四選一模擬開關(guān)輸出的信號(hào)送入A/D(6通道16位A/D轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再由A/D采樣芯片將采集到的信號(hào)送入DSP處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算。光電隔離電路與DSP處理器相連，將A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)送入DSP處理器I/O口數(shù)據(jù)總線。開入量信號(hào)經(jīng)光電隔離電路送入DSP處理器處理，光電隔離電路負(fù)責(zé)在電隔離的情況下，以光為媒介傳送信號(hào)，對(duì)輸入和輸出電路進(jìn)行隔離。DSP處理器與彩色液晶顯示器及鍵盤相連，負(fù)責(zé)信號(hào)的采樣、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算以及顯示和鍵盤處理。

2 裝置的性能指標(biāo)

近年來，繼電保護(hù)技術(shù)有了飛躍式的發(fā)展［5］。目前，大多數(shù)繼電保護(hù)測(cè)試儀交直流電參量(電壓、電流、相位)精度已達(dá)0.2級(jí)。頻率精度在10Hz＜f≤65Hz時(shí)，頻率誤差為 ±0.001Hz;在65Hz＜f≤450Hz時(shí)，頻率誤差為 ±0.01Hz;在450Hz＜f≤1000Hz時(shí)，頻率誤差為 ±0.01Hz。相位精度已達(dá) 0.2°。自主開發(fā)的DKY-2105型繼電保護(hù)測(cè)試儀檢測(cè)裝置交直流電壓、電流參數(shù)測(cè)量精度達(dá)到0.05級(jí)，相位測(cè)量精度達(dá)0.05°，完全滿足對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試儀的檢測(cè)。此外，裝置對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試儀的檢測(cè)的幅頻特性(0～1 kHz范圍)［6］、總諧波畸變率等性能指標(biāo)也滿足DL/T 624-1997“繼電保護(hù)微機(jī)型試驗(yàn)裝置技術(shù)條件”的要求［1］。

3 響應(yīng)速度及同步性測(cè)試

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

①在繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出電壓為Umax時(shí)，在阻性負(fù)載上可測(cè)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(shí)間小于120 μs。

②在繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出電流為Imax時(shí)，在阻性負(fù)載上可測(cè)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(shí)間小于200 μs。

③電流與電壓輸出的不同步時(shí)間小于等于100 μs［4］。

當(dāng)輸出電壓為75 V、輸出電流為5 A時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 輸出電壓、電流響應(yīng)速度的測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of output voltage and current response speed

表2 同步性的測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of synchronization

4 繼電保護(hù)測(cè)試儀時(shí)間精度測(cè)試

以往繼電保護(hù)測(cè)試儀時(shí)間的檢測(cè)是難點(diǎn)，最主要的原因是其涉及繼電保護(hù)、電測(cè)計(jì)量和時(shí)間計(jì)量等專業(yè)。因此，在對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試儀檢測(cè)裝置的研發(fā)中，繼電保護(hù)、電測(cè)計(jì)量、時(shí)間計(jì)量的專業(yè)人士，對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試儀時(shí)間的檢測(cè)進(jìn)行了多次試驗(yàn)并成功地測(cè)得繼電保護(hù)測(cè)試儀的動(dòng)作時(shí)間。

時(shí)間精度測(cè)試可分為3個(gè)步驟。

①時(shí)間檢測(cè)試驗(yàn)接線

時(shí)間檢測(cè)試驗(yàn)接線圖如圖2所示。圖2中的開出為繼電保護(hù)測(cè)試儀自身的輸出開關(guān)量，有常開和常閉兩種類型;開入為被測(cè)裝置的接點(diǎn)方式選擇，有常開和常閉兩種方式。

圖2 時(shí)間檢測(cè)試驗(yàn)接線圖Fig.2 Test wiring for time detection

②檢驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

繼電保護(hù)測(cè)試儀選擇能進(jìn)行測(cè)量動(dòng)作時(shí)間的功能。測(cè)量時(shí)間時(shí)設(shè)置的變量應(yīng)能發(fā)生突變，即設(shè)置的變量從0或額定值突變到動(dòng)作時(shí)間規(guī)定的激勵(lì)量。繼電保護(hù)測(cè)試儀設(shè)置如下。

狀態(tài)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(tài)觸發(fā)條件選擇“按鍵觸發(fā)”。

狀態(tài)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(tài)1相同);狀態(tài)觸發(fā)時(shí)間選擇“開入量觸發(fā)翻轉(zhuǎn)”。

狀態(tài)設(shè)置完成后，選擇“觸發(fā)故障”后開始測(cè)量。

③時(shí)間測(cè)量的測(cè)試結(jié)果

時(shí)間測(cè)量的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 時(shí)間測(cè)量的測(cè)試數(shù)據(jù)(Udc=14 V)Tab.3 Test data of time measurement

5 繼電保護(hù)測(cè)試儀交流帶負(fù)載能力測(cè)試

由于供電企業(yè)對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試儀交流帶負(fù)載能力的要求較高，而進(jìn)口設(shè)備帶載能力較差，因此，開展對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試儀的交流帶負(fù)載能力的檢測(cè)具有重要的意義。目前國(guó)家有關(guān)部門正在制訂最新繼電保護(hù)測(cè)試儀標(biāo)準(zhǔn)草案，其中就強(qiáng)調(diào)繼電保護(hù)測(cè)試儀的帶負(fù)載能力。

5.1 交流電壓帶負(fù)載能力測(cè)試

交流電壓帶負(fù)載能力測(cè)試可分為3個(gè)步驟。

①交流電壓帶負(fù)載能力測(cè)試的試驗(yàn)接線

交流電壓帶負(fù)載能力測(cè)試的試驗(yàn)接線如圖3所示。

圖3 交流電壓帶負(fù)載能力測(cè)試試驗(yàn)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(yàn)參數(shù)設(shè)置

設(shè)定繼電保護(hù)測(cè)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(hù)測(cè)試儀所能輸出的Umin和Umax之間設(shè)定);功率因數(shù)為1(電阻性負(fù)載)。

③檢驗(yàn)方法

測(cè)量各項(xiàng)電流值，計(jì)算交流電流的輸出功率。選擇1 A、1 kΩ滑線變阻器，被測(cè)繼電保護(hù)測(cè)試儀電壓端接入標(biāo)準(zhǔn)表電壓端，調(diào)整負(fù)載電阻由大到小，當(dāng)輸出電壓的總諧波畸變率＜1%時(shí)，輸出功率應(yīng)不小于50 VA。

5.2 交流電流帶負(fù)載能力測(cè)試

電流源輸出頻率為50Hz、輸出電流為0～I(xiàn)max，當(dāng)功率因數(shù)為1、電流總諧波畸變＜1%時(shí)，電流源負(fù)載能力應(yīng)不小于0.5 Ω(DL/T 624—1997 中為75 VA)。

交流電流帶負(fù)載能力測(cè)試可分為3個(gè)步驟。

①交流電流帶負(fù)載能力測(cè)試的試驗(yàn)接線

交流電流帶負(fù)載能力測(cè)試的試驗(yàn)接線如圖4所示。

圖4 交流電流帶負(fù)載能力測(cè)試試驗(yàn)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(yàn)參數(shù)設(shè)置

設(shè)定繼電保護(hù)測(cè)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(hù)測(cè)試儀所能輸出的Imin和Imax之間);功率因數(shù)為1(電阻性負(fù)載)。

③檢驗(yàn)方法

測(cè)量各項(xiàng)電壓值，計(jì)算交流電壓的輸出功率。將被測(cè)繼電保護(hù)測(cè)試儀、裝置的標(biāo)準(zhǔn)表、30 A/4 Ω滑線變阻器串聯(lián)，被測(cè)繼電保護(hù)測(cè)試儀電流兩端接入裝置的標(biāo)準(zhǔn)表電壓兩端，調(diào)整負(fù)載電阻由小到大。當(dāng)輸出電流的總諧波畸變率小于1%時(shí)，電流源負(fù)載能力應(yīng)不小于 0.5 Ω。

6 結(jié)束語

繼電保護(hù)測(cè)試儀檢測(cè)裝置的開發(fā)研制實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)測(cè)試儀各項(xiàng)檢測(cè)功能的集成，簡(jiǎn)化了繼電保護(hù)測(cè)試儀的檢測(cè)，解決了長(zhǎng)期以來繼電保護(hù)測(cè)試儀檢測(cè)中存在的檢測(cè)所用設(shè)備多且步驟繁瑣、檢測(cè)項(xiàng)目不全等問題，探索了對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試儀較為規(guī)范的技術(shù)檢測(cè)手段，確保了繼電保護(hù)測(cè)試儀測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，提升了電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平。

［1］中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部.DL/T624-1997繼電保護(hù)微機(jī)型試驗(yàn)裝置技術(shù)條件［S］.北京:中國(guó)電力出版社，1997.

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