继电保护测试仪检测装置的研发

周 勤 胡海梅 陈克绪

(江西省电力科学研究院1，江西 南昌 330096;江西科晨高新技术发展有限公司2，江西 南昌 330096)

0 引言

目前，国内对继电保护测试仪的检测主要是采用多个高精度多用表测试其交直流电压、电流、频率和相位等电参数的准确度，所用设备种类多、测试步骤繁琐，且无法检测继电保护测试仪的响应速度、同步性、带负载能力以及时间精度等大多数技术参数。这是由于继电保护测试仪的检测涉及继电保护、电测计量、时间计量等多专业领域，要完整地检测继电保护测试仪项目具有一定的难度［4］。近年来，随着继电保护技术的飞速发展，提高对继电保护测试仪的检测技术水平已迫在眉捷［5］。

基于以上原因，本文研制开发了继电保护测试仪检测装置，简化了继电保护测试仪的检测，实现了继电保护测试仪的交直流电压、电流等电参数的高准确度测量，总谐波畸变率、响应速度、同步性、带负载能力和动作时间等功能性技术参数的检测以及关键技术也有了一定的突破。

1 装置的硬件设计及工作原理

1.1 装置的硬件设计

装置硬件组成框图如图1所示。

图1 装置硬件组成图Fig.1 Hardware compositions

装置采用低功耗DSP微处理器和高精度A/D采样芯片(16位高速A/D)及其他交流同步采样电路进行硬件设计，并在所设计的电路中采用DSP+AVR+嵌入式工控机架构。装置包括信号采样电路(采样、信号调理、数据选择)、A/D转换电路、DSP处理器、光电隔离电路、彩色液晶显示器和键盘。DSP专门负责信号的采样、处理和计算等，嵌入式工控机负责数据处理以及8.4英寸(1英寸=25.4 mm)TFT彩色LCD显示和键盘处理。为提高信号采集速度，采用多片高速A/D循环采样技术。光电隔离电路与DSP处理器相连，负责在电隔离的情况下，以光为媒介传送信号，对输入和输出电路进行隔离，抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，提高响应速度。

1.2 装置的工作原理

1.2.1 电参量的计算

电参量基本算法如下。

交流电压、电流有效值为［2］:

式中:N为每个周期采样点数;um为第m次电压采样值;im为第m次电流采样值。

谐波分析为［3］:

式中:x(n)为时域信号;X(k)为频域信号;DFT为数字傅里叶变换=e－jnk2Nπ;x(n)=XR(n)+iXI(n)。

相位为［3］:

式中:Im为X(k)的虚部;Re为X(k)的实部。

1.2.2 装置的工作原理

继电保护测试仪输出的交流电压、电流信号经电压、电流互感器送入信号调理电路，直流电压、电流信号经过直流取样电路送入信号调理电路，实现对交直流电压、电流的取样，并经信号调理电路滤波后，送入双四选一模拟开关进行选择处理。双四选一模拟开关输出的信号送入A/D(6通道16位A/D转换器)转换器进行A/D转换，再由A/D采样芯片将采集到的信号送入DSP处理器进行数据处理、计算。光电隔离电路与DSP处理器相连，将A/D转换信号送入DSP处理器I/O口数据总线。开入量信号经光电隔离电路送入DSP处理器处理，光电隔离电路负责在电隔离的情况下，以光为媒介传送信号，对输入和输出电路进行隔离。DSP处理器与彩色液晶显示器及键盘相连，负责信号的采样、数据处理和计算以及显示和键盘处理。

2 装置的性能指标

近年来，继电保护技术有了飞跃式的发展［5］。目前，大多数继电保护测试仪交直流电参量(电压、电流、相位)精度已达0.2级。频率精度在10Hz＜f≤65Hz时，频率误差为 ±0.001Hz;在65Hz＜f≤450Hz时，频率误差为 ±0.01Hz;在450Hz＜f≤1000Hz时，频率误差为 ±0.01Hz。相位精度已达 0.2°。自主开发的DKY-2105型继电保护测试仪检测装置交直流电压、电流参数测量精度达到0.05级，相位测量精度达0.05°，完全满足对继电保护测试仪的检测。此外，装置对继电保护测试仪的检测的幅频特性(0～1 kHz范围)［6］、总谐波畸变率等性能指标也满足DL/T 624-1997“继电保护微机型试验装置技术条件”的要求［1］。

3 响应速度及同步性测试

装置对继电保护测试仪的输出交流电压、交流电流响应速度(上升/下降速率)和同步性测试须满足以下条件［1］。

①在继电保护测试仪输出电压为Umax时，在阻性负载上可测得电压幅值由10%上升至90%(或由90%下降至10%)，其上升或下降的时间小于120 μs。

②在继电保护测试仪输出电流为Imax时，在阻性负载上可测得电流幅值由10%上升至90%(或由90%下降至10%)，其上升或下降的时间小于200 μs。

③电流与电压输出的不同步时间小于等于100 μs［4］。

当输出电压为75 V、输出电流为5 A时，试验数据如表1和表2所示。

表1 输出电压、电流响应速度的测试数据Tab.1 Test data of output voltage and current response speed

表2 同步性的测试数据Tab.2 Test data of synchronization

4 继电保护测试仪时间精度测试

以往继电保护测试仪时间的检测是难点，最主要的原因是其涉及继电保护、电测计量和时间计量等专业。因此，在对继电保护测试仪检测装置的研发中，继电保护、电测计量、时间计量的专业人士，对继电保护测试仪时间的检测进行了多次试验并成功地测得继电保护测试仪的动作时间。

时间精度测试可分为3个步骤。

①时间检测试验接线

时间检测试验接线图如图2所示。图2中的开出为继电保护测试仪自身的输出开关量，有常开和常闭两种类型;开入为被测装置的接点方式选择，有常开和常闭两种方式。

图2 时间检测试验接线图Fig.2 Test wiring for time detection

②检验参数设置

继电保护测试仪选择能进行测量动作时间的功能。测量时间时设置的变量应能发生突变，即设置的变量从0或额定值突变到动作时间规定的激励量。继电保护测试仪设置如下。

状态1:Udc=10 V(交流电压、电流均为零);开出2断开;开出4断开(或闭合);状态触发条件选择“按键触发”。

状态2:Udc=10 V(交流电压、电流均为零);开出2闭合;开出4断开(或闭合，与状态1相同);状态触发时间选择“开入量触发翻转”。

状态设置完成后，选择“触发故障”后开始测量。

③时间测量的测试结果

时间测量的测试结果如表3所示。

表3 时间测量的测试数据(Udc=14 V)Tab.3 Test data of time measurement

5 继电保护测试仪交流带负载能力测试

由于供电企业对继电保护测试仪交流带负载能力的要求较高，而进口设备带载能力较差，因此，开展对继电保护测试仪的交流带负载能力的检测具有重要的意义。目前国家有关部门正在制订最新继电保护测试仪标准草案，其中就强调继电保护测试仪的带负载能力。

5.1 交流电压带负载能力测试

交流电压带负载能力测试可分为3个步骤。

①交流电压带负载能力测试的试验接线

交流电压带负载能力测试的试验接线如图3所示。

图3 交流电压带负载能力测试试验接线图Fig.3 Test wiring for AC voltage laoding capability

图3中:UA/B/C为依次接入的A、B、C相电压;UN为零相电压。

②检验参数设置

设定继电保护测试仪输出量为三相交流电压，频率为50Hz;输出的交流电压幅值为100 V(继电保护测试仪所能输出的Umin和Umax之间设定);功率因数为1(电阻性负载)。

③检验方法

测量各项电流值，计算交流电流的输出功率。选择1 A、1 kΩ滑线变阻器，被测继电保护测试仪电压端接入标准表电压端，调整负载电阻由大到小，当输出电压的总谐波畸变率＜1%时，输出功率应不小于50 VA。

5.2 交流电流带负载能力测试

电流源输出频率为50Hz、输出电流为0～Imax，当功率因数为1、电流总谐波畸变＜1%时，电流源负载能力应不小于0.5 Ω(DL/T 624—1997 中为75 VA)。

交流电流带负载能力测试可分为3个步骤。

①交流电流带负载能力测试的试验接线

交流电流带负载能力测试的试验接线如图4所示。

图4 交流电流带负载能力测试试验接线图Fig.4 Test wiring for AC current loading capability

图4中:IA/B/C为依次接入的A、B、C相电流;IN为零相电流。

②检验参数设置

设定继电保护测试仪输出量为三相交流电流，频率为50Hz;输出的交流电流幅值为5 A(介于继电保护测试仪所能输出的Imin和Imax之间);功率因数为1(电阻性负载)。

③检验方法

测量各项电压值，计算交流电压的输出功率。将被测继电保护测试仪、装置的标准表、30 A/4 Ω滑线变阻器串联，被测继电保护测试仪电流两端接入装置的标准表电压两端，调整负载电阻由小到大。当输出电流的总谐波畸变率小于1%时，电流源负载能力应不小于 0.5 Ω。

6 结束语

继电保护测试仪检测装置的开发研制实现了继电保护测试仪各项检测功能的集成，简化了继电保护测试仪的检测，解决了长期以来继电保护测试仪检测中存在的检测所用设备多且步骤繁琐、检测项目不全等问题，探索了对继电保护测试仪较为规范的技术检测手段，确保了继电保护测试仪测量数据的准确性、稳定性和可靠性，提升了电网的安全运行水平。

［1］中华人民共和国电力工业部.DL/T624-1997继电保护微机型试验装置技术条件［S］.北京:中国电力出版社，1997.

［2］刘冰，郝庆水，丛振刚.基于单片机的RTU三相交流采样技术［J］.中国电力，2006(10):88 －90.

［3］陈永东.一种基于FPGA的DFT算法实现的研究［J］.遥测遥控，2005(7):53 －55，69.

［4］袁瑞铭，赵景京，丁恒春，等.微机型继电保护测试仪检测技术研究［J］.华北电力技术，2007(6):30－34.

［5］何智平，周铃，张万军.国内市场微机型继电保护测试仪的现状和发展［J］.继电器，2005，33(8):76 －80.

［6］金明，兰勇，袁博强.微机型继电保护测试装置的功能与现状［J］.继电器，2001，29(3):1 －4，46.