一种直流系统多功能测试平台的研究

广西电网公司电力科学研究院 周 卫 黄东山 王晓明



一种直流系统多功能测试平台的研究

广西电网公司电力科学研究院 周 卫 黄东山 王晓明

【摘要】本文介绍了一种直流系统多功能测试平台的研究方法，通过该平台可以模拟直流系统现场的实际工作环境，对直流系统主要运行及检测设备（包括直流系统在线监测装置、充电模块、便携式直流接地查找仪、直流系统分布参数测试仪等）进行测试，实现对直流系统核心装置和主要仪器仪表的整体性能评估，解决直流系统主要设备及测试仪器仪表的入网检测问题，同时解决目前国内直流系统、测试仪器仪表等设备的检测标准和规范滞后或空白的问题。本文重点介绍了该平台下充电机智能化测试模块与绝缘监测装置校验模块的实现方法。该平台为直流系统科研项目开展、直流系统事故回放及分析试验等提供了检测手段。

【关键词】充电模块；绝缘监测装置；分布电容；直流系统校验；开关偷跳

1 概述

1.1 直流系统主要运行及检测设备的运行现状

目前直流系统的主要运行设备及测试仪器的性能指标都是由厂家提供，运行一段时间后性能下降的情况时有发生。其中包括充电模块稳压精度、稳流精度、纹波系数超标，绝缘监测设备电压测量精度电阻测量精度下降、功能不全、选线不准等。这些问题如果长期得不到解决将严重危害到直流系统的安全运行。

1.2 直流系统运行与检测设备测试现状

然而目前直流系统的主要运行设备及测试仪器、仪表由于标准不全、现场运行条件的复杂性等原因，往往无法对设备性能的技术指标进行准确评价。尽管有些分立检测设备可以对直流系统中的部分设备进行检测，但由于本身精度不够，标准不统一，无法对直流系统进行整体评估与分析。

1.3 直流系统多功能测试平台的研究思想

为了解决直流系统测试仪器仪表等设备的检测标准和规范长期滞后甚至空缺，检测设备无法满足要求的问题，研究出一套直流系统多功能测试平台对直流系统中的各类设备进行测试与评估非常有意义。

本文重点介绍了该平台下充电机智能化测试模块与绝缘监测装置校验模块的实现原理与方法。

2 系统结构

2.1 结构组成

直流系统多功能测试平台采用模块化的设计思路，由充电机智能化测试模块、直流系统绝缘在线监测装置测试和评估模块、系统对地电容测试仪检测分析模块、便携式接地查找仪检测分析模块、直流系统分布参数测试模块、直流系统多功能测试装置后台软件组成五大部分组成。

2.2 结构特点

2.2.1 具有优良的可扩展性

模块化的设计思路可以方便的在该平台上添加其它测试模块以对不同类型直流设备进行检测评估。

2.2.2 便于检测设备的维护

各个检测模块之间相互独立，维护方便。

2.2.3 有利于提高了检测仪器的可靠性、稳定性，保证检测精度

各个检测模块内部采用全隔离式设计，排除了相互之间可能引起的电磁干扰，保障了测评平台的可靠性、稳定性与检测精度。

2.2.4 兼顾了便携性与一体化的要求

模块化的设计思想兼顾了便携性与一体化的要求，测评平台中的部分检测模块可以方便的从测试平台取出，以便拿到现场测试分析，分析更加全面。

3 充电机智能化测试模块原理

充电机综合测试模块由三相自动调压模块、纹波高速采样模块及直流可调负载组成，三部分在测试软件的控制下，可完成充电机各项性能指标的测试，充电机综合测试模块组成如图1所示。

3.1 三相自动调压模块原理

3.1.1 三相自动调压模块结构

为了模拟充电机的真实运行情况，三相自动调压器的调压模块采用工频调压器，三相自动调压器由模拟量采样电路、直流电机驱动电路、大功率变压器线包、触屏控制显示电路、RS485上位机通信电路组成，其组成结构框如图2所示。

图1　充电机智能化测试模块结构图

图2　三相自动调压模块结构原理图

3.1.2 三相自动调压模块特点

①工频设计

采用工频调压器，完全模拟充电机的实际运行情况。②电压调节范围宽

在输入380V+-10%范围内可实现输出380V+-15%范围内的三相电压调整，完全满足测试要求。

③三相独立调整

每相采用独立的全隔离控制电路与电机进行调压控制，即使在三相输入不平衡状态下也可实现输出的精确控制。

④分级分时调压控制技术

每相采用了四级PWM调速控制，且三相分时控制，兼顾了调压控制的快速与准确。

3.2 纹波采样模块原理

为了能准确的测量出充电机的纹波有效值系数和纹波峰峰值系数，充电机智能化测试模块配置了高速采样板，可通过USB接口与上位机相连，充电机智能测试软件可实时读取该高速采集卡中的纹波有效值与峰峰值，且于计算被测充电模块的纹波系数。

3.3 直流可调负载原理

3.3.1 直流可调负载模块结构

为了防止在测试过程中因为负载变化对测量结果造成影响，在该模块中采用纯电阻负载。直流可调负载由电压电流采样电路、IGBT负载驱动电路、直流负载及显示控制电路及RS485上位机通信电路组成，其组成结构框图如图3所示。

图3　直流可调负载结构图

3.3.2 直流可调负载模块特点

①纯阻性材料设计

负载材料采用镍铬丝Cr20Ni80电阻丝，抗氧化性好，高温下不变脆。

②16路开关管控制

16路IGBT管控制负载输出，实现了大动态与高精度的控制。

③限时反馈控制技术

有限的反馈次数保证了对充电机进行检测时负载没有任何变化，从而确保检测分析的有效性。

④高精度电压电流采样

采用高精度低温漂分压电阻配合24位ADS1232 AD转换芯片实现了0.1级以上的测量精度，满足检测要求。

4 绝缘监测装置校验模块原理

4.1 绝缘监测装置校验模块组成结构

绝缘装置校验模块由直流程控电源，阻容驱动阵列，阻容阵列，交流自动调压模块，控制器及人机触控操作组成，可对直流系统绝缘装置、便携式接地故障查找仪、直流系统分布参数测试仪等设备的各项性能指标的测试。其组成结构如图4所示：

图4　绝缘监测装置校验模块结构框图

4.2 绝缘监测装置校验模块特点

4.2.1 完备的检测功能

配备两路直流电源，两路电阻阵列、电容阵列及调压模块，可模拟各类绝缘检测设备的运行环境，对绝缘检测设备进行全面测试评估。

4.2.2 高性能程控直流电源

采用隔离RS485控制的程控直流电源，与电压控制或电流控制式电源相比，具有输出稳定，精度高， 控制方便等优点。

4.2.3 全隔离 阻容驱动模式

每一路电阻或电容均采用TLP521光电隔离器配合MC1413继电器专用驱动芯片进行控制，保障了检测 准确性与稳定性，为测试评估有效性提供了保障。

4.2.4 连续可调的交流窜入电压设置

交流窜入电压中从10V—264V进行设置，交流调压采用全隔离电机驱动，配合独有的分级调节 技术及高精度测量保障了交流大范围与精确的输出。

4.2.5 精确的测试电阻

电阻阵列由0.1K到512K的电阻按8421排列模式组合，可实现0.1K—999.9K范围内电阻的模拟测试，每路电阻均采用高精度低温漂电阻，且配置了精密多圈电位器校准。

4.2.6 适应不同检测原理的装置的检测

提供了高速采样模式和低速采样模式进行曲线显示，可对不同工作原理的绝缘监测设备进行检测。

5 直流系统分布电容引起开关偷跳的风险评估模型的建立

由于直流系统中存在分布电容，传统的一点接地不会引起保护误动的观念得以改变，分析直流系统中分布电容大小、绝缘电阻大小与保护动动作之间的关系对于避免直流系统由于分布电容的存在引起保护误动作有很大意义。

该测试平台提供的阻容阵列可以模拟直流系统在各种接地电阻与对地分布电容的情况下对中间继电器是否动作进行分析。

6 直流系统其它设备的检测

上述对直流系统中的充电模块检测原理、绝缘监测装置校验原理进行了详细描述，在该平台下还可以对便携式接地故障查找仪，直流系统分布参数测试仪等设备进行检测。该平台还可通过扩展实现对直流系统中蓄电池维护设备进行检测。

7 总结

本文通过对直流系统多功能测试装置组成原理进行分析，为直流系统中的各类运行检测设备提供了有效的检测分析手段，在该研究方案下设计出的多功能测试平台能够满足直流系统运行设备的检测需求，可广泛应用于电力科学研究机构对现役设备进行检测评估，同时也可用于直流设备生产厂家对自身设备的出厂性能测试。

参考文献

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[3]冯振宇,李传文.论直流系统环网故障判断及查找技术[J].科技创新导报,2013(12).

[4]邱健斌.工频交流串入直流系统引起误动的分析与处理[D].华南理工大学,2013.

周卫（1984—），男，湖北荆门人，工程师，工学硕士，主要从事电力系统继电保护研究、开发及技术监督与技术检查工作。

黄东山（1971—），男，广西柳州人，高级工程师，工学硕士，长期从事电力系统继电保护检修、研究、开发及技术监督与技术检查工作。

王晓明（1984—），男，山西平遥人，助理工程师，工学硕士，主要从事电力系统继电保护工作。

作者简介：