便携式变配电所微机保护电流测试仪的研制

李学山,陈崇海

(1.大秦铁路股份有限公司，山西 大同 037005;2.北京浩天中胜科技有限公司，北京 100029)

便携式变配电所微机保护电流测试仪的研制

李学山1,陈崇海2

(1.大秦铁路股份有限公司，山西 大同 037005;2.北京浩天中胜科技有限公司，北京 100029)

基于微机保护的综合自动化系统在铁路变配电所得到普遍的应用。微机保护的高可靠性，使得传统的继保测试方式已经不完全适应运行的需要。通常情况下只需要测试仪器能够提供一路幅值可调的交流电流就可以满足电流传动试验的需要。为提高生产效率，减轻继保试验人员负担，讨论了一种针对变配电所综自系统微机保护电流测试的便携式小型测试仪的设计，以满足微机保护装置电流传动试验的需要。

便携式；微机保护；电流测试；设计

1 引言

随着电力电子科技的发展，为了满足高速、重载电气化铁路列车运营的可靠性要求，牵引变电所已普遍采用微机保护，以大秦线、北同蒲线铁路为例，所有的牵引变电所以及分区所、AT所等都采用了微机保护的方式。微机保护的高可靠性，进一步保障了牵引供电系统的安全运行。由于微机保护装置的不间断长时间运行，其输入采样回路、保护出口回路、自身工作电源等也会出现偏差与损坏。所以，有必要按周期对其进行可靠性测试。

2 现状调查

微机保护的应用使二次回路大大简化，同时也大大减轻了检修人员的负担。由于微机保护装置属于长时间不间断运行，为了确保微机保护的可靠性与准确性，还是需要定周期对其进行传动试验测试。基于微机保护的高可靠性理论—对于单个微机保护装置而言，只要前端各回路的采样值准确，任一回路的任一保护出口良好，就可以确定装置是完好的。也就是说，微机保护可靠性是基于微机数学运算与逻辑运算的，对于同一保护回路的各个保护，只要有一项保护是准确可靠的，就可以确定本回路其他项保护也是准确可靠的。

目前微机保护装置的测试均采用微机保护综合测试仪进行，该仪器主要的特点是功能全面、可进行所有类型保护的校验，但这类仪器体积较大、非常笨重且价格昂贵，需要外接电源、配套笔记本电脑等，现场使用很不方便。而且微机保护综合测试议的很多功能在现场实际测试中用不到，多功能设计存在很大的浪费。

为提高生产效率，进一步减轻检修、试验人员负担，本文讨论了一种针对牵引供电综自系统二次传动测试的微型试验仪的设计，用以满足牵引供电综自系统绝大多数的测试需要。

3 技术方案

便携式微机保护电流测试仪采用大容量磷酸铁锂电池做为电源，通过PWM及SPWM两级逆变，并通过简单实用地人机交互对内部逆变电路进行控制，提供电气回路传动试验所需要的交流电流。总体技术方案原理框图如图1所示。

图1 方案原理框架图

3.1 电源选择

为保证仪器的安全可靠，采用磷酸铁锂电池作为电源，为逆变及辅助回路提供电能。磷酸铁锂电池具有容量大、放电倍率高、工作温度范围宽、不燃烧、不爆炸等特点。

3.2 主回路

要实现0～20A的宽范围交流电流输出和0.01A的输出精度，如果单一采用基于软件实现的SPWM方法，受制于单片机定时器位数及功放MOS管开关频率和开关损耗，无法达到这一目标。因此主回路采用DC-DC-AC的方法，在SPWM逆变的前级加入PWM调压，实现0～32V的直流输出。SPWM逆变一级采用固定最大占空比，即固定使Uout等于Uin/ 3^(1/2)。SPWM一级只负责DC-AC的逆变，不再执行调压的任务。这样，经过DC-DC-AC两级调压及逆变，即解决了单一SPWM逆变调压困难的问题，又使得输出电流的精度满足要求。

3.3 交流电流反馈

为了在输出端得到稳定的交流电流输出，在输出端与DC-DC变换级之间引入电流PID调节。在输出回路的末端，用霍尔交流电流传感器进行采样，对应输出0～5V的电压信号。将此电压信号送到单片机进行AD转换，计算出电流的大小。单片机对输出电流与目标电流值进行比例运算后，控制DA芯片的输出，用DA芯片的输出来调节DC-DC一级的输出电压，最终形成一个DC-DC-AC的闭环结构。

4 硬件构成

本技术方案拟定装置硬件结构分为7个部分：锂电池组、直流调压单元、交流逆变单元、辅助电源、中央控制单元、滤波电路、显示单元。结构框图如图2所示。

图2 硬件结构组成图

4.1 PWM直流调压单元

PWM的全称是Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)，它是通过改变输出方波的占空比并通过电感电容的滤波来得到等效的输出电压。这里采用AX3304作为控制芯片，功率放大管采用IRF1010。为克服AX3304驱动电流的不足，中间采用安捷轮公司高速光耦HCPL4504对驱动进行放大。为了实现中央控制单元对DC-DC一级输出的控制，以得到最终想要的输出电流，在AX3304的电压反馈端加入一级LM358运算放大电路。将控制电压加至同相输入端，将DC-DC输出的反馈电压加至反相输入端。

图3 直流调压单元原理图

4.2 SPWM逆变单元

SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation——正弦波脉宽调制)是一种比较成熟的,目前使用较广泛的DC-AC电源变换技术。采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。其原理如图4所示，当图(a)的电流脉冲经过电感或电容惯性器件的滤波后，最终输出波形与图(b)基本相同。

图4 SPWM控制原理图

逆变单元，采用EGS002板卡。EGS002 是一款专门用于单相纯正弦波逆变器的驱动板。采用单相纯正弦波逆变器专用芯片EG8010 为控制芯片，驱动芯片采用IR2110S。只需要在电压反馈端给以固定的低电压，便可使其始终工作在最大输出状态。

4.3 中央控制单元

中央控制单元采用PIC16F877A单片机做为核心，实现整个逆变流程的控制、显示、采样、计算和人机交互等。

4.4 辅助电源

辅助电源部分采用两片PWM芯片LM2596，将电池输出的32V电压分别转换为5V、12V输出。其原理图如图5所示，其中1为输入端。

图5 辅助电源结构图

5 软件设计

主程序完成单片机的总体功能设定，控制子程序的工作流程。软件结构流程如图6所示。

图6 程序软件流程图

DC-DC控制子程序：单片机根据设定的初始值与AC输出电流采样相比较，控制DC的输出电压。输出值小于设定值则调节增大DC的输出，一直到输出值等于设定值时停止调节。数显子程序：采集AC的输出电流值，经计算变换成BCD码送到译码器。手动调节子程序：采集按键的信息，做出增大，减小输出值的控制，采集设定信息，完成设定值的显示。采样子程序：采集输出电流信号，经过AD转换，送显示并控制输出的调整。AD转换子程序：将采集的模拟量转换成数字量。按键子程序：采集按键的信息，根据按键的动作情况完成相应的子程序调用，实现相应的功能。计算子程序：根据按键值，采样值，设定值，完成相就的计算并送输出显示。

6 结束语

按本思路试制的便携式微机保护电流测试仪总重不超过10kg，经在大同西供电段检修车间一年多时间的试用，仪器输出电流的范围与精度都能够满足微机保护电流测试的需要。由于其使用简单，操作方便，大大提高了检修试验的效率，减轻了检修人员的负担。

[1] 廖晓钟.电力电子技术与电气传动[M].北京:北京理工大学出版社,2000.

[2] 熊军华，王亭岭.SPWM的软件实现[J].华北水利水电学院学报,2009,1.

Development of Portable Microcomputer Protected Current Tester for Power Transformation and Distribution Station

LIXue-shan,CHENChong-hai

(1.Datong Railway Co.Ltd.,Datong 037005,China;2.Beijing Haotian Zhongsheng Science and Technology Co.Ltd.,Beijing 100029,China)

The integrated automation system based on microcomputer protection is widely applied in railway power transformer and distribution station.The high reliability of micro-computer protection makes the traditional way of relay Protection test can′t fully meet the needs of the operation.Usually the tester providing one way adjustable amplitude of alternating current can meet the needs of the current driving test.In order to improve the production efficiency and reduce the burden of relay protection testing personnel,this paper discussed a kind of protable tester′s designation of the integrated automation system of power transformer and distribution Station microcomputer protection test in order to meet the needs of the current driving test of the microcomputer protection device.

portable;microcomputer protection;current tests;design

1004-289X(2015)02-0045-03

TM63

B

2014-12-22

李学山(1970-)，大秦铁路股份有限公司大同西供电段，高级工程师。 陈崇海(1978-)，北京浩天中胜科技有限公司，工程师。