一种就地化保护自动检测平台硬件设计与应用

李 涵 宋 宇

一种就地化保护自动检测平台硬件设计与应用

李 涵 宋 宇

（国网江苏省电力有限公司检修分公司，南京 211102）

随着智能变电站建设规模不断扩大，就地化保护装置需求量持续增加，设备生产工厂及检验中心的工作量随之增加，常规的人工检测方式无论是在效率方面还是检测质量方面都存在不足之处，无法满足需求。如何实现对就地化继电保护装置的快速有效检测，已经成为就地化继电保护装置广泛推广应用前需要解决的关键性问题。针对该问题，本文设计就地化保护自动检测系统的硬件平台，对流水线平台与软件操作系统配合工作实现自动运输、投卸技术进行分析研究。

智能变电站；就地化保护；自动检测；柔性插接

0 引言

近年来，智能电网概念的兴起极大促进了智能变电站的建设，就地化保护的新思路应运而生[1]。由于就地化保护装置的测试方法和通信形式发生变化，大量检测工作需要在工厂进行，常规检测方法无法满足工厂化大规模检测需求，这一问题给就地化保护测试工作带来了新的挑战[2]。针对上述问题，本文设计一种就地化保护自动检测平台，以解决就地化保护装置检测方法不成熟、效率低等问题。

1 就地化保护检测系统硬件架构

就地化保护检测平台整体架构如图1所示，该平台采用模块化设计、流水线式检测方式，主要部件包括扫描模块、测试模块、流水线装置、检测控制台。

1）扫描模块

扫描模块的作用是对被测继电保护装置的智能标签进行扫描，读取其基本参数信息，并将该信息反馈给检测控制台。

图1 就地化保护检测平台整体架构

2）测试模块

测试模块的作用是接收检测控制台发送的检测功能指令，向被测继电保护装置输入相应的开关量和电压、电流值，并将被测继电保护装置的反馈量回传至检测控制台。测试模块的输入、输出信号，既可以是模拟信号，也可以是数字信号[3]，一个测试平台通常包括多个测试模块，与流水线装置的检测工位对应，可以根据测试需要投入或投出。

3）流水线装置

流水线装置用于运输及投卸被测继电保护装置。检测控制台将指令下达给流水线装置，电动台依次将被测继电保护装置传输到检测工位进行连接。为了能够适应多种测试方案，真正体现流水线技术的优越性，流水线平台可以设置多个检测工位供测试模块使用，检测工位通过光缆与测试模块通信，通过航插接插件与被测继电保护装置连接。

4）检测控制台

检测控制台是整个测试平台系统的核心枢纽，通过对各部分模块进行合理调度来实现被测装置的运输、测试方案的生成与下达和测试数据分析整个自动闭环检测过程。

2 就地化保护检测系统硬件工作原理

2.1 自动传输装载设计

就地化保护在装置尺寸、通信协议和应用模型方面实现高度标准化，辅以预制航插接口的应用，为测试过程中自动定位和对接创造了条件[4-5]。就地化保护测试可采用流水线自动传输和装载方式，将被测装置接入测试系统指定工位，减少人为干预。

流水线测试平台的流水线装置采用电动滑台的设计，主要由定位工装件、标准航插接插件、、二轴滑轨组成，具体结构如图2所示。

图2 电动滑台示意图

1）滑轨

滑轨采用、二轴滑轨，轴滑轨进行横向移动，用于被测装置与测试模块的工位定位，轴滑轨进行纵向移动，用于被测装置与测试模块的航插接插件对接。当滑轨在300mm范围内移动时，精度误差小于0.03mm，当滑轨在1 000mm范围内移动时，精度误差最大不超过0.1mm。

2）定位工装件

定位工装件用于固定被测装置，对被测装置纵向移动时的精度起决定性作用。由于不同类型的被测装置的接口位置尺寸不尽相同，因此在安装被测装置前，需要对定位工装件进行调整以满足测试需求。

3）标准航插接插件

标准航插接插件的作用是与被测装置进行对接，向被测装置传入开关量和电压、电流值[6]，并将反馈信号回传至检测控制台。由于不能保证不同类型的被测装置在接口设计上绝对一致，因此标准航插接插件在设计上需要留有裕度，采用柔性设计，使标准航插接插件在横向上可以进行小范围移动，柔性接插件示意图如图3所示。同时，为了保证接插件的稳定性，需要采用定位弹簧对接插件进行固定。当被测装置的接口被轴滑轨推入导向槽时，轴滑轨开始工作，使航插接口移动，最终实现被测装置和测试模块稳定衔接。

4）位置传感器

本文设计的流水线检测系统使用光电位置传感器与磁性位置传感器。光电位置传感器用于感应被测保护装置在电动滑台上的实际位置，并将位置数据传输给测试系统，实现对被测装置的实际定位。磁性位置传感器安装在电动滑台的气缸上，其作用是检测测试时接插件的实际位置。当接插件发生机械故障而未处于初始位置时，电动滑台开始运转，会对接插件造成损害。因此，安装磁性位置传感器可以感应接插件的实际位置，当接插件没有回归至初始位置时，测试系统将暂停电动滑台运行，从而保护接插件。

图3 柔性接插件示意图

2.2 流水线检测设计

流水线检测单元控制系统的硬件架构如图4所示，包括主控单元模块、传感器模块、电磁阀驱动模块、伺服电动机驱动模块、通信接口模块和辅助电源模块六个部分。

图4 流水线检测单元控制系统的硬件架构

主控单元的作用是对各工控单元进行合理调度以完成流水线检测；传感器模块的作用是对光电传感器和磁传感器的信号采样处理；电磁阀驱动模块用于驱动电动滑台气缸运行；伺服电动机驱动模块用于驱动伺服电动机带动平台运行；通信接口模块为主控单元和其他模块提供通信服务，其中控制器局域网络（controller area network, CAN）通信用于主控端与各测试接口进行通信，RS 485用于主控端和交流伺服电动机通信以控制电动滑台的运行速度；辅助电源模块为各部分提供所需电能。

被测继电保护装置在通过标签检验后，由电动滑台运至流水线系统指定的检测环节工位，在被测继电保护装置进入对应的工位前，流水线检测系统通过CAN总线发送工位状态，随后流水线检测系统根据当前工位的运行状态判断是否将被测继电保护装置投入，电动滑台推动装置与测试仪完成对接进行检测，检测的结果及对应的工位编号通过CAN总线回传至测试控制台。

3 就地化保护检测系统硬件选型与设计

3.1 气缸及其控制电磁阀选型

因为设计的流水线平台主要进行重复性的水平运动，运动过程较为简单稳定，若采用电缸作为动力执行器，成本较高，且电缸在平台运行受阻时容易被损坏，故选用亚德客公司生产的双轴气缸作为动力执行器，型号为TN32，如图5所示。该型双轴气缸可以适应多种复杂的工作环境[7-8]，能在承受大负载的同时保持动作灵敏，输出转矩线性稳定，保证电动滑台的平稳运行。

图5 亚德客TN32型双轴气缸

电磁阀用于控制气缸动作，当电磁阀内部的电磁线圈通电或者断电时，其产生的电磁力将会控制阀门通断进而控制气缸的开闭[9]。因为流水线的电动滑台仅当运载被测继电保护装置时才会工作，其静止时间远大于运行时间，对应的电磁阀闭合时间远大于开启时间，故采用亚德客公司生产的常闭式直流电磁阀，型号为4V210—08，如图6所示。该型电磁阀采用24V直流供电，最大能够提供0.8MPa压强，具备耐久性好、动作匀速的优点。

图6 亚德客4V210—08型常闭式直流电磁阀

3.2 控制芯片选型

控制板实物如图7所示，控制芯片采用数字信号处理器（digital signal processor, DSP）及复杂可编程逻辑器件（complex programmable logic device, CPLD）的双控制核心架构。DSP芯片选用德州仪器公司的TMSF28377s型，该型DSP作为最新一代的控制处理器，具备最高200MHz的工作频率和400MIPS（million instruction per second）的处理速度。CPLD芯片选用阿尔特拉公司的EPM1270T144型，该型CPLD具备最高333MHz的工作主频，可以并行执行多个任务程序。本文采用DSP负责处理模拟量采样、通信接收发送任务及控制算法的计算任务，采用CPLD负责处理同步回放延时产生的计算任务和驱动波形的输出任务。

图7 控制板实物

3.3 传感器采样电路设计

本文设计的传感器采样电路采用欧姆龙公司PNP输出型光电传感器作为待测保护装置的位置传感器，具体型号为E3Z—LS86，该型光电传感器对干扰信号抑制能力强，动作响应迅速可靠[10]，因此适用于检测被测保护装置的实际位置。

设计的光电传感器的采样调理电路如图8所示，光电传感器采样电路通过端口4接收采样信号，经过主回路处理后输出至后级调理电路，再经过运算放大器后送入DSP处理。运算放大器采用±12V供电，光电传感器采用12V供电，当光电传感器工作正常时，传感器绿色发光二极管LED2常亮，当光电传感器接收到采样信号时，传感器橙色发光二极管LED1闪烁。在光电传感器的1端和4端并联瞬态二极管TVS1用于抑制浪涌电压，防止光电传感器和后级调理电路因瞬时高压而损坏。

图8 光电传感器采样调理电路

磁性位置传感器采用亚德客公司生产的磁性传感器，具体型号为AL—20R，该型传感器控制精度高，灵活性好，适用于侦测气缸实际位置。磁性开关传感器采样调理电路如图9所示，磁性位置传感器采用12V供电，当磁性开关传感器未检测到气缸靠近时，开关处于断开状态，此时输入采样电压被瞬态二极管TVS1钳位至2.8V，DSP检测为高电平。当磁性开关传感器检测到气缸靠近时，开关处于闭合状态，回路导通，磁性开关传感器的蓝色发光二极管LED1和后级采样调理电路的红色发光二极管LED2同时被点亮，由于回路存在导通内阻，此时输入采样电压约为0.5V，DSP检测为低电平。

图9 磁性开关传感器采样调理电路

3.4 电磁阀驱动电路设计

电磁阀驱动电路如图10所示，采用光耦将控制信号和功率信号进行电气隔离，光耦采用安华高公司的HCPL—3120型。金属氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transi- stor, MOSFET）采用威世公司生产的SI7738DP—T1—GE3 MOS管，该型MOS管最大可承受150V电压及30A的持续电流。电磁阀驱动电路工作原理具体为：当DSP输入光耦3脚的PWM信号为高电平时，光耦原边发光二极管截止，进而光耦副边截止，光耦1脚输出低电平，开关管S1驱动信号为低电平，电磁阀停止工作；当DSP输入光耦3脚的PWM信号为低电平时，光耦原边发光二极管导通，使光耦副边同样导通，光耦1脚输出高电平，开关管S1驱动信号为高电平，驱动电磁阀开始运行。为了在电磁阀关闭期间为功率模块提供续流回路，在MOS管的漏极和电源之间并联一个续流二极管VD1。红色发光二极管LED1用于显示电磁阀的工作状态，当电磁阀正常工作时，LED1被点亮。

图10 电磁阀驱动电路

3.5 通信电路设计

1）CAN总线通信电路设计

本文设计的检测系统采用CAN总线实现各模块通信功能，控制器局域网络CAN总线起源于博世公司为汽车开发的通信协议，可以实现由点对点或由点对多的通信方式。得益于成本低廉、对干扰抑制能力好、可以实现远距离实时通信的特点，目前CAN总线已经发展为工业界嵌入式控制局域网的规范现场总线，本文设计的CAN总线通信电路如图11所示。由于DSP本身具有CAN总线数据处理模块，因此只需设计CAN收发器电路即可，本文采用恩智浦PCA82C251型CAN收发器芯片，该型CAN收发器芯片具有最大1Mbit/s的总线差分发射能力和CAN控制器差分接收能力，抗电磁干扰能力高，因此适用于大部分场景。流水线系统一般安装于工厂，厂内不同设备装置会产生干扰，因此需要对CAN总线电路做干扰抑制处理。采用安华高HCPL—3120型光耦对CAN总线接收端和发送端进行电气隔离。瞬态二极管TVS1和TVS2可以有效地抑制接收发送时突然产生的浪涌电压，防止芯片损坏。图11中红色发光二极管LED1和绿色发光二极管LED2用于指示CAN通信信号的发送与接收。

图11 CAN总线通信电路

2）RS 485总线通信电路设计

RS 485协议广泛用于表征数字系统的驱动器和接收器的电气特性，为了对电动滑台的交流伺服电动机进行速度控制，需要在主控和交流伺服电动机之间建立RS 485通信，以传输电机的速度数据和指令信号。RS 485通信电路如图12所示，由于伺服交流电动机处于高功率回路，因此需要进行电气隔离。本文采用德州仪器ISO3082型全双工RS 485收发器，该型收发器自带隔离，无需外置光耦芯片，可以简化通信电路。通信电路使用隔离的5V电源供电以保证通信不受外界信号干扰，使通信信号与电源信号有效隔离。

图12 RS 485通信电路

通信芯片的接收使能端和发送使能端由同一个DSP驱动信号控制，通过程序判断进行通信数据接收和发送的模式选通。将RS 485总线的输出端A上拉电阻到隔离的5V，输出端B下拉电阻至隔离地，可以有效避免噪声信号的干扰，同时使芯片未工作时A、B输出端之间的电压差能保持在200mV以上，设置两个解耦电容以吸收总线上的高频干扰信号。设置瞬态二极管用于抑制RS 485总线上的浪涌电压，防止芯片损坏。为了适应高速、长距离的信号传输，在伺服电动机设置120W的线路匹配阻抗，红色的发光二极管LED1和绿色发光二极管LED2分别为信号的发送与接收指示灯，控制板采用DB9母头的RS 485总线输出接口以匹配交流伺服电动机的通信端口。

4 自动检测平台应用

本文采用搭建的自动测试平台对南瑞继保公司生产的220kV就地化线路保护装置PCS—931A—JG—G进行实际测试。

自动检测平台俯视图如图13所示，底部台面布置二维运动滑轨，工件固定工装安装于运动滑轨顶部。编号1为轴滑轨，编号2为轴滑轨，编号3为定位工装件，编号4为扫描器，编号5为标准航插接插件，编号6为被测继电保护装置PCS—931A—JG—G。

图13 自动检测平台俯视图

定位工装件俯视图如图14所示，编号1为工位的线束固定夹具，编号2为4个航插，可在设定调节范围内左右移动，以满足不同厂家装置尺寸结构的微调。

图14 定位工装件俯视图

平台首先通过扫描模块扫描PCS—931A—JG—G装置智能标签获取装置基本参数信息，然后平台将PCS—931A—JG—G装置运载至对应检测模块的工位进行测试。测试结果正确后可进行下一项测试，最后自动生成测试报告。本平台通过二维码识别读取保护装置基本参数信息的方式替代人工输入，通过流水线运输测试装置至指定工位替代人工安装，将原有约30min的测试时长缩短到约15min，测试效率提升50%。

5 结论

本文设计了一种就地化保护自动测试平台，对于就地化保护装置如何实现流水线自动化式的运输、投卸技术进行了分析研究，给出测试平台的整体架构，阐述了各部分模块的具体功能，对硬件平台主要模块进行选型，并设计了硬件平台的采样调理电路、电磁阀驱动电路、通信电路，为就地化保护自动检测提供了一个高效的检测途径。

[1] 周文越, 李霞, 刘明忠, 等. 就地化保护检验机制的研究[J]. 电力系统保护与控制, 2019, 47(7): 162-167.

[2] 王德林, 裘愉涛, 凌光, 等. 变电站即插即用就地化保护的应用方案和经济性比较[J]. 电力系统自动化, 2017, 41(16): 12-19.

[3] 窦会光, 李俊庆, 周宏军, 等. 智能变电站测控装置自动测试系统开发与应用[J]. 电气技术, 2017, 18(9): 75-80.

[4] 李保恩. 智能变电站继电保护装置自动测试平台的研究和应用[J]. 电力系统保护与控制, 2017, 45(7): 131-135.

[5] 刘巍, 赵勇, 石光. 智能变电站继电保护装置一键式测试方法及系统[J]. 电力自动化设备, 2013, 33(2): 152-155.

[6] 宋爽, 乔星金, 卜强生, 等. 智能变电站就地化继电保护技术方案研究[J]. 电力工程技术, 2018(2): 83-88.

[7] 杨帅, 王开科, 南东亮, 等. 继电保护装置自动化检测系统的研究及应用[J]. 电气技术, 2020, 21(4): 116-121.

[8] 董新涛, 康小宁, 李宝伟, 等. 就地化线路保护技术方案研究[J]. 浙江电力, 2018(4): 36-41.

[9] 秦浩. 电能表检定流水线控制系统的设计与实现[D].杭州: 杭州电子科技大学, 2017.

[10] 詹智华. 智能变电站继电保护动模测试平台建设及测试技术研究[D]. 北京: 中国电力科学研究院, 2015.

Design and application of an automatic detection platform for local protection

LI Han SONG Yu

(State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd Maintenance Branch Company, Nanjing 211102)

With the continuous expansion of the construction scale of intelligent substations, the demand for local protection devices has been constantly increasing, and the workload of equipment production plants and inspection centers has also increased. Conventional manual inspection methods are insufficient in terms of efficiency and inspection quality, which is unable to meet the requirements. How to realize the rapid and effective detection of local protection relays has become a key issue that needs to be solved before the local protection relays being widely promoted and applied. In view of this problem, this paper designs the hardware platform of the local protection automatic detection system, and analyzes and researches the assembly line platform and the software operating system to realize the automatic transportation and unloading technology.

intelligent substation; local protection; automatic detection; flexible plug

2021-06-30

2021-07-26

李 涵（1990—），男，硕士，工程师，主要研究方向为继电保护。