继电保护微机型测试仪的研究与实现

发布日期：2021-04-19　点击：3145次

摘要： 继电保护是当电力系统中电气元件或设备发生故障时将故障元件从电力系统中切除,使故障元件免遭更大破坏,并使电力系统尽快恢复正常运行。继电保护测试装置通过输出交流三相电压、电流来模拟电力系统中的各种故障,并测试继电保护及安全自动装置当故障发生时对故障的响应状态和响应速度,因为继电保护装置保护动作的及时性、选择性和准确性将直接影响电力系统运行的稳定性和可靠性。随着电力系统自动化技术的不断发展,对电力系统继电保护装置的要求也随之提高,传统电磁式继电保护测试装置已很难对继电保护装置的各方面特性进行全面测试,不再适应技术发展的需要。

本文提出的SFTP-43B微机继电保护测试仪是在充分调查和研究国内外继电保护技术和继电保护测试装置技术发展的基础上,根据电力系统对微机测型继电保护试装置在模拟电力系统各种故障、故障再现、故障波形质量、智能化综合测试、测试装置的校正和输出监视、测试的灵活性和可操作性等方面的技术要求,制定了研究和设计目标。

在充分研究电力系统中各种故障本质上异同的基础上,并考虑系统负载阻抗特性、线路分布参数和故障点接地电阻对故障响应的影响等因素,建立了能够真实反映电力系统实际运行状况的恒定电源(系统)阻抗的故障仿真模型。根据继电保护装置在功能和定值测试方面的需要,针对各种继电保护装置设计了方便快捷的测试方案和测试过程,实现继电保护装置的模块化和自动化,并设计出具有普遍适用性的两种基本测试方法：顺序测试和搜索测试。

论文根据当前微机型继电保护测试装置在系统结构上存在的不足,SFTP-43B微机继电保护测试仪以充分发挥微型计算机软件开发和微处理器硬件操作两方面的优势为设计思想,建立了由微型计算机系统、微处理器系统和功率驱动模块构成的系统结构。微型计算机系统是测试操作的主体,具有友好的操作界面、完备的显示功能、直观的操作控制平台；微处理器系统由电流电压波形输出通道、开关量输入输出通道、信号检测回送等单元构成,完成故障模拟信号输出、继电保护动作监视和信号精度校验等功能；功率驱动模块则对微处理器系统的输出信号进行电流电压驱动,以满足测试装置在测试信号功率方面的要求。测试装置中,以CPLD为基础构建了微处理器系统,除了微处理器、存储器等专用的功能性器件外,系统中的其它电路如系统控制、译码及读写控制、总线驱动的控制、任意信号发生器AWG、IO接口等电路都在CPLD中实现。为了解决存储器需求和微处理器寻址能力之间的矛盾,在研究了存储器的扩充方式后,提出了一种扩充系统存储器的方法,在微处理器64K存储器寻址空间中,采用存储器映象(memory mapping)技术,配置了总容量超过lM的系统存储器,并且保持了处理器对存储器操作的灵活性。

继电保护微机测试装置的核心是通过D/A转换器产生模拟电力系统故障状态的三相电流和电压信号,信号的质量将直接影响继电保护微机测试装置的性能指标。设计具有幅值和相位变换灵活、高频率分辨率和频率稳定性的任意波形发生器AWG是继电保护微机测试装置的关键。论文首先利用Labview总谐波失真模块分析了D/A转换器的字宽和数据输出速率与信号波形质量之间的关系,为AWG中D/A转换器电路参数的选择提供了依据。在AWG的设计中,应用了直接数字频率合成(DDS)技术,以硬件电路取代了计算机的软件控制,使AWG操作灵活、功能强、技术指标高、信号稳定度好。采用了级连模式的在D/A转换器,使AWG在全量程范围内都保证信号输出的高分辨率。应用DDS技术设计的频率合成器为AWG提供了高质量的频率信号源,使AWG产生的周期信号在较大的频率范围内频率连续可调,并具有很高的频率分辨力。在研究分析电力系统中电磁干扰源和干扰传播途径的基础上,RT-3继电保护微机测试装置在硬件和软件的设计中采取了一系列抗干扰措施。针对电源中的尖峰冲击、高频脉冲干扰,采用瞬变电压抑制器、电源滤波器和电路串接铁氧体磁环等措施抑制干扰。在信号输入输出通道采取滤波、隔离、屏蔽、接地等措施,一方面消除、抑制电磁干扰,同时也有效地减小系统自身产生的辐射干扰。在软件设计中,应用防止系统因干扰而死机的程序设计方法、程序的容错性设计和系统数据的安全性设计等软件抗干扰技术,对系统的输入、输出通道采取数据滤波等增强系统整体抗干扰能力的方法。

经过两年多的工作,SFTP-43B微机继电保护测试仪已基本完成了预期的目标,在建立较完善的故障模型的基础上,实现了信号的谐波叠加、任意周期幅频特性和线性度、测量精度和系统自校正等方面的技术指标,能够模拟输出电力系统各种周期性或非周期性故障状态,完成继电保护装置单项和智能化综合项目的测试,并且装置具有体积小、功能强、性能指标高、保密性强的特点,设计中兼顾系统的电磁兼容性,装置的抗干扰能力强,具有较高的可靠性和稳定性,在高压和大电流现场环境下顺利完成试验运行。