[科普中国]-继电保护实验仪校验装置

简介

目前，保证电网安全稳定的运行己成为保障工矿企业安全生产、保持和推动国民经济持续增长和社会不断发展的重要因素之一，而继电保护装置在保证电网安全工作过程中起到决定性作用。因此，继电保护装置安全运行尤为重要。

用继电保护实验仪检定继电保护装置性能是目前最有效的检定方法。继电保护实验仪属于标准值传递设备，使用一定时间后其自身性能会降低，准度下降。为此，电力行业标准《继电保护微机型试验装置技术条件》提出，要定期对其指定性能参数进行检定、校验。

为解决国内目前仍使用多台通用仪器分别检定、校验继电保护实验仪相应指标的传统方式造成的效率低下、携带不便等问题，采用微处理器、集成电路等先进技术，设计测量交、直流电量和开关动作时间等参数的继电保护实验仪校验装置。文中详细描述了装置的总体结构设计、硬件电路和软件设计，给出各项指标的测试方法及测试数据，完成样机制作。

研究背景和意义随着我国电力工业的迅速并可持续发展，保证电网的安全稳定运行己成为保障工矿企业安全生产、保持和推动国民经济持续增长和社会不断发展的重要因素之一。从国内外的事故案例可得出以下结论:一旦大型电力系统因自然或人为发生故障，若不能及时有效地得到控制，将导致电网瓦解，造成大面积停电，影响社会的正常运转，甚至带来无法估量的灾难。如2011年2月4日在巴西东北部电网发生大规模停电事故。Luiz Gonzaga-Sobradinho C1线路和母线1间的开关失灵保护装置发生误动，导致这两条线路跳闸，引发此事故。约有4000万居民生活受到影响，直接与间接经济损失约合6000万美元 。国内大大小小的事故也有发生。如华中电网“7.1”事故。此时事故发生和扩大的直接原因是SOOkV篙郑且线保护装置发生误动作和SOOkV篙郑工线“过负荷保护”设置错误。REL-561且线保护误动跳闸lOs后，工线“过负荷保护”装置被错误设置为跳闸而不是“报警”，导致工线跳闸，同样，处于3/2接线同一串的白郑线也随之跳闸，系统形成N-4故障l2];2010年2月，我国全国迎来连续大范围雨雪天气，华北、华东、华中等地电网SOOkV线路和西北电网330kV线路数次跳闸，导致河南龙岗、山西电网风陵渡、陕西电网铜 等地电厂停电，送出通道全失。

从以上事故中我们认识到，保证电网的安全稳定运行是电力系统工作人员必须高效完成的工作，而继电保护及其自动化装置是在保证电网安全稳定运行工作中起到决定性作用的二次设备，在电力系统中应用广泛。然而，继电保护装置不安全运行同样会造成电网事故。从近几年的继电保护责任事故分析，60.3%的不正确动作事故是因运行维护不当造成。所以，继电保护装置的维护工作是非常重要的，这样就形成了继电保护测试技术，其最好的测试手段是使用继电保护实验仪。继电保护实验仪，是用来检测、校验各种继电保护装置的动作值正确与否的专用仪器，通过检测各种继电保护装置对所输入的模拟故障现象的物理量的反应速度、反应时间、是否动作、动作时间的长短，等等，来判断各种继电保护装置是否满足预定的设计、保护工作要求，并对其进行调试、校准。在科学技术的不断进步的大环境下，新型继电保护装置特别是微机保护装置得到广泛应用，到目前为止，微机保护装置使用率己经超过97%。而电力系统向智能化迈进的步伐促使继电保护的发展从智能化、网络化逐渐走向模块化。因此，对继电保护的测试技术和测试仪器提出了更新、更高的要求。目前，涉及计算机、自动测试等先进技术的新型继电保护实验仪作为检定、校验微机继电保护装置的配套设备应运而生，实现数字控制，智能运行，现场可编程测试。

由于继电保护实验仪属于标准值传递设备，使用一定时间后其自身性能会降低，准确度下降。因此，电力行业标准《继电保护微机型试验装置技术条件》提出，要定期对其指定性能参数进行检定、校验。同时，国家最新发布文件《电力系统继电保护技术监督规定》要求，为保证电网安全稳定运行，必须做好对保护装置进行定期检验工作。同时，对电网实际运行情况进行考察，发现存在明显缺陷或不足以对电网安全运行起到保障作用要求的保护装置应对其进行逐步替换，以促进技术进步，保证设备的运行水平和完好率得到提高。因此，非常需要一种专用继电保护实验仪校验装置，使继电保护实验仪的检定、校验工作精确、高效。

国内外研究现状国际市场尚未出现专用继电保护实验仪检定、校验装置。在国内，有关继电保护实验仪校验技术的研究和校验装置的开发，刚刚引起人们的关注，处于理论研究和准备开发的阶段。如2007年华北电力科学研究院有限责任公司袁瑞铭、赵景京等人发表《微机型继电保护测试仪检测技术研究，指出了对于稳态参数、暂态参数方面技术参数的传统测试方法:测量交流电量的幅值准确度和幅频特性用数字式高精度多用表，用相位频率计测试电压电流相位，用记忆示波器测试响应速度，并提出使用精密时间合成器(TFGSOlO1T)作为时间标准，与实验仪进行比较，完成时间测量准确度的测试。这种检测方法存在诸多问题，如数字多用表均为单相输入，每次只能测量一相电量，测试三相必须多次接线换线，并需要人工记录原始数据等等。针对这些问题，华北电力科学研究院责任有限公司下属电气测量技术研究所设计了基于TPZ303记忆示波器和时间合成器的测试系统方案，该方案实现了微机型继电保护实验仪的自动检测，在拓宽检测项目方面奠定了技术基础。中国青年政治学院2009年发表文章《微机型继电保护测试仪自动检定系统》，所描述的系统具有电量输出、开关量输出、开关量检测等功能，系统硬件组成包括主控计算机、TPZ303三项精密电工测试仪、TDS2024高速记忆示波器和TFGSOIOT高精度时间合成器等等，成功解决了不可控仪器的数据通信与软件控制问题，经过测试，其测试结果良好，为实现仪表检定的自动化提供了良好范例。但需要使用德国和美国的高性能仪器，使得系统占用空间大，不易携带，而且整体系统费用不菲。2008年6月，哈尔滨理工大学发明专利《继电保护实验仪校验技术及装置》(200810064450.1)被国家知识产权局公开、实审。所述校验技术及装置除可以检验、调整各项实验仪的电量技术指标外，还可对诸多项主要技术参数如开关动作时间、重合闸时间(包括测量范围、分辨力、准确度)和周期、频率等进行准确测量，实现了对校验继电保护实验仪的各项功能的集成，简化了校验工作，解决了长久以来校验工作中存在的所用设备数量和种类多且步骤繁琐、校验项目不全等问题。2009年2月25日，哈尔滨理工大学的实用新型专利《继电保护实验仪校验装置》(ZL 2008 2 0089909.9)被国家知识产权局授权、公布。兰州理工大学电力系统及自动化专业研究生李建海和王灿分别于2008年和2009年发表论文《继电保护测试仪检验分析装置的开发》和《继电保护测试仪模拟故障信号分析装置的设计》。作者研制出一套用来检验分析微机型继电保护测试仪的装置，进一步解决了包括相位、序分量和多通路交流量测量等问题。其后，南昌航空大学于2010年发表论文《继电保护测试仪检定装置的研究与实现》，上海市质量监督检验技术研究院于2012年发表文章《微机继电保护测试仪校准方法》l20]等等，都提出较好的校验方法，但是都存在接线操作较复杂、时间参量校验分辨力不够高等问题。除上述单位发表过学术论文以外，再无其它单位完成了相关的研究。目前，继保工作者对新型实验仪校验、检定仍采用校验传统模拟式实验仪的技术和设备，即根据中华人民共和国电力行业标准的要求，对技术指标需分别进行校验，如使用数字式高精度多用表或数字示波器测试电量指标，用高级数字存储示波器测试开关动作时间，等等。这种方式所需仪器品种多，一次全部带到校验现场十分不便，并且接线、操作复杂，工作效率低，影响了在电网布线现场测试继电保护装置安全运行情况的工作进程，并且全部仪器购置费用也较昂贵。有些经济实力较强的单位则使用精度等级更高的继电保护实验仪对其进行测试、校准，其测试结果受被测装置性能的影响较大，且大都是价格非常昂贵的国外产品。

在国外，工业设备的测试、校准多采用军方淘汰的通用化自动测试系统 (TPS)完成，如美国的MATE自动测试系统，以VX工总线规范和工业标准为硬件测试平台的GTS3000自动测试系统，等等，其自动化程度高，测试周期短。共同的测试策略是通用化自动测试系统设计的目的，从设计过程开始，通过“增值开发”的方式使前一阶段的开发成果能够被后一阶段测试设备的研制利用;能够移植，软件模块甚至系统可以复制使用是TPS必须满足的条件;使用商业通用标准、成熟的仪器设备，缩短研发周期，降低开发成本，并且易于升级和扩展。但这种系统实际的通用性和灵活性并不理想，如MATE测试系统，不是开放的通用结构，不能及时采用工业先进的产品，这样造成费用的增加，还有技术上的严重滞后，最后该系统停止使用1。虽然GTS3000吸取了MATE的教训，但需要对指定型号的被检设备进行系统测试装置调整和测试程序修改，测试仪器型号有差异，测试系统和测试程序集就需要变动、修改，而新程序的开发周期长，增加了其在寿命周期内的维护成本。随后，美国制定了开放性自动测试系统结构标准，从此自动测试系统开放性得到了极大改善。至此，国外进入了开放的通用型自动测试系统时代，并在向网络化自动测试系统方向不断完善。目前，通用型自动测试系统广泛应用于各类产品(器件、部件、电路板、设备或系统)从设计、生产到使用维护的各个阶段。国内目前所处的情况是:较差的系统模块化、标准化基础，开放性、通用性、综合能力欠佳，顶层设计在可测试性方面缺乏系统考虑和规范化要求等。尽管多年来，我国在该技术方面的提高己经通过借鉴和吸收外来的方式卓见成效，但构建系统的设备投资需要十几万美元，昂贵的价格很难被国内用户所接受，这无疑为国内的研究发展形成阻力，因而至今与国际先进水平仍有很大差距。

总体方案设计随着科学技术的持续发展，微机型继电保护实验仪己紧随继电保护向智能化快速迈进的步伐占领市场，并向着数字实验仪趋势迈进，对继电保护实验仪校验的传统方式己经远远落后。因此，对继电保护实验仪的校验技术研究及校验装置研制对电力工业安全发展具有实在的应用价值与学术价值。

保证继电保护装置安全运行前文中己经提到，继电保护装置一旦不能安全稳定运行，失去其所具有的选择性、速动性、灵敏性和可靠性其中一个或几个，都会造成电力系统出现重大事故，轻则大面积停电，重则导致连续的其它灾难，后果不堪设想。因此必须强化电力系统继电保护安全运行的有效对策，第一点就是要做好对继电保护装置的维护和检修工作，对继电保护装置检定工作要做到高质量、定期执行;其二就是在安装保护装置前先对其进行测试检验，选择质量合格的设备安装。这些工作都需要使用继电保护实验仪。

继电保护实验仪市面上出现的继电保护实验仪分为两大类，一是常规型模拟式继电保护实验仪，第二类则是应用了微处理器等先进技术的智能型继电保护实验仪。智能型继电保护实验仪的智能程度高低不等，分为单片机型和微机型。由于微机型在智能度、性能、价格等主要参考点快速提升，单片机型被迫逐渐淡出市场或与常规型合二为一，代表产品为平度华宝电气有限公司生产的HB-B++继电保护实验仪。因此微机型基本等同于现代智能型实验仪。随着新技术新材料的不断涌现，微机型继电保护实验仪逐渐成熟完善起来并不断发展，市面涌现的微机型继电保护实验仪种类型号越来越多样化，己形成一套完整产品体系，适用于从企业到供电部门、性价比从低到高。国内现场使用的微机型继电保护实验仪输出一般从单一的三相电压三相电流到多功能六路电压六路电流，一般的企业、供用电部门用三路电流四路电压的微机继电保护实验仪，如武汉华电国威的GWJB-802就足够用了;如华豪电力生产的HB-K20086和武汉豪迈电力设备公司生产的继保之星1200等，能够同时输出六路电压六路电流的实验仪，主要适用于要求对变压器差动试验三相同时操作的使用单位。

阅读上述多种继电保护实验仪的使用说明，分析其功能、测试项目和测试实验方法，总结出实验仪的主要功能是:在预先设定的测试实验条件下，继电保护装置接收实验仪产生的相应测试电量信号，检查继电保护装置是否能对该信号作出正确的动作，完成检测继电保护装置的任务。

测试实验过程主要分为三个步骤.

1.选择测试功能。首先根据试验目的选择相应的被测继电保护装置以及相对应的试验模块(通过概述图中的标号1, 3, 4和6等人机操作界面完成)。其中包括:试验项目、故障电流、整组试验仿真包括三相短路、两相短路、单相接地、两相接地等故障类型和相应的开关输出量设置。相关试验参数的设定要与故障类型相吻合。

2.测试条件及参数设置。在试验条件设置完成并且还未开始测试时，需要更改某些设置条件，重新设置该项实验参数。如果对设置的实验条件没有其他要求，根据实验要求设定的具体条件和参数，产生实验数据，输出实验结果，计算实验不同阶段所需不同电量信号的各个数值，将数据送往数模转换芯片。当上述工作完成后以后，即可进入实验阶段。

3.实验开 始后，三相交流电压、电流以及3Uo, 3Io的直流数据流由测试软件程序送出，数据流经过数模转换、功率放大处理之后转换为数值对应的模拟信号，流经模拟量输出电路，通过图中标号7、标号8和标号10输出端子输出(动作时间测试过程中电量输出端会与开关输出量端口连接，通过1, 2端子输出)。与此同时，继电保护装置会通过反馈信号对实验仪不断进行反馈，实验仪根据反馈信号所表示的动作行为进行相应的处理。在实验过程中需要设置标志位，这是根据继电保护装置的动作信息设置的，不同的动作有不同的标志位，在得到实验需要记录的信息后，可自动从实验中退出，处理实验结果并输出，完成测试任务。

了解继电保护实验仪的操作界面设置、功能及工作过程，对于设计功能更加完善的继电保护实验仪校验装置很有帮助。

校验装置对实验仪校验的方法根据继电保护实验仪的测试功能、工作原理及工作过程，确定本校验装置应能够对继电保护实验仪电量输出及开关动作时间测试等功能进行校验。校验装置对继电保护实验仪的校验接线方法如图2-2所示。

电量输出功能校验将被校继电保护实验仪电量输出端子与继电保护实验仪校验装置电量输入端子对应连接，如图2-2中虚线部分所示。校验继电保护实验仪直流电量输出时，通过对继电保护实验仪输出电量范围内的多个输出量进行测量，并多次测量某一输出量，计算出记录数值的平均值，以此为标准值，与继电保护实验仪设定值进行比较;本校验装置交流测量显示值为有效值，因此，校验继电保护实验仪交流电量输出时，如果实验仪显示器显示为有效值，则直接比较设定值与钡」量值，如果显示为峰值，则将测量值换算为峰值后再与设定值进行比较，计算实验仪电量输出功能的误差。通过上述方法对继电保护实验仪电量输出功能进行校验。

开关动作时间校验继电保护实验仪对继电器进行测试的方法为:将继电保护实验仪开出量端子及其公共端与继电器连接，开入量端子及其悬浮的公共端与继电器动作接点连接，继电保护实验仪输出不断增加的电量，达到一定幅值时继电器动作接点动作。根据这一过程，确定本校验装置对试验仪的校验方法为:将被校验继电保护实验仪开关输出端子、开关输入端子与继电保护实验仪校验装置开关输入端子、开关输出端子对应连接，如图2-2中实线部分所示。首先设定校验装置定时时间，等待被校实验仪开出量端口输出启动信号。当启动信号输出后，被校实验仪开始计时，同时校验装置开始倒计时，并在显示器上显示。倒计时结束后，由校验装置开出量端口输出停止信号，被检装置同时停止计时，以校验装置设定值为标准值，对比两个时间值，计算出实验仪定时功能的误差，实现对实验仪动作时间测试功能的校验。

校验装置总体结构根据上述校验方法，确定继电保护实验仪校验装置主要结构应包括嵌入式微处理控制器(MCU、交/直流(AC/DC)变换、模/数(A/D)转换、数字信号识别与处理、控制逻辑、精密时基和人机界面等单元，有机融合计算机、自动测试、信号识别等先进技术，能够完成对实验仪电量输出、动作时间测试等功能的测试校验任务。

继电保护实验仪校验装置总体结构校验装置主要包括两个处理通道。一是输入的电量信号经过输入模块调整为与电路测量范围相匹配的值后接入信号变换模块处理，然后送入A/D转换模块，再经光电祸合器接入微处理器进行运算处理，通过液晶显示器(LCD)显示相应数值，完成对电量的测量。另一个通道是动作信号经过输入模块调整为与电路匹配的输入信号，送入动作信号识别模块，转换成微处理器可识别的数字信号，并由微处理器进行相应操作，控制输出模块输出控制信号，实现对动作时间的校验工作。人机界面包括液晶显示器和操作键盘。

技术指标根据电力行业标准的要求，本课题设计的继电保护实验仪校验装置各校验

功能技术指标如下:

交流测量:0一19.999A一199.99A

0一1200.0V 0.5%士1个字

直流测量:0 -0.19999A一19.999A

0一1200.0V 0.2%士1个字

通电(断电)动作时间测试:

0.1 0000s一1.00000s一10.0000s一100.000s 0.002%士1个字

微处理器及外围电路设计微处理器及外围电路是校验装置的大脑，是驱动校验装置各个功能的核心部分。只有合理分配各个I/o口，充分利用微处理器的各项功能，才能使这个核心发挥出其应有的作用。

附录工中所示电路图为本校验装置的微处理器及外围电路图。图中包括了微处理器、晶振、复位电路、实时时钟电路、液晶显示电路和各个电路接口，包括与A/D转换驱动接口、小信号继电器控制接口、动作信号识别接口、液晶显示接口以及上位机通信接口等。

宏晶科技推出的新一代STC90C51 RC/RD+系列单片机，可工作在12/24MHz频率、12/6周期下，并且超强抗干扰、高速、低功耗，指令代码完全兼容传统8051单片机。

STC90C58RD+是该系列单片机中的一个型号共40个引脚，其内部结构包括:其用户应用程序空间为32K字节，足够存储校验装置使用的显示器生成的字模代码;片上集成1280字节RAM，保证系统软件运行流畅;35个通用I/O口，为实现系统各功能控制提供充足的控制引脚;内置ISP/工AP功能;片内集成29K EEPROM，为用户记录数据提供足够的存储空间;内置看门狗;内部集成MAX810专用复位电路;包含16位定时器/计数器。

T0, T1, T2，其中定时器TO还可以作为2个8位定时器使用;拥有4个中断优先级，8个中断源，其中电平下降沿或低电平触发外部中断4路[3STC90C58RD+单片机功能强大，抗干扰能力强，非常适合作为本课题设计的继电保护实验仪校验装置的微处理器。

采用的是有源晶体振荡器MX045HST，主要目的是保证微处理器所需的工作时钟脉冲信号有很高的准确度和长期稳定性。MX045HST输出脉冲上升、下降时间为8ns，输出频率稳定性很高，为士20ppm，并且合理的结构使其在短稳和相位噪声方面表现良好，适合对时序要求灵敏的应用场合，完全满足系统需求。

系统时钟芯片DS1302o DS1302是美国DALLAS公司的一种高性能、低功耗、带RAM、具有涓细电流充电功能的8引脚实时时钟芯片主要特点是:DS1302时钟芯片采用串行数据传输，使掉电保护电源可编程充电，并可关闭该功能;可计数项包括年、月、日、时、分、秒、星期，最远可提供2100年的时间;有31*8位额外数据暂存寄存器，可记录系统事件时间点;最少I/O引脚传输，仅通过三引脚控制，为微处理器节省了控制引脚;此芯片的计时准确度几乎由X 1, X2引脚外接的32768Hz晶振决定，只要使用质量较高的时钟晶振，即可为系统提供准确的时间。

继电保护实验仪校验装置操作选择项目较多，显示器较小会造成界面设计拥挤，使用者不便阅读、操作。因此，选用MS320240液晶显示器。它使用RA8835作为控制器，这款控制器的特点为:有较强功能的I/O缓冲器，其优越性之一是微处理器访问RA8835不需判“忙”，微处理器可在任意时刻对RA8835访问，并且得到及时的指令、数据传输就位，无延迟，执行指令更流畅，面对大屏上大量显示数据修改时不会影响显示效果。另外，其指令功能丰富(在第四章会得到详细描述)，四位数据并行发送，最大驱动能力为640*256o MS320240使用蓝模宽温液晶片，LED蓝光作为背景光。这些特点使M 5320240使用起来更方便，视觉效果更良好，显示区尺寸也完全符合校验装置的需要。

MS320240有20个引脚，其中引脚6 (CS引脚)为片选引脚，引脚8 (RST引脚)为复位引脚，通常这两个引脚需要与微处理器连接，但为节省微处理器的控制引脚，本设计中将引脚6接数字地，引脚8接高电平，这样不会影响本校验装置的现实效果。

电量测量电路设计继电保护实验仪输出的电量信号一般为几百至上千伏特的交、直流电压信号和几十至上百安培的交、直流电流信号。因此，输入电路应对其进行衰减，达到A/D转换器可正常工作的范围。A/D转换器可识别的信号为直流电压信号，需将输入的电流信号转换为电压信号，交流信号通过AC/DC转换，变为直流信号。

A/D转换电路设计模拟信号是不能被微处理器直接测量识别出来的，只有通过A/D转换器将模拟信号转换为微处理器可识别的数字信号，才能通过微处理器处理并由液晶显示器显示出测量结果。

电力行业标准要求，校验装置分辨率应比被校装置的显示分辨率高一位。因此，在本校验装置中选用4 1/2位双斜率积分A/D转换器ICL7135进行模数转换。

ICL7135是MAX工M公司生产的4位半(相当于15位)CMOS双斜率积分型模数转换器，其量限为士2V，分辨率为20000个字，具有双极性高阻抗差动输入、自动零点调整、超量程和自动极性判别等功能

工CL7135转换时序如图3-1所示。工CL7135一次转换过程包括4个阶段:1.自动调零阶段;2.被测电压固定时间积分阶段T1; 3.基准电压返向积分阶段T2; 4.积分器自动回零阶段。

校验装置软件系统设计在完成完善的硬件系统电路设计的基础上，需要与之匹配的软件操作系统。软件系统主要包括电量测量模块、开关动作时间校验模块、LcD驱动显示模块和系统校正模块。各个模块彼此相互对立，修改和调试非常方便。采用单片机c语言进行系统软件编程，其在功能、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，大大缩短了项目开发周期。运用结构化、模块化的编程思想，使得程序结构更加清晰，层次分明，软件运行也更加流畅，不易出错。

软件系统是在Keil Vision4集成开发平台上完成的。Keil Vision4在Keil Vision3的基础上，实现更快、更有效的程序开发。Keil Vision4引入了灵活的窗口管理系统，能够将程序编辑窗口拖放到视图内的任何地方，并且可以同时显示多个编辑窗口。通过实际体验发现，开发者的操作疲劳程度明显减少。并且增加了多显示器和灵活的窗口管理系统，调试还原视图创建并保存多个调试窗口布局等等。

校验装置上电后先进行系统初始化，包括STC90C58RD+的各寄存器、I/O口等片上资源以及定时器、内部EEPROM、液晶显示、实时时钟(RTC)的初始化，设置正确的初始值。然后对系统中使用的参数进行初始化设置，包括主程序以及各模块使用的标志位、数据寄存变量等。校验装置采用菜单式的操作方式，是通过对键盘的操作来选择执行不同功能的。主程序就是读取键盘的值，判断调用相应功能软件模块。