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繼電保護微機型測試儀的研究與實現
發布日期：2021-04-19 點擊：3631次
摘要： 繼電保護是當電力系統中電氣元件或設備發生故障時將故障元件從電力系統中切除,使故障元件免遭更大破壞,并使電力系統盡快恢復正常運行。繼電保護測試裝置通過輸出交流三相電壓、電流來模擬電力系統中的各種故障,并測試繼電保護及安全自動裝置當故障發生時對故障的響應狀態和響應速度,因為繼電保護裝置保護動作的及時性、選擇性和準確性將直接影響電力系統運行的穩定性和可靠性。隨著電力系統自動化技術的不斷發展,對電力系統繼電保護裝置的要求也隨之提高,傳統電磁式繼電保護測試裝置已很難對繼電保護裝置的各方面特性進行全面測試,不再適應技術發展的需要。
本文提出的SFTP-43B微機繼電保護測試儀是在充分調查和研究國內外繼電保護技術和繼電保護測試裝置技術發展的基礎上,根據電力系統對微機測型繼電保護試裝置在模擬電力系統各種故障、故障再現、故障波形質量、智能化綜合測試、測試裝置的校正和輸出監視、測試的靈活性和可操作性等方面的技術要求,制定了研究和設計目標。
在充分研究電力系統中各種故障本質上異同的基礎上,并考慮系統負載阻抗特性、線路分布參數和故障點接地電阻對故障響應的影響等因素,建立了能夠真實反映電力系統實際運行狀況的恒定電源(系統)阻抗的故障仿真模型。根據繼電保護裝置在功能和定值測試方面的需要,針對各種繼電保護裝置設計了方便快捷的測試方案和測試過程,實現繼電保護裝置的模塊化和自動化,并設計出具有普遍適用性的兩種基本測試方法：順序測試和搜索測試。
論文根據當前微機型繼電保護測試裝置在系統結構上存在的不足,SFTP-43B微機繼電保護測試儀以充分發揮微型計算機軟件開發和微處理器硬件操作兩方面的優勢為設計思想,建立了由微型計算機系統、微處理器系統和功率驅動模塊構成的系統結構。微型計算機系統是測試操作的主體,具有友好的操作界面、完備的顯示功能、直觀的操作控制平臺；微處理器系統由電流電壓波形輸出通道、開關量輸入輸出通道、信號檢測回送等單元構成,完成故障模擬信號輸出、繼電保護動作監視和信號精度校驗等功能；功率驅動模塊則對微處理器系統的輸出信號進行電流電壓驅動,以滿足測試裝置在測試信號功率方面的要求。測試裝置中,以CPLD為基礎構建了微處理器系統,除了微處理器、存儲器等專用的功能性器件外,系統中的其它電路如系統控制、譯碼及讀寫控制、總線驅動的控制、任意信號發生器AWG、IO接口等電路都在CPLD中實現。為了解決存儲器需求和微處理器尋址能力之間的矛盾,在研究了存儲器的擴充方式后,提出了一種擴充系統存儲器的方法,在微處理器64K存儲器尋址空間中,采用存儲器映象(memory mapping)技術,配置了總容量超過lM的系統存儲器,并且保持了處理器對存儲器操作的靈活性。
繼電保護微機測試裝置的核心是通過D/A轉換器產生模擬電力系統故障狀態的三相電流和電壓信號,信號的質量將直接影響繼電保護微機測試裝置的性能指標。設計具有幅值和相位變換靈活、高頻率分辨率和頻率穩定性的任意波形發生器AWG是繼電保護微機測試裝置的關鍵。論文首先利用Labview總諧波失真模塊分析了D/A轉換器的字寬和數據輸出速率與信號波形質量之間的關系,為AWG中D/A轉換器電路參數的選擇提供了依據。在AWG的設計中,應用了直接數字頻率合成(DDS)技術,以硬件電路取代了計算機的軟件控制,使AWG操作靈活、功能強、技術指標高、信號穩定度好。采用了級連模式的在D/A轉換器,使AWG在全量程范圍內都保證信號輸出的高分辨率。應用DDS技術設計的頻率合成器為AWG提供了高質量的頻率信號源,使AWG產生的周期信號在較大的頻率范圍內頻率連續可調,并具有很高的頻率分辨力。在研究分析電力系統中電磁干擾源和干擾傳播途徑的基礎上,RT-3繼電保護微機測試裝置在硬件和軟件的設計中采取了一系列抗干擾措施。針對電源中的尖峰沖擊、高頻脈沖干擾,采用瞬變電壓抑制器、電源濾波器和電路串接鐵氧體磁環等措施抑制干擾。在信號輸入輸出通道采取濾波、隔離、屏蔽、接地等措施,一方面消除、抑制電磁干擾,同時也有效地減小系統自身產生的輻射干擾。在軟件設計中,應用防止系統因干擾而死機的程序設計方法、程序的容錯性設計和系統數據的安全性設計等軟件抗干擾技術,對系統的輸入、輸出通道采取數據濾波等增強系統整體抗干擾能力的方法。
經過兩年多的工作,SFTP-43B微機繼電保護測試儀已基本完成了預期的目標,在建立較完善的故障模型的基礎上,實現了信號的諧波疊加、任意周期幅頻特性和線性度、測量精度和系統自校正等方面的技術指標,能夠模擬輸出電力系統各種周期性或非周期性故障狀態,完成繼電保護裝置單項和智能化綜合項目的測試,并且裝置具有體積小、功能強、性能指標高、保密性強的特點,設計中兼顧系統的電磁兼容性,裝置的抗干擾能力強,具有較高的可靠性和穩定性,在高壓和大電流現場環境下順利完成試驗運行。
