CN1035720A - 便携式微机控制多功能继电保护测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明在于提供一种含频率、相位和幅值可以任意调整并能在基波之上迭加高次谐波的三相电流源和电压源的仪器，以取代传统用变压器、移相器、升流器和多种仪表构成的测试回路。该仪器并具有测量频率、相位和时间的功能。该仪器是可编程的，输入相应程序即能测试多种继电器，记录并打印出动作电流、电压、阻抗和时间等参数，并绘出特性曲线。

Description

本发明属于电力紧急保护电路装置的测试仪器。

数十年来，我国的电力系统都采用由三相工频电源供电，经变压器、移相器、大电流发生器，滑线电阻以产生幅值和相位可以任意改变的三相电压和电流，以调试继电保护和其它自动装置。为了测量各物理量还需要用较精密的电压表、电流表、相位计、频率计和毫秒计等设备。这些东西运输困难、占用现场面积大，调试时还得逐件手动读取并记录数据，最后人工列表和绘图。由于技术落后，往往需用1至2周，才能调好一台较复杂的保护装置，所以有关的工人和技术人员迫切地要求改进这种状态。

七十年代，一机部阿城继电器厂和许昌继电器厂，相继生产了保护装置试验台〔参考文献1〕，鞍山电业局和宁夏电业局也分别研制了保护装置试验台。这些设备比传统的有了不同程度的改进，但还是采用传统的技术，存在自动化程度差功能不强等缺点。

八十年代初，我国建设了葛州坝-平顶山，大同-北京以及东北、华东等多条五十万伏超高压输电线路。由于这些输电线路继电保护在调试上技术要求较高，所以从西德和美国引进了比较先进的调试仪器〔参考文献2.3〕。

西德西门子公司生产的装置基本上还是采用传统的技术，增设了电子控制回路，能作动态试验，即模拟从正常状态转到故障状态、瞬时故障、重合于永久性故障等。美国Doble    Engineering    Campany生产的测试仪采用电子模拟技术，由工频振荡器，放大器等构成，通入单相电源即可得到工频三相电压和一相电流。它们的相位和幅值均可任意调整。为了作动态试验，还需要增加其它装置。这两种测试仪在使用上比传统的方法方便，很受现场工人和技术人员的欢迎。它们的缺点是自动化程度还不够高，每测一个数据都要人工干预，更没有自动记录、制表和绘图功能，也不能产生谐波和测量频率、相位等物理量。

由于电气化机车和通过晶闸管向电炉、电解设备供电的负荷的急剧增多及直流输电系统的兴建，电力系统电压和电流中高次谐波的分量大到了影响继电保护和其他自动装置正常运行的程度〔文献4.5〕为了测试这一问题，水电部南京自动化研究所研制了综合谐波发生装置〔参考文献6〕和微机控制的继电器调试装置〔参考文献7〕。前者用锁相、倍频、滤波和移相等电子电路组成，比较复杂，功能单一。后者能产生三相工频电压和一相电流，可以测继电器的起动值和动作时间。这两种装置由于某些技术上的原因，目前还没有达到可以实际应用的程度。

近十余年来，国外在继电保护测试自动化方面，做了不少工作。〔参考文献8〕利用通用计算机产生弱电模拟信号，去试验研制中距离继电器直流回路的性能。这种办法比较经济，但不能测试保护的工频电压和电流回路，也不能用它来调试现场的保护。〔参考文献9〕引入了数字技术，但不是计算机，能定时地自动测试发电机组的电流、电压和频率继电器。为了用无触点的办法，产生数值可变电流或电压，它用8个双向可控硅管开闭8个阻值按二进制组合的电阻所构成所谓的静态电位器。今天看来，这种办法既笨重又复杂，并且不能测试距离、差动等复杂继电器。〔参考文献10〕用一台计算机同时记录三台继电器的试验结果，与前一次结果比较，判定优劣，制作特性图、测试中，它要配合三台继电器试验器和带瞬时固定功能的多路数字仪来使用，显得很复杂且不能逐点自动测试。〔参考文献11〕是目前看到的自动化程度较高的输配电保护测试仪。它由计算机控制，能产生三相电压和一相电流，电流和电压的相位、幅值和频率可以改变，用以调试频率继电器和阻抗继电器。如果增加附件，它还可以产生三相电流。这种设备不能产生高次谐波，也没有测量频率和相位的功能，为了打印记录数据和绘出阻抗继电器的特性，还需要外接打印机和X-Y记录仪，不便于现场使用。

通过联机检索美国Dialog系统World    Patenfs    Index    1963-1987年，结果表明，没有与本发明相同的专利文献。

本发明的目的在于提供一种便携式微机控制的多功能继电保护测试仪。多功能是本发明的突出优点，它不但能产生三相电压和三相电流的基波，还能产生高次谐波。同时它还能测量时间及频率和两个电量间的相位。这充分发挥了计算机的长处，当负荷在一定范围内变化时，输出三相电流和电压的幅值与整定值相比，误差在允许的范围内，各整定值都可由监示器屏幕上读出。所以测试时不用另附电流表、电压表和相位计。这一点既节省了设备和测试时的联线又便于各电力试验所和各变电站之间的频繁运输。自动化程度高是本发明的另一优点。由于该测试仪是可编程的，所以输入相应的程序后，就可以自动地对各种继电器进行自动测试、记录并打印出各种参数，如动作电流、电压，阻抗值及动作时间等，最后绘出继电器的特性曲线。

本发明的任务用图1所示的框图来实现，图中，微计算机是整个仪器的核心部件。它的作用是存贮当前正执行的程序，中央处理器按照指令一步步进行计算并控制其它部分完成规定的任务。磁带机或磁盘机是永久存贮程序或数据的机构，键盘是计算机接受人们指令的接口。通过键盘，可以从磁盘或磁带机将预先编好的程序调入内存并开始运行，然后用“菜单”方式选择所要完成的功能及输入各种整定值，让计算机自动地去执行指定的任务。通过键盘，还可以输入并调试新的程序，待确认其正确无误后，再把它存入磁盘或磁带中，以备今后使用。显示器也是人机对话的接口，从显示屏幕，可以看到输入的命令、程序、定值和机器执行的结果，使用计算机的全屏幕编辑功能，可以方便修改原有程序。打印绘图机可以打印内存中正在开发或准备执行的程序和测试结果，也可以将测试结果用曲线或图形表示出来，便于人们分析。

6块数模转换〔D/A〕芯片的作用是将计算机事先计算好并存在内存中的三相电流和三相电压的数字量转换成相应的模拟量，然后分别输送给三个电压源放大器和三个电流源放大器，以产生与整定值相符的功率较大的三相电压和三相电流，地址译码器的作用是将CPU送来的接口地址转换成控制信号，开启相应芯片的数据通道，读入数据总线送来的数据或将数据通过总线送到CPU。

放大整形电路和两块计数/定时芯片的作用是完成测量频率、相位和时间的功能。

下面介绍本发明各部分的构成

1    主机

主机的CPU采用Z80A芯片。其时钟为3.57954兆赫。在16K的只读存贮器〔ROM〕中固化了BASIC解释程序。其中的PEEK，PORK，OUT，INP和USR等语句，使用户能方便地读写内存和输入/输出接口，在某些要求快速输入或输出数据的场合，还可以调用机器码写的程序。这一点是本发明能实现多功能的关键之一，本仪器的各种应用程序绝大部分都用BASIC语言，只有在个别要求实现快速处理的功能时，才调用少量机器码编的程序。这样，不需专用的开发系统，用户就能利用仪器本身，方便地编制许多为实现特定任务的专用程序。主机上装的18K随机读写存贮器〔RAM〕的地址分配是：26624-28671为键盘和磁带机的缓存区;28672-30720为显示器的缓存区，从31465以上存贮用户的BASIC程序和各种变量;存贮器顶部为堆栈区。如果用户需用更大的内存，还可以将其扩展至64K。

主机板上有一块M6847p芯片，用以控制CRT显示器。如果不用监示器而是用电视机作为显示屏幕，主机板上装有将视频信号转换成电视信号的调制回路。为了使用磁带录音机作外部存贮器，主机板上还有音频调制回路。

2    键盘

采用标准ASCⅡ码通用键盘。

3    显示器

可以采用单色监示器或彩色监示器，也可以用电视机来作显示屏幕。

4    打印绘图机

打印绘图机是用伺服笔原理构成的，有黑、蓝、绿和红四种颜色。两台步进电机分别驱动笔在水平方向运动和驱动纸在垂直方向运动。所以它既可以书写文字，也能够绘图。这对实现仪器的多功能很重要。

5    磁带机和磁盘机

磁带机和磁盘机都可以用作外部存贮设备，后者的优点是存入或取出程序的速度较快，但防震能力差和对环境温度要求比较严格。磁带机的情况正好相反。设计了两种外设为了让用户根据本身实际情况选用。磁盘系统采用功能较强的DOS，BASIC解释程序。

6    数模转换回路

这部分包括图1中6块数模转换集成电路和有关的运算放大器，参考电源和译码电路，数模转换电路采用DAC    0832芯片。它有两个锁存器，工作时把六个电流电压数据依次存入第一锁存器，然后由译码器控制同时把数据从第一锁存器送到第二锁存器，经转换电路将数字量变成模拟量。这一点是保证三相电流电压的相位精度的措施之一。

7    电流源放大器和电压源放大器

电流源放大器和电压源放大器对本测试仪的精度起决定性的作用，在这里精度包含三个方面，即频率、相位和幅值的误差。为了控制频率误差在0.1HZ范围内，本发明将主机时钟作为工频频率的基准，因主机采用石英晶体振荡器为时钟，其温度系数在10^-6至10^-7之间，所以仪器工作环境温度从0℃变到40℃时，时钟的周期基本没有改变，工频频率也不会改变。为了保证相位误差小于一度，除了采用双锁存器的数模转换电路外，电流源和电压源放大器中还有相位微调电路，以补偿由于整个回路中所用的阻容元件数值离散性造成的相位误差。最后要保证幅值误差小于百分之一，除了数模转换回路采用温度系数很小的参考电压源外，最主要的是要保证功放级具有性能较好的电压源或电流源特性，即负荷在规定的范围内变化时，输出的电压或电流的幅性基本不变。

电流源放大器和电压源放大器的原理如图2所示。由于从D/A转换器来的信号是不连续的阶梯波，所以要进行滤波，将信号变成比较平滑的连续波。前已述及，放大器的输入端，接有相位微调电路。然后信号由A₁集成运算放大器放大到所需幅值。A₂是一个由分离元件构成的功率放大器，其输出经变压器或变流器向被测试保护装置的电压回路和电流回路供电，同时输出端有一负反馈信号经R₃和R₉分别加到A₁和A₂的输入端，以保证放大器具有电压源或电流源的特性。A₃为一个集成运算放大器，它的两个输入端分别通过C₁和R₃引入滤波及相位调整回路来的信号及输出端来的反馈信号，正常工作时A₃输出电压为负，当功率放大器的输出负荷太大或向功率放大器供电的电压过低造成输出波形失真（主要是波形平顶，幅值降低）时，A₃的正极性端输入较高，其输出电位变正，使报警用的二极管发亮，同时启动音响报警回路。图3是电流源放大器和电压源放大器的接线图，将CT₁和CT₂的A′、B′和C′接于放大器的A、B和C点时，构成电流源放大器，将PT₁和PT₂的A′、B′和C′接于放大器的A、B和C点时，构成电压源放大器。

切换开关K₂，可改变额定输出电压。将CT₁5个付边线圈串并联可得到1A，5A，10A，25A和50A五档额定输出电流。

8    频率相位时间测量回路

测量频率、相位和时间三种物理量都用如图4所示框图来完成。回路有两路输入信号，两路通道的接线基本相同。由于输入信号可能是继电器触点、交流电流和各种幅值的交流电压或脉冲信号，放设置了K₁至K₁₂两组琴键开关来选择信号的种类及幅值。由于输入脉冲电压的极性不同，触点闭合或打开也间接引入了不同极性的电位，所以设置了K₁₃至K₁₈两组琴键开关来切换不同极性的信号，以适应后面放大电路的要求。图4中放大电路把输入信号放大成方波。整形电路再将此方波变成前沿很陡的脉冲，以可靠地翻转后面的双稳态触发器，产生闸门信号去控制计数电路，K₁₉至K₂₁用以选择测量频率、相位或时间功能。

图5是频率、相位和时间测量回路接线图和音响报警回路。

测频率时，在CPU控制下，CTC₁计被测信号的脉冲数，同时CTC₂开始计机器的时钟数。当CTC₁计满指定的数（例为201个）后，读出CTC₂所记的时钟数。CPU按下式计算出被测信号的频率并显示在屏幕上：

$\mathrm{f\; =}\frac{1}{t}=\frac{1}{{\mathrm{m\; \times \; t}}_1\mathrm{÷\; n}}=\frac{n}{{\mathrm{m\; \times \; t}}_1}$

其中：t-被测信号的周期

m-CTC2所记的时钟数

t₁-时钟的周期（单位为秒）

n-CTC₁所记的脉冲减1

测相位时，CPU先读出被测信号200个周期内CTC2不经闸门控制所记下的时钟数，然后再读出同样时间内CTC2经闸门控制所记下的时钟数，然后用下式计算出两被测信号之间的相位并显示在屏幕上。

$\mathrm{\phi \; =}\frac{m_2\mathrm{\times \; 360}}{m_1}\mathrm{(度）}$

其中：φ-信号1超前信号2的角度。

m₁-被测信号200个周期内CTC2不经闸门控制所记的时钟数。

m₂被测信号200个周期内经闸门控制所记的时钟数。

测量时间有单输入量与双输入量之分，测量正负脉冲电压的宽度、常闭触点打开时间或常开触点闭合时间只需在图4上面一个通道接入一个信号。此信号经放大成方波再经功能选择开关去控制CTC₂的闸门电路。CPU按下式即可计算出此信号的持续时间并显示在屏幕上。

t＝m×t₁

其中：

t-被测脉冲的宽度（ms）

n-CTC2所记时钟数减1

t₁-每个时钟脉冲的周期（ms）

测量两个脉冲间或触点分合的时间间隔时，需将两被测信号分别加于图4所示两个输入端。此时第一个被测信号将双稳态触发器置1，即开启闸门让CTC2计数，第二个被测信号将双稳置0，关闭闸门CTC2停止计数。CPU读出CTC2所记时钟数按上式即可算出结果来。

使用本测试仪，可以大大地提高我国电力系统继电保护和某些自动装置的测试水平。由于将手动改为自动，加快检测速度，缩短发配电设备由于检测保护的停电时间，对国民经济有积极的效果。用本装置不但能测试简单的电流、电压和频率继电器，而且能测试许多性能复杂继电保护装置。例如：它能产生150、250和350周的电流和电压，以调整3次、5次和7次谐波谐振回路;能自动测试圆特性的全阻抗继电器、方向阻抗继电器和偏移特性阻抗继电器的角度特性，自动绘出特性圆并打印出各点的测量阻抗和动作时间;产生角度和幅值可任意改变的三相电流以调试高频相差动保护和发电机变压器的纵差保护，自动绘出制动曲线;产生基波之上迭加各次谐波的三相电流和电压，以检验谐波对继电保护的影响。如用迭加二次谐波的电流，来测试用各种原理构成的变压器差动保护避越励磁涌流的能力;由于输出电压和电流的频率是可调的，所以可用来测试频率变化对各种保护的影响;在动态方式工作时，输出能由正常运行状态转换到故障状态，或反之。转换瞬间三相电流和电压的相位是可控的。这对研究特定合闸角时保护的行为非常方便。

本发明有测量频率、相位和时间三种物理量的功能，对继电保护的调试工作也很有利。它能测量20-1000HZ电流或电压的频率;能测量二频率相同的电流或电压间的相位差;能测量继电器触点闭合时间或打开时间、正脉冲宽度和负脉冲宽度和两个信号间的时间间隔。其“起”“止”信号可以是继电器触点闭合、触点打开、正脉冲电流或电压，负脉冲电流或电压等36种组合。

参考文献

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2.MODELF3-C    F3-D3    φTEST    SYSTEM    Operating    Manual    Doble    Engineening    Company    U、S、A

3.7VP461，7VP47    TEST    SYSTEM    SLEMENS    COMPANY

4.高次谐波对经电容式分压器接入的继电保护和自动装置工作的影响〔电站设备自动化〕1981.2译自〔3∧KTPn4eCRMe    CTaHynn〕1978    NO.8

5.接地电流高次谐波对零序电保护动作的影响〔继电器译丛〕1985.2

6.继电保护试验用的综合谐波发生装置的研制    水电部南京自动化研究所

7.微机控制的继电器调试装置    水电部南京自动化研究所

8.AN    AUTOMATED    TESTING    SYSTEM    FOR    DISTANCE    RELAYS    IEEE    Transactions    on    Pawer    Apparatus    and    Systems，vol.PAS-96    NO.4，July/August    1977

9.New，Fully    Automatic    Means    of    Testing    Generator    Protection    Equipment    Brown    Boreri    Rev.2-77

10.应用继电器试验自动记录装置来使继电器试验合理化〔日〕四国电力公司

11.A    Programmable    Test    Unit    for    Line    and    Feeder    Protection    Brown    Boveri    Rev    Vol    72    No2    1985

Claims (7)

1、一种由微机、计数/定时器、数模转换器和功率放大器组成的微机控制多功能继电保护测试仪，其特征是微型计算机配有必要的外部设备，它由多种为实现某特定功能，主要用高级语言编写的专用程序控制，数个数模转换电路分别推动数个高精度的电流源放大器和电压源放大器，具有输入信号处理电路的数个计数/定时器。

2、一种如权利要求1所说的微机控制多功能继电保护测试仪，其特征是主机用于计算输出电流和电压的基波和高次谐波并负责仪器的控制职能，CTR显示器既用于显示各种程序和实现全屏幕编辑功能，又显示输出量的定值和测试结果，绘图打印机用于打印各种专用程序、定值、测试结果和绘出被测保护的特性曲线，磁带机或磁盘机用于存贮各种专用程序和数据，必要时调入计算机内存以实现测试仪的某特定功能。

3、一种如权利要求1或2所述的继电保护测试仪，其特征是可编程的，不需专用的开发系统，利用仪器本身的资源就能方便地开发主要用BASIC语言编写的为实现仪器各种功能的专用程序。

4、一种如权利要求1所述的继电保护测试仪，其特征是电流源放大器和电压源放大器均由滤波及相位调整、前级集成运算放大器和分离元件构成的功率放大器组成，由它们输出频率、幅值和相位可由程序控制的正弦基波或迭加高次谐波的电流和电压，用以测试各种继电保护。

5、一种如权利要求1或4所述的继电保护测试仪，其特征是电流源和电压源放大器采用多级负反馈接线，以保证其电流源和电压源的特性。

6、一种如权利要求1所述的继电保护测试仪，其特征是具有输入信号处理电路的计数/定时器用来测量频率、相位和时间。

7、一种如权利要求1或6所述的继电保护测试仪，其特征是输入信号处理电路由两路信号及幅值选择电路、极性转换电路、放大整型电路和共用的双稳态闸门电路及功能选择电路构成。

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