CN206671469U - 一种基于dsp的小电流接地故障测试仪 - Google Patents
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Abstract
一种基于DSP的小电流接地故障测试仪，包括嵌入式人机界面模块、DSP主控模块、数模转换控制模块、可编程开入开出控制模块、通信控制模和功率放大器。本实用新型的硬件构架设计基于浮点DSP控制器，具有良好的扩展性和兼容性，设置典型配电网模型，模拟各种小电流接地方式和运行工况下的单相接地故障测试场景，将单相接地故障特征的电流电压信号导入小电流接地故障测试仪，与待测设备联合闭环测试系统，自动化完成闭环测试。本实用新型实现了小电流接地选线故障的现场暂态性能试验，能够在现场全面验证待测设备在各种常规及极端情况下的运行工况和故障处理能力，对提升小电流接地系统发生单相接地故障的处理效率有重要的作用和意义。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于DSP的小电流接地故障测试仪，属电力系统设备测试技术领域。
背景技术
国内配电网常采用中性点小电流接地方式，该接地方式下发生单相接地故障的电流特征不突出，给故障处理造成了困难，目前涉及小电流接地故障检测和处理的常见设备有小电流接地选线装置、配电自动化终端、暂态录波故障指示器等，这类设备绝大多数以基于暂态信号处理算法为主，接地故障瞬间以及弧光接地或间歇性接地系统状态持续性突变时，均会产生明显的暂态谐振过程。暂态原理是通过比较各出线暂态电流幅值、极性、功率方向等关系的一种故障处理方法，适用于不接地系统与经不同类型消弧线圈接地的系统，其信号特征受配电网运行方式、接地方式和故障类型影响很大，通用的测试仪只能输入固定的稳态和谐波故障信号，无法满足小电流接地故障测试的要求，传统测试方法是针对预先想象的特定场景，场景设计存在局限性，不能充分考虑配电网及设备的实际运行工况，也无法真实输出单相接地故障发生时的动态和暂态分量，测试环境、测试流程、测试规范都不具有针对性，不能适应于小电流接地故障的现场性能测试。电网运维人员缺少具有针对性的单相接地现场便携式测试仪，能够方便的将其带到实际现场，针对待测设备所在的电网架构和运行工况，当场进行一对一的特定检验，直接校核该选线设备的性能是否能满足工作要求，对于设备的参数设定，缺少整定依据，特别是当配电网的网架容易发生变化，那么故障检测和处理设备的参数设置也应该随之进行调整。往往有些检测设备在刚刚投运时，准确率还较高，但是在一段时间后，特别网架发生变化后，可靠性大幅降低。这将势必对电网特定保护功能的实现以及安全稳定运行造成不可估量的后果。
因此，设计一种基于DSP的小电流接地故障测试仪器，与现场待测故障检测设备行成闭环测试系统，可供运维人员在现场检验其性能，以及处理策略和参数设定的合理性，简化测试操作流程，自动完成闭环性能测试，提高设备运维检修效率和水平，提高故障处理的准确性，大大缩短用户停电时间及提高居民用户供电可靠率的目的，并推动配网单相接地故障检测终端的应用乃至配电自动化领域的进一步发展。
发明内容
本实用新型的目的在于，为了实现小电流接地选线装置、配电自动化终端、暂态录波故障指示器等设备的现场闭环测试以及功能策略校验，提供一种基于DSP的小电流接地故障测试仪，
本实用新型的技术方案是，一种基于DSP的小电流接地故障测试仪，包括嵌入式人机界面模块、DSP主控模块、数模转换控制模块、可编程开入开出控制模块、通信控制模块和功率放大器。
DSP主控模块通过并行总线分别与数模转换控制模块、可编程开入开出控制模块、通信控制模块互联；嵌入式人机界面模块通过通信控制模块与DSP主控模块进行信息交互；数模转换模块输出0-3V小电压信号，通过功率放大器输出0-150V的电压信号和0-20A的电流信号，从而获得电网发生单相故障时相对应的电压和电流模拟信号，提供给待测设备进行测试；可编程开入开出控制模块与开入开出隔离电路互联。
DSP主控模块，基于TMS320F28335研发的嵌入式硬件平台，TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多达18路的PWM输出，实现仪器主控程序和测试应用软件的运行，结合用户选择的测试项目形成具体的测试流程和步骤；自动控制测试过程，并形成测试数据和结果，实现现场自动闭环性能策略的生成及测试流程的控制。
嵌入式人机界面模块，基于ARM嵌入式控制平台，以简洁、美观、方便的嵌入式GUI作为人机界面，通过RS485通信方式与主控模块进行信息交互，用于设置测试参数、设计测试流程以及浏览查看测试波形文件和测试报告。
数模转换控制模块基于FPGA平台设计，FPGA采用基于NIOS软核的EP4C20芯片，数模转换采用16位DAC8562高速转换芯片，用于将接地故障特征电压、电流数字信号通过16位DA芯片转换为0-3V模拟小电压信号，再经信号调理和隔离电路至功率放大器。
可编程开入开出控制模块基于CPLD芯片设计，包括8路开关量输入电路和8路开关量输出回路，开关量输入电路可兼容空接点和0～250V电位接点。电位方式时0～9V为合，18～250V为分，开入量分辨率可到200纳秒。开关量可以方便地对各相开关触头的动作时间和动作时间差进行测量。
通信控制模块，支持以太网和RS485接口，以太网接口芯片采用W5500，用于实现测试数据的导入，支持待测设备的IEC101、IEC104通信接口类型及标准协议，能获取待测设备的报文信息。
功率放大器采用级间直接耦合的线性OCL放大电路，由4路电压放大电路和6路电流放大电路组成，电压放大电路可输出0-150V电压信号，电流放大电路可输出0-20A电流信号，输出范围、功率和精度满足测试的要求。
所述测试仪通过设置典型配电网模型，模拟各种小电流接地方式和运行工况下的单相接地故障测试场景，将单相接地故障特征的电流电压信号导入小电流接地故障测试仪，与待测设备联合闭环测试系统，自动化完成闭环测试，能够在现场全面验证待测设备在各种常规及极端情况下的运行工况和故障处理能力。
所述DSP主控模块基于TMS320F28335研发的嵌入式硬件平台，实现仪器主控程序和测试应用软件的运行，结合用户选择的测试项目形成具体的测试流程和步骤；自动控制测试过程，并形成测试数据和结果，实现现场自动闭环性能策略的生成及测试流程的控制。
所述人机界面模块基于ARM嵌入式控制平台，以简洁、美观、方便的嵌入式GUI作为人机界面，通过RS485通信方式与主控模块进行信息交互，用于设置测试参数、设计测试流程以及浏览查看测试波形文件和测试报告。
所述数模转换控制模块输出精度为0.1级，响应时间不大于2ms，输出范围0-3V，可输出10路模拟小信号。
所述可编程开入开出控制模块基于CPLD芯片设计，包括8路开关量输入电路和8路开关量输出回路，开关量输入电路可兼容空接点和0～250V电位接点。电位方式时0～9V为合，18～250V为分，开入量分辨率可到200纳秒。
所述功率放大器采用级间直接耦合的线性OCL放大电路，由4路电压放大电路和6路电流放大电路组成，电压放大电路可输出0-150V电压信号，电流放大电路可输出0-20A电流信号，输出精度位0.2级。
本实用新型的工作原理是，基于DSP主控模块的硬件构架，实现小电流接地故障终端的闭环性能测试，通过模拟各种小电流接地方式和运行工况下的单相接地故障测试场景，输出故障环境下的故障特征电压、电流信号，再经由功率放大器得到与电网单相接地故障相对应的电压和电流模拟信号，输出至待测设备进行测试，测试仪的功率放大系统性能稳定，输出功率、幅值满足暂态测试要求，响应速度快，能够输出单相接地故障的暂态分量。
本实用新型依据配电网的单相接地故障处理和设备运维经验，结合各接地方式和运行工况下的现场实际情况，模拟得到相应的故障特征电压、电流信号，形成典型场景下小电流接地故障波形，设计了一种适用于现场测试的小电流接地故障测试仪器。
本实用新型可通过IEC101和IEC104标准数据通信接口，测试仪可接收被测设备的报文信息，实现各场景和运行工况下自动闭环测试，简化测试操作流程，提高测试准确性和效率，并且可以自动反馈测试结果并形成测试报告。
本实用新型的有益效果是，本实用新型小电流接地选线闭环测试仪器能够在现场全面验证待测装置各种常规及极端情况下的运行工况和选线性能，简化繁琐的测试流程，以达到提高设备运行的可靠性的目的。通过搭离线的建典型配电网模型，精确模拟各种方式下小电流接地系统的单相接地故障场景，将反映故障特征的电流电压信号导入小电流接地选线测试仪，同时连接待测设备的开出量和通信接口，自动判别待测设备的报文信息，实现自动闭环测试，从而检验设备的各项功能和性能。
本实用新型的有益效果是，本实用新型基于DSP的一种适用于现场小电流接地选线装置、配电自动化终端、暂态录波故障指示器等设备测试的小电流接地选线闭环性能测试仪器，同时连接待测设备的开出量和通信接口，自动判别待测设备的报文信息，自动控制测试过程，并形成测试数据和结果，实现现场自动闭环性能策略的生成及测试流程的控制，实现小电流接地选线故障的现场暂态性能试验，对提升小电流接地系统发生单相接地故障的处理效率有重要的作用和意义。
附图说明
图1为本实用新型一种基于DSP的小电流接地故障测试仪的设计结构框图。
具体实施方式
本实用新型的具体实施方式如图1所示。
本实施例小电流接地故障测试仪，包括嵌入式人机界面模块、DSP主控模块、数模转换控制模块、可编程开入开出控制模块、通信控制模块和功率放大器。
（1）DSP主控模块基于TMS320F28335研发的嵌入式硬件平台，TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多达18路的PWM输出，实现仪器主控程序和测试应用软件的运行和控制，结合用户选择的测试项目形成具体的测试流程和步骤；自动控制测试过程，并形成测试数据和结果，实现现场自动闭环性能策略的生成及测试流程的控制。
（2）嵌入式人机界面模块采用基于ARM的嵌入式控制平台，以嵌入式GUI作为人机界面，通过RS485通信方式与主控模块进行信息交互，用于设置测试参数、设计测试流程以及浏览查看测试波形文件和测试报告。
（3）数模转换控制模块基于FPGA平台设计，FPGA采用基于NIOS软核的EP4C20芯片，数模转换采用16位DAC8562高速转换芯片，共计10路输出信号，用于将接地故障特征电压、电流数字信号通过16位DA芯片转换为0-3V模拟小电压信号，再经信号调理和隔离电路至功率放大器。
（4）可编程开入开出控制模块基于CPLD芯片设计，包括8路开关量输入电路和8路开关量输出回路，开关量输入电路可兼容空接点和0～250V电位接点。电位方式时0～9V为合，18～250V为分，开入量分辨率可到200纳秒。开关量可以方便地对各相开关触头的动作时间和动作时间差进行测量。
（5）通信控制模块，支持以太网和RS485接口，以太网接口芯片采用W5500，用于实现测试数据的导入，支持待测设备的IEC101、IEC104通信接口类型及标准协议，能获取待测设备的报文信息。
（6）功率放大器采用级间直接耦合的线性OCL放大电路，由4路电压放大电路和6路电流放大电路组成，电压放大电路可输出0-150V电压信号，电流放大电路可输出0-20A电流信号，输出范围、功率和精度满足测试的要求。
Claims (7)
1.一种基于DSP的小电流接地故障测试仪，其特征在于，所述测试仪包括：
嵌入式人机界面模块、DSP主控模块、数模转换控制模块、可编程开入开出控制模块、通信控制模和功率放大器；所述DSP主控模块通过并行总线分别与数模转换控制模块、可编程开入开出控制模块、通信控制模块连接；所述嵌入式人机界面模块通过通信控制模块与DSP主控模块进行信息交互；所述数模转换模块输出0-3V小电压信号，通过功率放大器输出0-150V的电压信号和0-20A的电流信号，从而获得电网发生单相故障时相对应的电压和电流模拟信号，提供给待测设备进行测试；可编程开入开出控制模块与开入开出隔离电路互联。
2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的小电流接地故障测试仪，其特征在于，所述DSP主控模块采用TMS320F28335芯片，具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有18路的PWM输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于DSP的小电流接地故障测试仪，其特征在于，所述嵌入式人机界面模块以嵌入式GUI作为人机界面，通过RS485通信方式与主控模块进行信息交互，用于设置测试参数、设计测试流程以及浏览查看测试波形文件和测试报告。
4.根据权利要求1所述的一种基于DSP的小电流接地故障测试仪，其特征在于，所述数模转换控制模块采用基于NIOS软核的EP4C20芯片；数模转换采用16位DAC8562高速转换芯片，共计10路输出信号，用于将接地故障特征电压、电流数字信号通过16位DA芯片转换为0-3V模拟小电压信号，再经信号调理和隔离电路至功率放大器。
5.根据权利要求1所述的一种基于DSP的小电流接地故障测试仪，其特征在于，所述可编程开入开出控制模块基于CPLD芯片设计，包括8路开关量输入电路和8路开关量输出回路，开关量输入电路可兼容空接点和0～250V电位接点；电位方式时0～9V为合，18～250V为分，开入量分辨率可到200纳秒。
6.根据权利要求1所述的一种基于DSP的小电流接地故障测试仪，其特征在于，所述通信控制模块，具备以太网和RS485通信功能，以太网接口芯片采用W5500，用于实现测试数据的导入，支持待测设备的IEC101、IEC104通信接口类型及标准协议，能获取待测设备的报文信息。
7.根据权利要求1所述的一种基于DSP的小电流接地故障测试仪，其特征在于，所述功率放大器采用级间直接耦合的线性OCL放大电路，由4路电压放大电路和6路电流放大电路组成，电压放大电路可输出0-150V电压信号，电流放大电路可输出0-20A电流信号。
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