繼電保護(hù)裝置整機(jī)測(cè)試用嵌入式模擬斷路器研究

王治國(guó)　篤峻　于哲　李興建　宋偉成　劉皋培

摘? ?要： 為解決常規(guī)繼電保護(hù)測(cè)試儀不能對(duì)帶操作回路繼電保護(hù)裝置進(jìn)行全自動(dòng)測(cè)試的難題，通過對(duì)繼電保護(hù)裝置操作回路板卡及現(xiàn)有模擬斷路器的研究，提出了一種配合其整機(jī)全自動(dòng)調(diào)試用的嵌入式模擬斷路器功能板卡設(shè)計(jì)方法。該模擬斷路器采用以數(shù)字電路為核心的集成電路設(shè)計(jì)理念，它將ARM微處理器作為主控制器同繼電保護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行通信及實(shí)時(shí)信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置跳合位的跟蹤與控制。同時(shí)采用模塊化的硬件設(shè)計(jì)，并將相應(yīng)測(cè)試功能全部集成到一塊功能板卡上，無縫集成到繼電保護(hù)測(cè)試儀中。長(zhǎng)期應(yīng)用表明，該方法實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)裝置整機(jī)邏輯功能整體一鍵式全自動(dòng)測(cè)試，有效提高了繼電保護(hù)裝置的整機(jī)調(diào)試效率。

關(guān)鍵詞：模擬斷路器;保護(hù)裝置;測(cè)試儀器;操作回路

中圖分類號(hào)：TP3930.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：In order to solve the problem that the conventional relay protection tester can not fully test the relay protection device with the operation circuit board， through the research on the operation circuit board of the relay protection device and the existing simulated circuit breaker. A design method for the function board of embedded simulated circuit breaker for automatic debugging of the whole device is proposed. The simulated circuit breaker adopts the integrated circuit design concept with digital circuit as the core. It uses ARM microprocessor as the main controller to communicate with relay protection tester and process real-time signal， so as to realize the tracking and control of relay protection device jump-in. At the same time， the modular hardware design is adopted，and the corresponding test functions are all integrated into one function board，which is seamlessly integrated into the relay protection tester. The long-term application shows that the method realizes the one-button automatic test of the whole logic function of the relay protection device，which effectively improves the debugging efficiency of the relay protection device.

Key words： simulated circuit breaker;protective devices;testing instruments;operation circuits

長(zhǎng)期以來，繼電保護(hù)測(cè)試技術(shù)都是繼電保護(hù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[1-5]提出了新的繼電保護(hù)自動(dòng)測(cè)試平臺(tái);文獻(xiàn)[6-9]設(shè)計(jì)了新的繼電保護(hù)測(cè)試方案和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試技術(shù)的不斷進(jìn)步促進(jìn)了繼電保護(hù)裝置產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)提高，同時(shí)也提高了整機(jī)測(cè)試效率[10]。而繼電保護(hù)裝置是否帶操作回路功能，其整機(jī)測(cè)試內(nèi)容有所不同。不帶操作回路的繼電保護(hù)裝置只要對(duì)裝置輸入故障模擬量，將測(cè)試儀的開入、開出與保護(hù)裝置的開出、開入形成閉環(huán)，即可對(duì)保護(hù)裝置的接點(diǎn)進(jìn)行保障性測(cè)試驗(yàn)證;而帶操作回路的繼電保護(hù)裝置需斷路器配合才能測(cè)試，但通常都用模擬斷路器裝置來代替真實(shí)的斷路器。不過，對(duì)于大批量繼電保護(hù)裝置工廠化測(cè)試而言，由于繼電保護(hù)測(cè)試儀和模擬斷路器無法通信，測(cè)試儀不能自動(dòng)控制模擬斷路器來配合保護(hù)裝置功能接點(diǎn)測(cè)試，保護(hù)裝置要分兩部分獨(dú)立測(cè)試，測(cè)試效率十分低下。

文獻(xiàn)[11]對(duì)繼電保護(hù)裝置操作回路從單板測(cè)試的角度進(jìn)行了闡述;文獻(xiàn)[12-15]論述了獨(dú)立式斷路器模擬裝置的設(shè)計(jì)方法;文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了斷路器回路電阻測(cè)試系統(tǒng);文獻(xiàn)[17]論述了帶跳閘回路監(jiān)視的斷路器操作回路設(shè)計(jì)方法。以上文獻(xiàn)對(duì)斷路器的原理或者模擬斷路器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，但對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試儀嵌入式模擬斷路器的研發(fā)與應(yīng)用沒有進(jìn)行深入討論，而對(duì)帶操作回路繼電保護(hù)裝置的測(cè)試，使用嵌入式模擬斷路器進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，能夠?qū)蓚€(gè)獨(dú)立的測(cè)試過程合二為一，實(shí)現(xiàn)測(cè)試流程的自動(dòng)化。

嵌入式模擬斷路器是將常規(guī)模擬斷路器整合到繼電保護(hù)測(cè)試儀中的一種設(shè)計(jì)新方案，本文所提方案充分利用當(dāng)前集成電路的優(yōu)越性能，根據(jù)模擬斷路器的原理進(jìn)行模塊化、小型化并與繼電保護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。嵌入式模擬斷路器能夠接收整機(jī)測(cè)試儀的命令，實(shí)現(xiàn)雙向通信;具有造價(jià)低、功耗小、工作可靠和抗干抗性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能根據(jù)繼電保護(hù)裝置的測(cè)試需求靈活選配功能板卡數(shù)量，做到測(cè)試有的放矢，從而有效提高繼電保護(hù)裝置的整機(jī)測(cè)試效率。

1? ?測(cè)試需求分析

圖1是典型的低壓保護(hù)操作回路原理圖，通常具備以下幾個(gè)入口接點(diǎn)：保護(hù)合閘入口，保護(hù)跳閘入口，永跳入口，手動(dòng)合閘入口和手動(dòng)跳閘入口，有時(shí)還會(huì)衍生出遙控跳閘、合閘入口。對(duì)帶有操作回路功能繼電保護(hù)裝置的測(cè)試，不外乎以上幾個(gè)入口功能的測(cè)試及其相應(yīng)位置出口測(cè)試。嵌入式模擬斷路器的功能在滿足繼電保護(hù)裝置跳合閘功率要求外，還應(yīng)能與繼電保護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行內(nèi)部通信，接收測(cè)試儀命令，強(qiáng)制裝置在上電的時(shí)候，處于合閘位置或跳閘位置，及跳閘合閘信息反饋給測(cè)試儀主控CPU板卡。

繼電保護(hù)裝置整機(jī)檢測(cè)的關(guān)注點(diǎn)在于保護(hù)裝置各功能板卡的一致性檢測(cè)，各功能板卡在做完單板功能檢測(cè)后，主要進(jìn)行和機(jī)箱背板連接情況及保護(hù)裝置整體檢測(cè)。圖1中操作回路板卡檢測(cè)主要關(guān)注繼電保護(hù)裝置的跳閘、重合閘等硬件邏輯檢測(cè)。例如：變壓器非電量保護(hù)裝置具有高、中、低三個(gè)或四個(gè)操作回路，而對(duì)這類保護(hù)裝置測(cè)試就同時(shí)需要三到四個(gè)斷路器，如進(jìn)行實(shí)際斷路器接入測(cè)試，困難重重。但基于模塊化的嵌入式模擬斷路器則能解決這一難題。

圖1中220 V操作電源HWJ 和TWJ繼電器內(nèi)阻的取值一般在10 K到25 K之間，110 V操作電源HWJ 和TWJ繼電器內(nèi)阻取值一般在4 K到20 K之間;常規(guī)操作回路板卡各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)見表1。因此，對(duì)測(cè)試?yán)^電保護(hù)裝置操作回路功能的模擬短路器關(guān)鍵元器件的選型要充分考慮以上數(shù)據(jù)。

2? ?嵌入式模擬斷路器設(shè)計(jì)

斷路器相當(dāng)于一個(gè)雙位置開關(guān)，其合閘延時(shí)和跳閘延時(shí)可以有微處理器進(jìn)行控制，跳閘線圈和合閘線圈也可以用大容量電阻進(jìn)行模擬[12-13]，在繼電保護(hù)裝置完成跳閘和合閘后，模擬電阻的電流會(huì)被控制開關(guān)切斷。嵌入式模擬斷路器板卡需滿足以下兩點(diǎn)基本要求：1.模擬斷路器板卡與測(cè)試儀主控CPU板卡進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。由于繼電保護(hù)測(cè)試儀的開入板、開出板、模擬量輸出板等均采用背板CAN總線與測(cè)試儀的CPU板進(jìn)行通信，模擬斷路器同樣采樣CAN通信方式。2.模擬斷路器需同時(shí)滿足220V和110V操作回路的整機(jī)測(cè)試需求。

2.1? ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式模擬斷路器是以ARM微處理器為核心，IGBT絕緣柵雙極晶體管IRG4BC20S、場(chǎng)效應(yīng)管BSS123LT1G、電阻、穩(wěn)壓二極管、各種光耦等元器件構(gòu)成的檢測(cè)與控制電路。

系統(tǒng)主控制器采用支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤并帶有高速Flash 存儲(chǔ)器的 32 位 ARM 芯片 LPC2119，其128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使 32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。圖2中，TQ1_CHECK 是檢測(cè)裝置跳閘輸入信號(hào)，TZ1是跳位控制信號(hào)，可將裝置置跳位;PWN_ON 是電源負(fù)控制信號(hào)，用于控制電源;HQ_CHECK是檢測(cè)裝置合閘輸入信號(hào)，HZ是裝置合位控制信號(hào)，可將裝置置合位。CANRX和CANTX 與繼電保護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行通信，傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)。

2.2? ?核心電路設(shè)計(jì)

根據(jù)繼電保護(hù)裝置整機(jī)測(cè)試需求分析，嵌入式模擬斷路器需有以下三部分子電路組成：斷路器跳閘線圈和合閘線圈模擬電路;跳位、合位控制電路;跳位、合位信號(hào)檢測(cè)電路，核心電路設(shè)計(jì)見圖3。其中，用于切斷跳合閘回路的開關(guān)，選擇IGBT絕緣柵雙極晶體管IRG4BC20S。該電路充分利用IRG4BC20S快速開關(guān)特性，將集電極和發(fā)射集接到回路上，通過柵極來控制回路的導(dǎo)通與斷開特性。IRG4BC20S集電極-發(fā)射極擊穿電壓600 V，最大承受19 A的電流，可以同時(shí)滿足低壓保護(hù)和高壓保護(hù)操作回路的模擬測(cè)試，當(dāng)UGE<=0時(shí)，IGBT呈關(guān)斷狀態(tài);當(dāng)UCE<0時(shí)，IGBT呈反向阻斷狀態(tài);當(dāng)UCE>0&VGE>Vth時(shí)，集電極和發(fā)射集導(dǎo)通狀態(tài);當(dāng)UCE>0且UCE

2.3? ?電源控制保護(hù)電路

嵌入式模擬斷路器在使用過程中，有模擬斷路器和繼電保護(hù)裝置的操作回路板卡形成跳合閘回路。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，保護(hù)裝置的電源負(fù)和操作回路電源負(fù)短接，并有模擬斷路器來控制，當(dāng)操作過程中，跳閘或合閘回路中的任何一個(gè)回路沒有斷開的時(shí)間超過最大設(shè)定斷開時(shí)間后，系統(tǒng)有電源控制回路自動(dòng)斷開測(cè)試電源 220 V-，起到保護(hù)模擬斷路器和繼電保護(hù)裝置的作用。

圖4為電源控制電路圖，其中PWN_ON置高電平時(shí)，繼電器接點(diǎn)導(dǎo)通，裝置上電。PWN_ON置低電平時(shí)，繼電器接點(diǎn)斷開，裝置斷電。圖中選擇繼電器開關(guān)電壓為250V DC，開關(guān)電流 8 A，滿足對(duì)常規(guī)繼電保護(hù)裝置電源的控制要求。

2.4? ?系統(tǒng)軟件流程

嵌入式模擬斷路器根據(jù)測(cè)試儀主控CPU板卡發(fā)來的指令，完成裝置跳位、合位的設(shè)置。系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)繼電保護(hù)裝置的跳閘和合閘信號(hào)來切斷電源，起到保護(hù)測(cè)試儀器和保護(hù)繼電保護(hù)裝置的雙重作用。具體流程見圖5。

3? ?系統(tǒng)應(yīng)用分析

基于嵌入式理念設(shè)計(jì)的模擬斷路器模塊作為繼電保護(hù)測(cè)試儀的一個(gè)重要功能插件，實(shí)現(xiàn)了按照測(cè)試需求進(jìn)行靈活選配，提高了繼電保護(hù)裝置的整機(jī)測(cè)試效率，尤其是像變壓器非電量保護(hù)裝置這種具備多個(gè)操作回路裝置的整機(jī)測(cè)試效率。

帶單個(gè)操作回路的保護(hù)裝置整機(jī)測(cè)試連線見圖6。其中，在保護(hù)裝置側(cè)，TWJ-和合閘線圈兩個(gè)接點(diǎn)短接并與測(cè)試儀的HQ接點(diǎn)連接;HWJ-和跳閘線圈兩個(gè)接點(diǎn)短接并與測(cè)試儀的TQ接點(diǎn)連接。操作回路的控制電源負(fù)與裝置電源負(fù)短接并與測(cè)試儀模擬斷路器板卡上的電源OUT-連接;保護(hù)裝置操作回路上的控制電源正與裝置電源正同時(shí)接220 V正或110 V正，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電源有模擬斷路器板卡的靈活控制。

帶多個(gè)操作回路板卡的保護(hù)裝置整機(jī)測(cè)試僅需在測(cè)試儀側(cè)增加相應(yīng)數(shù)量模擬斷路器功能板卡，實(shí)現(xiàn)與保護(hù)裝置操作回路板卡一對(duì)一連接即可，見圖7。多個(gè)操作回路板卡的控制電源負(fù)僅有一個(gè)模擬斷路器板卡的接點(diǎn)控制，保護(hù)裝置操作回路上的控制電源正與裝置電源正同時(shí)接220 V正或110 V正，多個(gè)模擬斷路器板卡上的電源IN負(fù)，裝置電源負(fù)與電源220 V負(fù)或110 V負(fù)連接。

下面結(jié)合圖1、圖3、圖6、圖7，綜合分析下裝置跳合位動(dòng)作情況。裝置上電置合位過程：裝置跳位指示燈滅，合位指示燈亮。在圖3中，TZ1置高電平，HZ置低電平。在跳閘檢測(cè)回路中，TZ1高電平，N溝道場(chǎng)效應(yīng)管V4漏源集導(dǎo)通，光耦U7的1、2管腳在正向電壓驅(qū)動(dòng)下，U7的6、8引腳輸出正電壓，加在U3絕緣柵雙極晶體管IGBT的柵極和發(fā)射集兩端，U3的集電極和發(fā)射集導(dǎo)通。圖1中裝置合位指示燈、HWJ線圈、和圖3中模擬斷路器跳閘線圈的R9-R12導(dǎo)通，裝置合位指示燈亮。由于控制回路電壓大部分加在HWJ上， 加在R9-R12上的電壓不足以讓光耦U11動(dòng)作，因此TQ1_CHECK沒有發(fā)生改變。相反，HZ置低電平，場(chǎng)效應(yīng)管V2關(guān)閉，導(dǎo)致光耦U6不能輸出，因此U1集電極和發(fā)射集關(guān)閉，圖1中裝置跳位指示燈，TWJ線圈和圖3模擬斷路器合閘線圈的R1-R4斷開，沒有形成通路，裝置跳位指示燈滅。

裝置跳閘跟蹤分析：圖1中保護(hù)跳閘接點(diǎn)02與控制電源正導(dǎo)通，由于裝置處于合位，圖1中防跳繼電器TBJ線圈，及06、05接點(diǎn)，圖3中的U3絕緣柵雙極晶體管及電阻R9-R12形成回路，處于導(dǎo)通狀態(tài)，防跳繼電器TBJ勵(lì)磁動(dòng)作，TBJ常開接點(diǎn)閉合。此時(shí)加在模擬跳閘線圈的4個(gè)電阻R9-R12上的電壓加大，致使光耦U11的1、2引腳帶正向電壓，U11導(dǎo)通，系統(tǒng)檢測(cè)TQ1_CHECK變位為1，裝置發(fā)生了跳閘。此時(shí)裝置合位指示燈亮，裝置跳位指示燈滅，系統(tǒng)需要將裝置合位指示燈所在回路斷開，跳位指示燈所在回路接通。圖3中的TZ1置低電平，U3絕緣柵雙極晶體管IGBT關(guān)閉，裝置合位指示燈滅。圖3中的HZ置高電平，U1絕緣柵雙極晶體管IGBT導(dǎo)通，圖1中跳位指示燈，TWJ線圈和圖3中模擬斷路器合閘線圈的R1-R4回路導(dǎo)通，裝置跳位指示燈亮。

裝置合閘過程分析：圖1中保護(hù)合閘接點(diǎn)09與控制電源正導(dǎo)通，由于裝置處于跳位，圖1中合閘保持繼電器HBJ線圈，及07、08接點(diǎn)，圖3中的U1絕緣柵雙極晶體管及電阻R1-R4形成回路，處于導(dǎo)通狀態(tài)，合閘保持繼電器HBJ勵(lì)磁動(dòng)作，HBJ常開接點(diǎn)閉合。此時(shí)加在模擬跳閘線圈的4個(gè)電阻R1-R4上的電壓加大，致使光耦U9的1、2引腳帶正向電壓，U9導(dǎo)通，系統(tǒng)檢測(cè)HQ_CHECK變位為1，判斷裝置發(fā)生了合閘。此時(shí)裝置跳位指示燈亮，裝置合位指示燈滅，系統(tǒng)需要將裝置合位指示燈所在回路接通，跳位指示燈所在回路斷開。圖3中的HZ置低電平，U3絕緣柵雙極晶體管IGBT斷開，圖1中跳位指示燈，TWJ線圈和圖3中模擬斷路器合閘線圈的R1-R4回路斷開，裝置跳位指示燈滅。圖3中的TZ1置高電平，U1絕緣柵雙極晶體管IGBT導(dǎo)通，圖1中裝置合位指示燈、HWJ線圈、和圖3中模擬斷路器跳閘線圈的R9-R12形成回路導(dǎo)通，裝置合位指示燈亮。

通過對(duì)裝置上電置位，跳閘過程跟蹤，合閘過程跟蹤分析，可以看出所設(shè)計(jì)嵌入式模擬斷路器能夠正確地與裝置的操作回路板卡進(jìn)行配合，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置包含操作回路功能在內(nèi)的各項(xiàng)功能全自動(dòng)測(cè)試。測(cè)試儀按照需求進(jìn)行配置嵌入式模擬斷路器板卡，有效改變了以往測(cè)試帶操作回路保護(hù)裝置的整體測(cè)試環(huán)境和測(cè)試效果，整個(gè)測(cè)試環(huán)境變得更加簡(jiǎn)潔、緊湊，測(cè)試更加高效。嵌入式模擬斷路器板卡的研制使保護(hù)裝置操作回路板卡輸入接點(diǎn)測(cè)試范圍更廣更全;對(duì)于操作回路板卡上的空節(jié)點(diǎn)輸出，如控制回路斷線，跳閘位置，合閘位置，手跳信號(hào)，事故總等節(jié)點(diǎn)也都能在邏輯測(cè)試過程中進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，使整機(jī)測(cè)試效率提高50%以上，改進(jìn)前后，測(cè)試效果對(duì)比見圖8。

5? ?結(jié)? ?論

提出了基于繼電保護(hù)測(cè)試儀側(cè)一體化嵌入式模擬斷路器設(shè)計(jì)新方法。硬件設(shè)計(jì)上，將模擬斷路器設(shè)計(jì)成獨(dú)立功能模塊板卡，根據(jù)測(cè)試需求靈活配置;軟件設(shè)計(jì)上，ARM 微處理可以按測(cè)試儀的指令進(jìn)行裝置位置指定，滿足了繼電保護(hù)裝置各項(xiàng)功能測(cè)試需求。提出的方案將兩個(gè)原本獨(dú)立的測(cè)試過程銜接起來，使保護(hù)裝置整機(jī)測(cè)試自動(dòng)化程度更高。長(zhǎng)期應(yīng)用表明，該方法為繼電保護(hù)裝置的整體功能連續(xù)自動(dòng)測(cè)試提供了高效解決方案，具有一定推廣價(jià)值。

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