暂态行波保护测试仪及其试验方法

摘要

本发明属于电力系统领域,本发明由通过计算机的串行通信线相连接的运行在PC机上的高性能数字仿真器和信号转换与接口单元两部分组成。本发明可以产生宽带高频(0－500千赫兹)、大功率的暂态行波电压(正负100伏特)和暂态行波电流(正负20安培),用作继电保护、故障测距和录波器的试验信号源;其次,作为测试装置,它能够测试被试装置的动作性能,比如,动作速度,动作精度等。

说明书

技术领域：

本发明属于电力系统领域，特别涉及继电保护装置、输电线路故障测距装置和故障录波器等电力系统安全自动装置。

背景技术：

近年来，随着基于暂态电气量的新型继电保护装置、故障测距装置和高精度故障录波装置应用于电力系统，迫切需要一个能够试验该类装置的测试仪器，而且一个真实模拟电力系统故障过程的信号源是必不可少的，这个信号源应由测试仪提供。

不仅仅是实验室试验需要一个完整的试验仪器，而且作为权威部门鉴定认证一个新型的继电器、测距仪和故障录波器也需要一个检测、试验的手段。

基于电磁暂态计算程序EMTP的数字仿真器可以进行继电器原理和算法试验，但不能对实际装置进行试验；在动态模拟实验中，线路由多个集中参数电感元件(电抗器)串联来模拟，它不能模拟实际输电线路上传播的暂态行波；传统的继电保护测试仪能够产生包括工频和各次谐波在内的继电保护试验信号，也能够测定基于工频电气量的微机保护的动作特性和参数，但是不能产生频率高达数百千赫兹的暂态电压和暂态电流信号，因此不能用于暂态保护和行波测距装置的试验。

由加拿大Monitoba大学研制的RTDS是一个实时的电力系统仿真器，它采用数字仿真和相应的模拟放大电路来模拟包括电力系统故障在内的各种电力系统运行状态。当然它也可以应用于继电器测试。但是，这种试验系统不能产生频率高达数百千赫兹的暂态行波过程，因此不能满足行波保护、噪声保护、无通道保护和行波测距仪等反映高频暂态原理装置的试验要求。

技术内容：

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种新型的暂态行波保护测试仪，以此为基础，提出了一种基于暂态电气量的继电器和故障测距仪的试验方法。它首先可以产生宽带高频(0-500千赫兹)、大功率的暂态行波电压(正负100伏特)和暂态行波电流(正负20安培)，用作继电保护、故障测距和录波器的试验信号源；其次，作为测试装置，它能够测试被试装置的动作性能，比如，动作速度，动作精度等。

本发明设计的一种暂态行波保护测试仪，其特征在于：由通过计算机的串行通信线相连接的运行在PC机上的高性能数字仿真器和信号转换与接口单元两部分组成。

所说的数字仿真器可包括：故障计算程序、串行通信程序、继电器的动作结果分析程序以及控制程序。

所说的信号转换与接口单元可包括：进行数字一模拟量转换的高速同步数/模转换电路；与数模转换电路相连接的继电器测试电路和装置的保护电路；与数模转换电路相连接的功率放大电路。

本测试仪能够产生暂态高频大电流、高频高电压信号用于试验暂态行波继电器，并能够测试继电器的动作性能。它由两部分组成：数字仿真器单元和信号转换接口单元，如图1所示，各部分分别说明如下：

1.数字仿真器单元

由计算机和相应的分析计算和控制管理程序构成。作用是进行暂态计算、对整套装置的转换和试验进行控制。

2.信号转换与接口单元

它是硬件单元，由三部分构成

(1)进行数字—模拟量转换的高速同步数/模转换电路；

(2)继电器测试电路和装置的保护电路；

(3)功率放大电路，包括四路大电流输出，达20安培，500千赫兹；四路高电压

   输出，达100伏特，500千赫兹。

它的作用是实现信号转换、功率放大和继电器测试。

本发明利用上述装置对继电器进行试验，可包括以下步骤：

第一步：通过数字仿真器进行故障计算

根据对继电器的试验要求，使用电磁暂态计算程序EMTP进行故障计算，形成故障数据文件。

第二步：通过信号转换与接口单元释放试验信号

把故障数据文件下传给信号转换与接口单元的高速同步数/模转换电路和功率放大电路，模拟产生电流互感器和电压互感器的二次输出。电流互感器额定输出1A或者5A，最大输出20A或者100A；电压互感器额定输出和最大输出为100V。

第三步：继电器动作特性测试和参数记录

通过信号转换与接口单元中的继电器测试电路，扫描继电器的出口接点，并把接点动作时间和动作顺序记录上传给PC机，用于分析继电器的动作特性和动作时间。

本发明的工作过程为

把设计的试验仪的电压电流输出端子和待试验的继电器的电压电流输入端子相连接；把需要测试的继电器输出接点和试验仪的测试端子相连接。

1.试验仪和待测试继电器上电；

2.通过计算机和安装于其上的数字仿真器建立需要仿真的电力系统模型；

3.使用这个数学模型进行电力系统正常电压电流计算和短路计算；

4.把计算结果整理成数据文件；

5.把数据文件下传给数模转换电路；

6.通过数模转换电路把数字量转换成-15伏特—+15伏特的模拟电压；

7.通过功率放大电路把这些电压信号转换成试验用的大电流和高电压信号；

8.这个信号驱动待试验的继电器工作；

9.正常运行时，继电器不会动作；

  发生故障后，继电器根据故障情况动作；

10.继电器动作结果被本装置的继电器测试电路检测到，并通过通信口上传给数字仿真器的计算机；

11.计算机对继电器的动作结果进行分析和记录；

12.最后给出试验报告。本发明的特点和性能指标

运算能力强，能够模拟任何电力系统故障；

能够把数值计算结果转换成大电流和高电压输出去驱动继电器进行试验；

能够试验各种基于暂态电气量的继电器、故障测距装置和其它安全自动装置；

8路试验信号频率高达500千赫兹，其中4路电流达到20安培，4路电压达到100伏特。

具有8路开关量输入，用于记录和测量上述装置的的动作特性和动作参数。

本发明的应用范围

电力局、发电厂和变电站用于试验高压输电线路、发电机、大型电力变压器等电气设备的继电保护装置(包括反映暂态量的快速继电保护装置)；

电力局、发电厂和变电站用于试验输电线路行波故障测距仪；

电力局、发电厂和变电站用于试验其它电力系统安全自动装置，像：高精度电力系统故障录波器，电力系统故障事件记录仪等电力系统自动装置。

其它需要同步、高速度、高精度暂态试验的场合。

附图说明：

图1为本发明的实施例的构成框图。

图2为本实施例数字仿真器的总体程序构成框图。

图3为本实施例数字仿真器的故障计算程序构成框图。

图4为本实施例数字仿真器的串行通信程序构成框图。

图5为本实施例数字仿真器的继电器的动作行为分析程序构成框图。

图6为本实施例数字仿真器的控制程序构成框图。

图7为本实施例的信号转换与接口电路的硬件连接示意图。

图8为本实施例的数字模拟转换插件构成框图。

图9为本实施例的功率放大电路图。

图10为本实施例的继电器测试电路插件示意图。

图11为本实施例的仿真电力系统模型图。

图12为本实施例的模型中，F点发生A相接地故障时继电点的三相电压和三相电流波形。

图13为本实施例的数字模拟转换电路的转换结果对照图。

具体实施方式：

本发明设计的一种暂态行波保护测试仪实施例结合各图详细说明如下：

本实施例的暂态行波保护测试仪组成框图如图1所示，它由通过计算机的串行通信线相连接的两部分组成：

第一部分：运行在PC机上的高性能数字仿真器I

第二部分：信号转换与接口单元II，包括进行数字一模拟量转换的高速同步数/模转换电路；与数模转换电路相连接的继电器测试电路和装置的保护电路；与数模转换电路相连接的功率放大电路。

下面对各单元的构成及工作原理进行详细说明：  

1.数字仿真器单元

本实施例的数字仿真器由计算机和相应的分析计算和控制管理程序构成，该分析计算和控制管理程序如图2所示，包括以下步骤：

1)启动程序进行初始化，建立图形化仿真模型，形成故障计算输入数据文件；

2)调用EMTP电磁暂态计算程序进行故障计算；

3)串行通信口下传给信号转换与接口单元；

4)判断通信是否结束，若否，则返回3)；

5)若通信结束，则判断有无检测结果，若无则继续判断有无检测结果；

6)若有检测结果，则读取继电器动作结果；

7)进行动作结果分析，形成测试报告。

其中，步骤4)、5)、6)承担者对信号转换与接口单元的控制任务，合称为控制程序

上述各主要步骤的实现方法分别说明如下：

故障计算

形成测试所需要的数据文件是一个使用计算机操作的故障计算程序，该程序可包括以下步骤，如图3所示：

(1)在计算机上建立仿真模型，输入仿真系统参数。包括设置发电机、变压器、线路、负荷的参数，设置故障类型、故障点、故障位置、故障开始时间，需要输出的结果等。

(2)调用EMTP电磁暂态计算程序，进行故障仿真计算；

故障仿真计算包括：故障前稳态，故障后暂态，故障后稳态，故障切除后暂态，故障切除后稳态，重合闸重合后暂态，重合闸重合后稳态，永久故障被再次切除后暂态，永久故障切除后稳态。

(3)把EMTP的计算结果整理成数字—模拟量转换所需要的数据格式：

数据格式如下：

故障前稳态数据：每0.1微秒1个点，200个点，4路电压，4路电流；

故障后暂态数据：每1微秒1个点，输出6000个点，4路电压，4路电流；

故障后稳态数据：每0.1微秒1个点，200个点，4路电压，4路电流；

故障切除后暂态数据：每1微秒1个点，输出6000个点，4路电压，4路电流；

故障切除后稳态数据：每0.1微秒1个点，200个点，4路电压，4路电流；

重合闸重合后暂态数据：每1微秒1个点，输出6000个点，4路电压，4路电流；

重合闸重合后稳态数据：每0.1微秒1个点，200个点，4路电压，4路电流；

永久故障被再次切除后暂态数据：每1微秒1个点，输出6000个点，4路电压，4路电流；

永久故障被再次切除后稳态数据：每0.1微秒1个点，200个点，4路电压，4路电流。

串行通信

把上述数据文件通过PC机的串行通信口下传给信号转换与接口单元；把继电器的动作结果(开关量)从信号转换与接口单元取回PC机，该程序框图如图4所示。具体包括以下步骤：

(1)首先发送同步信号；确认收到信号转换与控制单元同步字后；

(2)发送数据文件；判断发送结束；

(3)检测有无需要接收的数据(继电器动作结果)；无-就等待；有，接收该数据；

(4)接收完毕，程序返回。

继电器的动作结果分析

故障发生后，继电器是否动作、动作时间、动作范围都由数字仿真器分析。其程序框图如图5所示，包括以下步骤：

(1)首先要输入待测试继电器的特性；

(2)其次根据测试结果进行对照，如果：

(3)在继电器应该动作的情况下动作，置正确动作标记1，则判定继电器性能良

   好；否则，置不正确动作标记1，则判定继电器错误动作；

(4)或者不应该动作的情况下不动作，置正确动作标记2，则判定继电器性能良

   好；否则，置不正确动作标记2，则判定继电器错误动作；

(5)动作时间是在整定范围内，置正确动作标记3，则判定继电器性能良好；否

   则，置不正确动作标记3，则判定继电器错误动作；

(6)把上述三个原因中的一个或多个结果显示在屏幕上。

控制程序

对一个继电器进行试验，试验的内容、开始和结束的命令由PC机发出，这些命令称为控制字。

因为测试仪的工作内容和过程由该控制字决定，因此数字仿真器在暂态行波保护测试仪中还扮演控制器的作用。

本控制程序采用C++Builder语言编写，如图6所示，包括以下步骤：

(1)发送同步信号，判断是否允许发送；

(2)若是，则发送控制字；否则，返回(1)；

(3)判断是否发送结束，若是，程序返回；否则返回(2)。

2.信号转换与接口单元

它是一个硬件单元，主要功能是实现：数字-模拟量转换、试验信号的功率放大和继电器测试。该单元由以下几部分组成如图7所示：

(1)数字—模拟转换电路插件31把数字量转换为正负15伏的模拟量；

(2)继电器测试电路—开关量检测电插件32检测继电器的动作情况；

(3)功率放大电路插件33把数字—模拟转换结果(正负15伏电压信号)放大成

   为大电流(20安培)和高电压(100伏)输出；

(4)1#电源插件34：输入交流220伏特，输出正负正负15伏特，功率200瓦直

   流电源，用于信号变换和继电器检测；

(5)2#电源插件35：输入交流220伏特，输出正负230伏特，功率3000瓦的直

   流电源，用于功率放大；

(6)母板36：为各个插件提供插座，并承担各个插件之间的联络；

(7)机箱37。

(8)输出信号端子：Ua-38；Ub-39；Uc-40；Ud-41；Ia-42；Ib-43；

   Ic-44；Id-45；

(9)继电器检测端子8个：46，47，48，49，50，51，52，53

(10)交流220v电源插座

(11)串行通信口：55

   该单元的核心是(1)、(2)、(3)三部分。

   上述各部件的具体结构、功能与实现方法详细说明如下：

数字—模拟信号转换电路，其结构如图8所示。由DSP芯片，两个数字—模拟量转换器芯片，八个采样保持器芯片组成。其工作原理为：

该电路通过DSP的I/O口(代替串行口)接收来自数字仿真器的故障数据文件和控制命令，并把数据文件堆放在指定的数据存储器RAM区，进而根据控制命令控制数字量到模拟量的转换。

两个数字—模拟量转换器芯片(D/A)连接在DSP芯片的数据总线上(32位)；第一个数字模拟量转换器芯片(D/A1)连接在DSP芯片的低16位数据总线上；第二个数字模拟量转换器芯片(D/A2)连接在DSP芯片的高16位数据总线上。32位地址总线与他们连通。在DSP控制下，两个D/A同时转换。

第一个D/A转换器(D/A1)顺序转换四路信号，分别放在四个采样保持器芯片(S/H1、S/H2、S/H3、S/H4)里；第二个D/A转换器(D/A2)也顺序转换四路信号，分别放在四个采样保持器芯片(S/H5、S/H6、S/H7、S/H8)里。

在转换控制信号控制下，8路转换结果同步输出。

特别需要说明的是：这个转换电路需要产生高频、8路同步的模拟信号。需要高转换频率是因为我们需要产生高频暂态行波信号，最高的行波频率将达到几百千赫兹甚至上兆赫兹；需要8路模拟信号的同步性是因为在继电器的试验过程中，我们至少需要四路电流(三相电流和零序电流)和四路电压(三相电压和零序电压)，如果8路信号不同步，将给行波的运算和检测造成困难，导致试验失败。但这也许根本不是被试验装置的问题，而是这个试验平台的问题。

在本实施例电路的设计中，对于暂态行波的转换频率设定为1兆赫兹，对于缓慢变化的工频分量和谐波分量转换频率设定为10千赫兹。因此数字—模拟转换不是按照固定的频率而是采用变化的频率，换句话说，在数字模拟转换过程中，多长的时间转换一个点是由DSP来控制的。

当构成这个电路的时候，还需要考虑DSP芯片的速度限制和成本。因此，被转换的数据量是有限制的。

功率放大电路，其电路结构如图9所示。

在普通的微机继电器和故障测距仪中，需要100V的电压和20安培或者100安培的电流作为试验信号，因此功率放大电路是必不可少的。考虑到技术上的可实现性，本实施例的功率放大电路采用了四个电流放大器CA1、CA2、CA3、CA4和四个电压放大器UA1、UA2、UA3、UA4，它能够输出四路频率为500KHZ、电流为20A的电流试验信号和四路频率为500KHZ、电压为100V的电压试验信号。这些功率放大器芯片采用APEX公司生产的PA05(电流型)和PA19(电压型)。

继电器测试电路，

该电路结构如图10所示，由8个光隔芯片(TLP521-1、TLP521-2、TLP521-3、TLP521-4、TLP521-5、TLP521-6、TLP521-7、TLP521-8)组成，检测继电器的8个输出接点(1、2、3、4、5、6、7、8)的变化，8个光隔芯片的输出(1｀、2｀、3｀、4｀、5｀、6｀、7｀、8｀)被DSP记录下来并上传给数字仿真器，用于分析继电器的动作行为和动作时间。

本实施例工作过程

1.利用数字仿真器建立仿真系统模型，如图11所示。

2.利用数字仿真器计算出故障电压和电流，如图12所示。

图12示出了F点发生A相接地故障时继电点的三相电压和三相电流波形。由图12可见，故障发生后、断路器动作切除故障线路MN、重合闸之后、永久故障被再次切除这四个过程都有暂态行波产生，电压电流中包含着丰富的高频分量，其它时间段的电压电流都以工频基波分量为主，这是后面信号转换的基础。

3.利用数字仿真器把计算结果打包并通过微机的串行通信口下传给信号转换与接口单元；

4.利用信号转换与接口电路把数字信号转换成模拟信号，如图13所示。图中给出了转换前和转换后的对照；图13下面的波形示出了输电线路MN在F点发生故障后的A相暂态电流(参加图11)，它是通过EMTP计算得到的(计算步长1微秒)；图13上面的波形示出了数模转换后的模拟信号输出(转换频率1兆赫兹)。对照图13可以看到这两个波形非常相似，这说明数字信号的模拟转换是成功的。

5.利用功率放大电路放大该模拟信号；

6.利用功率放大器的输出电压和电流去试验继电器；

7.利用信号转换与接口电路中的继电器检测单元检测继电器输出(开关量)，并把该开关量结果送回数模转换插件中的DSP芯片；

8.信号转换与接口电路中的数模转换插件经过DSP的串行口送回微机；

9.微机中的数字仿真器记录分析继电器的动作结果并形成报告。

本实施例的主要特点及性能指标

能够高速、同步地把四路数字量电压、四路数字量电流转换为模拟信号输

出。其主要性能指标如下：

1、可以模拟任意复杂电力系统故障；

2、可以产生频率0—500千赫兹，最大电流20安培的四路同步试验电流信号；

3、可以产生频率0—500千赫兹，最大电压100伏特的四路同步试验电压信号；

  可以测试暂态继电器、行波继电器、普通微机继电器的动作性能；

  可以测试行波故障测距装置，工频电气量故障测距装置的测距精度；

  可以测试各种故障录波器的录波性能；

7、最大同步转换误差小于0.5微秒；

8、可以把两台或者三台暂态保护测试仪组成系统，试验基于多端电气量的继电保护和故障测距装置。