继电保护装置整机测试用嵌入式模拟断路器研究

2019-11-05 10:20王治国笃峻于哲李兴建宋伟成刘皋培
计算技术与自动化 2019年3期
关键词:保护装置

王治国 笃峻 于哲 李兴建 宋伟成 刘皋培

摘   要: 为解决常规继电保护测试仪不能对带操作回路继电保护装置进行全自动测试的难题,通过对继电保护装置操作回路板卡及现有模拟断路器的研究,提出了一种配合其整机全自动调试用的嵌入式模拟断路器功能板卡设计方法。该模拟断路器采用以数字电路为核心的集成电路设计理念,它将ARM微处理器作为主控制器同继电保护测试仪进行通信及实时信号处理,从而实现继电保护装置跳合位的跟踪与控制。同时采用模块化的硬件设计,并将相应测试功能全部集成到一块功能板卡上,无缝集成到继电保护测试仪中。长期应用表明,该方法实现了继电保护装置整机逻辑功能整体一键式全自动测试,有效提高了继电保护装置的整机调试效率。

关键词:模拟断路器;保护装置;测试仪器;操作回路

中图分类号:TP3930.6                                           文献标识码: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

長期以来,继电保护测试技术都是继电保护领域研究的热点之一。文献[1-5]提出了新的继电保护自动测试平台;文献[6-9]设计了新的继电保护测试方案和自动测试系统。测试技术的不断进步促进了继电保护装置产品质量的持续提高,同时也提高了整机测试效率[10]。而继电保护装置是否带操作回路功能,其整机测试内容有所不同。不带操作回路的继电保护装置只要对装置输入故障模拟量,将测试仪的开入、开出与保护装置的开出、开入形成闭环,即可对保护装置的接点进行保障性测试验证;而带操作回路的继电保护装置需断路器配合才能测试,但通常都用模拟断路器装置来代替真实的断路器。不过,对于大批量继电保护装置工厂化测试而言,由于继电保护测试仪和模拟断路器无法通信,测试仪不能自动控制模拟断路器来配合保护装置功能接点测试,保护装置要分两部分独立测试,测试效率十分低下。

文献[11]对继电保护装置操作回路从单板测试的角度进行了阐述;文献[12-15]论述了独立式断路器模拟装置的设计方法;文献[16]设计了断路器回路电阻测试系统;文献[17]论述了带跳闸回路监视的断路器操作回路设计方法。以上文献对断路器的原理或者模拟断路器的设计进行了研究,但对继电保护测试仪嵌入式模拟断路器的研发与应用没有进行深入讨论,而对带操作回路继电保护装置的测试,使用嵌入式模拟断路器进行整机测试,能够将两个独立的测试过程合二为一,实现测试流程的自动化。

嵌入式模拟断路器是将常规模拟断路器整合到继电保护测试仪中的一种设计新方案,本文所提方案充分利用当前集成电路的优越性能,根据模拟断路器的原理进行模块化、小型化并与继电保护测试仪进行一体化设计。嵌入式模拟断路器能够接收整机测试仪的命令,实现双向通信;具有造价低、功耗小、工作可靠和抗干抗性好等优点,同时又能根据继电保护装置的测试需求灵活选配功能板卡数量,做到测试有的放矢,从而有效提高继电保护装置的整机测试效率。

1   测试需求分析

图1是典型的低压保护操作回路原理图,通常具备以下几个入口接点:保护合闸入口,保护跳闸入口,永跳入口,手动合闸入口和手动跳闸入口,有时还会衍生出遥控跳闸、合闸入口。对带有操作回路功能继电保护装置的测试,不外乎以上几个入口功能的测试及其相应位置出口测试。嵌入式模拟断路器的功能在满足继电保护装置跳合闸功率要求外,还应能与继电保护测试仪进行内部通信,接收测试仪命令,强制装置在上电的时候,处于合闸位置或跳闸位置,及跳闸合闸信息反馈给测试仪主控CPU板卡。

继电保护装置整机检测的关注点在于保护装置各功能板卡的一致性检测,各功能板卡在做完单板功能检测后,主要进行和机箱背板连接情况及保护装置整体检测。图1中操作回路板卡检测主要关注继电保护装置的跳闸、重合闸等硬件逻辑检测。例如:变压器非电量保护装置具有高、中、低三个或四个操作回路,而对这类保护装置测试就同时需要三到四个断路器,如进行实际断路器接入测试,困难重重。但基于模块化的嵌入式模拟断路器则能解决这一难题。

图1中220 V操作电源HWJ 和TWJ继电器内阻的取值一般在10 K到25 K之间,110 V操作电源HWJ 和TWJ继电器内阻取值一般在4 K到20 K之间;常规操作回路板卡各项性能数据见表1。因此,对测试继电保护装置操作回路功能的模拟短路器关键元器件的选型要充分考虑以上数据。

2   嵌入式模拟断路器设计

断路器相当于一个双位置开关,其合闸延时和跳闸延时可以有微处理器进行控制,跳闸线圈和合闸线圈也可以用大容量电阻进行模拟[12-13],在继电保护装置完成跳闸和合闸后,模拟电阻的电流会被控制开关切断。嵌入式模拟断路器板卡需满足以下两点基本要求:1.模拟断路器板卡与测试仪主控CPU板卡进行通信,实现数据互通。由于继电保护测试仪的开入板、开出板、模拟量输出板等均采用背板CAN总线与测试仪的CPU板进行通信,模拟断路器同样采样CAN通信方式。2.模拟断路器需同时满足220V和110V操作回路的整机测试需求。

2.1   系统设计

嵌入式模拟断路器是以ARM微处理器为核心,IGBT绝缘栅双极晶体管IRG4BC20S、场效应管BSS123LT1G、电阻、稳压二极管、各种光耦等元器件构成的检测与控制电路。

系统主控制器采用支持实时仿真和跟踪并带有高速Flash 存储器的 32 位 ARM 芯片 LPC2119,其128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32 位代码能够在最大时钟速率下运行。图2中,TQ1_CHECK 是检测装置跳闸输入信号,TZ1是跳位控制信号,可将装置置跳位;PWN_ON 是电源负控制信号,用于控制电源;HQ_CHECK是检测装置合闸输入信号,HZ是装置合位控制信号,可将装置置合位。CANRX和CANTX 与继电保护测试仪进行通信,传输测试数据。

2.2   核心电路设计

根据继电保护装置整机测试需求分析,嵌入式模拟断路器需有以下三部分子电路组成:断路器跳闸线圈和合闸线圈模拟电路;跳位、合位控制电路;跳位、合位信号检测电路,核心电路设计见图3。其中,用于切断跳合闸回路的开关,选择IGBT绝缘栅双极晶体管IRG4BC20S。该电路充分利用IRG4BC20S快速开关特性,将集电极和发射集接到回路上,通过栅极来控制回路的导通与断开特性。IRG4BC20S集电极-发射极击穿电压600 V,最大承受19 A的电流,可以同时满足低压保护和高压保护操作回路的模拟测试,当UGE<=0时,IGBT呈关断状态;当UCE<0时,IGBT呈反向阻断状态;当UCE>0&VGE>Vth时,集电极和发射集导通状态;当UCE>0且UCE

2.3   电源控制保护电路

嵌入式模拟断路器在使用过程中,有模拟断路器和继电保护装置的操作回路板卡形成跳合闸回路。本系统在设计时,保护装置的电源负和操作回路电源负短接,并有模拟断路器来控制,当操作过程中,跳闸或合闸回路中的任何一个回路没有断开的时间超过最大设定断开时间后,系统有电源控制回路自动断开测试电源 220 V-,起到保护模拟断路器和继电保护装置的作用。

图4为电源控制电路图,其中PWN_ON置高电平时,继电器接点导通,装置上电。PWN_ON置低电平时,继电器接点断开,装置断电。图中选择继电器开关电压为250V DC,开关电流 8 A,满足对常规继电保护装置电源的控制要求。

2.4   系统软件流程

嵌入式模拟断路器根据测试仪主控CPU板卡发来的指令,完成装置跳位、合位的设置。系统通过实时监测继电保护装置的跳闸和合闸信号来切断电源,起到保护测试仪器和保护继电保护装置的双重作用。具体流程见图5。

3   系统应用分析

基于嵌入式理念设计的模拟断路器模块作为继电保护测试仪的一个重要功能插件,实现了按照测试需求进行灵活选配,提高了继电保护装置的整机测试效率,尤其是像变压器非电量保护装置這种具备多个操作回路装置的整机测试效率。

带单个操作回路的保护装置整机测试连线见图6。其中,在保护装置侧,TWJ-和合闸线圈两个接点短接并与测试仪的HQ接点连接;HWJ-和跳闸线圈两个接点短接并与测试仪的TQ接点连接。操作回路的控制电源负与装置电源负短接并与测试仪模拟断路器板卡上的电源OUT-连接;保护装置操作回路上的控制电源正与装置电源正同时接220 V正或110 V正,实现整个电源有模拟断路器板卡的灵活控制。

带多个操作回路板卡的保护装置整机测试仅需在测试仪侧增加相应数量模拟断路器功能板卡,实现与保护装置操作回路板卡一对一连接即可,见图7。多个操作回路板卡的控制电源负仅有一个模拟断路器板卡的接点控制,保护装置操作回路上的控制电源正与装置电源正同时接220 V正或110 V正,多个模拟断路器板卡上的电源IN负,装置电源负与电源220 V负或110 V负连接。

下面结合图1、图3、图6、图7,综合分析下装置跳合位动作情况。装置上电置合位过程:装置跳位指示灯灭,合位指示灯亮。在图3中,TZ1置高电平,HZ置低电平。在跳闸检测回路中,TZ1高电平,N沟道场效应管V4漏源集导通,光耦U7的1、2管脚在正向电压驱动下,U7的6、8引脚输出正电压,加在U3绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极和发射集两端,U3的集电极和发射集导通。图1中装置合位指示灯、HWJ线圈、和图3中模拟断路器跳闸线圈的R9-R12导通,装置合位指示灯亮。由于控制回路电压大部分加在HWJ上, 加在R9-R12上的电压不足以让光耦U11动作,因此TQ1_CHECK没有发生改变。相反,HZ置低电平,场效应管V2关闭,导致光耦U6不能输出,因此U1集电极和发射集关闭,图1中装置跳位指示灯,TWJ线圈和图3模拟断路器合闸线圈的R1-R4断开,没有形成通路,装置跳位指示灯灭。

装置跳闸跟踪分析:图1中保护跳闸接点02与控制电源正导通,由于装置处于合位,图1中防跳继电器TBJ线圈,及06、05接点,图3中的U3绝缘栅双极晶体管及电阻R9-R12形成回路,处于导通状态,防跳继电器TBJ励磁动作,TBJ常开接点闭合。此时加在模拟跳闸线圈的4个电阻R9-R12上的电压加大,致使光耦U11的1、2引脚带正向电压,U11导通,系统检测TQ1_CHECK变位为1,装置发生了跳闸。此时装置合位指示灯亮,装置跳位指示灯灭,系统需要将装置合位指示灯所在回路断开,跳位指示灯所在回路接通。图3中的TZ1置低电平,U3绝缘栅双极晶体管IGBT关闭,装置合位指示灯灭。图3中的HZ置高电平,U1绝缘栅双极晶体管IGBT导通,图1中跳位指示灯,TWJ线圈和图3中模拟断路器合闸线圈的R1-R4回路导通,装置跳位指示灯亮。

装置合闸过程分析:图1中保护合闸接点09与控制电源正导通,由于装置处于跳位,图1中合闸保持继电器HBJ线圈,及07、08接点,图3中的U1绝缘栅双极晶体管及电阻R1-R4形成回路,处于导通状态,合闸保持继电器HBJ励磁动作,HBJ常开接点闭合。此时加在模拟跳闸线圈的4个电阻R1-R4上的电压加大,致使光耦U9的1、2引脚带正向电压,U9导通,系统检测HQ_CHECK变位为1,判断装置发生了合闸。此时装置跳位指示灯亮,装置合位指示灯灭,系统需要将装置合位指示灯所在回路接通,跳位指示灯所在回路断开。图3中的HZ置低电平,U3绝缘栅双极晶体管IGBT断开,图1中跳位指示灯,TWJ线圈和图3中模拟断路器合闸线圈的R1-R4回路断开,装置跳位指示灯灭。图3中的TZ1置高电平,U1绝缘栅双极晶体管IGBT导通,图1中装置合位指示灯、HWJ线圈、和图3中模拟断路器跳闸线圈的R9-R12形成回路导通,装置合位指示灯亮。

通过对装置上电置位,跳闸过程跟踪,合闸过程跟踪分析,可以看出所设计嵌入式模拟断路器能够正确地与装置的操作回路板卡进行配合,实现继电保护装置包含操作回路功能在内的各项功能全自动测试。测试仪按照需求进行配置嵌入式模拟断路器板卡,有效改变了以往测试带操作回路保护装置的整体测试环境和测试效果,整个测试环境变得更加简洁、紧凑,测试更加高效。嵌入式模拟断路器板卡的研制使保护装置操作回路板卡输入接点测试范围更广更全;对于操作回路板卡上的空节点输出,如控制回路断线,跳闸位置,合闸位置,手跳信号,事故总等节点也都能在逻辑测试过程中进行自动测试,使整机测试效率提高50%以上,改进前后,测试效果对比见图8。

5   结   论

提出了基于继电保护测试仪侧一体化嵌入式模拟断路器设计新方法。硬件设计上,将模拟断路器设计成独立功能模块板卡,根据测试需求灵活配置;软件设计上,ARM 微处理可以按测试仪的指令进行装置位置指定,满足了继电保护装置各项功能测试需求。提出的方案将两个原本独立的测试过程衔接起来,使保护装置整机测试自动化程度更高。长期应用表明,该方法为继电保护装置的整体功能连续自动测试提供了高效解决方案,具有一定推广价值。

参考文献

[1]    王治国,笃峻,王翔,等. 继电保护装置整机柔性智能测试系统设计[J].自动化与仪表,2018,33(9):104—108.

[2]    王治国,于哲,笃峻,等. 继电保护装置整机智能测试及其关键技术研究[J]. 计算技术与自动化,2018,37(04):21—26.

[3]    李保恩.智能变电站继电保护装置自动测试平台的研究和应用[J].电力系统保护与控制,2017,45(7):131—135.

[4]    陈德辉,王丰,杨志宏. 智能变电站二次系统通用测试平台方案[J]. 电力系统保护与控制,2016,44(1):139—143.

[5]    王治国,陆静,于哲,等. 智能配網终端罩式 FTU 整机自动测试开发与应用研究[J].江苏电机工程,2016,35(04):60—63.

[6]    钱浩,邢海青,韩永强,等. 一种继电保护自动测试方案实现方法[J]. 自动化仪表,2015,36(5): 71—79.

[7]    刘巍,赵勇,石光. 智能变电站继电保护装置一键式测试方法及系统[J].电力自动化设备,2013,33(2):152—154.

[8]    王忠,张晓莉,李忠安,等. 继电保护装置自动测试系统设计[J]. 电力系统保护与控制,2015,43(5): 130—134.

[9]    耿治,张建忠,陈昊. 智能变电站保护装置自动测试系统分析与设计[J]. 电力系统保护与控制,2017,45(11):121—125.

[10]  邬捷龙.继电保护测试技术的现状与展望[J].聪慧电力,2016,44(3):77—80.

[11]  季凌武,王成婉,夏传帮,等. 基于模块化的继电保护操作板测试仪[J],电力自动化设备,2012,32(2):137—140.

[12]  吴康雄. 一种模拟断路器的设计原理[J].电力建设,2000,(2):37—39.

[13]  许兆风,马燕峰,盛兆俊. 一种实用的断路器模拟装置设计[J]. 电力自动化设备,2002,(23):49—50.

[14]  张惠山.一种智能型继电保护设备调试专用模拟断路器的研制[J]. 河北电力技术,2015,34(6):52—54.

[15]  王澎,孙玉成,邱金辉,等. 微机型继电保护测试用模拟断路器的研制[J]. 电网技术,2003,27(4):83—86.

[16]  肖建涛,王毅,吕锦柏,等. 新型断路器回路电阻测试系统的研究[J]. 电测与仪表,2014,51(5):67—71.

[17]  周华良,夏 雨,邹志杨. 带跳闸回路监视的断路器操作回路设计与实现[J]. 江苏电机工程,2011,30(6):41—44.

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