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專利名稱：計算機控制繼電保護測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電力緊急保護電路裝置的測試儀器。
數(shù)十年來，我國的電力系統(tǒng)都采用由三相工頻電源供電，經(jīng)變壓器、移相器、大電流發(fā)生器，滑線電阻以產(chǎn)生幅值和相位可以任意改變的三相電壓和電流，以調(diào)試繼電保護和其它自動裝置。為了測量各物理量還需要有較精密的電壓表、電流表、相位計、頻率計和毫秒計等設(shè)備，這些東西運輸困難、占用現(xiàn)場面積大，調(diào)試時還得逐點手動讀取并記錄數(shù)據(jù)，最后人工列表和繪圖。由于技術(shù)落后，往往需用1至2周，才能調(diào)好一臺較復(fù)雜的保護裝置，所以有關(guān)的工人和技術(shù)人員迫切地要求改進這種狀態(tài)。
七十年代，一機部阿城繼電器廠和許昌繼電器廠，相繼生產(chǎn)了保護裝置試驗臺〔參考文獻1〕，鞍山電業(yè)局和寧夏電業(yè)局也分別研制了保護裝置試驗臺。這些設(shè)備比傳統(tǒng)的有了不同程度的改進，但還是采用傳統(tǒng)的技術(shù)，存在自動化程度差功能不強等缺點。
八十年代初，我國建設(shè)了葛州壩－平頂山，大同－北京以及東北、華東等多條五十萬伏超高壓輸電線路。由于這些輸電線路繼電保護在調(diào)試上技術(shù)要求較高，所以從西德和美國引進了比較先進的調(diào)試儀器〔參考文獻2，3〕。
西德西門子公司生產(chǎn)的裝置基本上還是采用傳統(tǒng)的技術(shù)，增設(shè)了電子控制回路，能作動態(tài)試驗，即模擬從正常狀態(tài)轉(zhuǎn)故障狀態(tài)、瞬時故障、重合于永久性故障等。美國多勃工程(DobleEngineering)公司生產(chǎn)的測試儀采用電子模擬技術(shù)，由工頻振蕩器，放大器等構(gòu)成，通入單相電源即可得到工頻三相電壓和一相電流，它們的相位和幅值均可任意調(diào)整。為了作動態(tài)試驗，還需要增加其它裝置。這兩種測試儀在使用上比傳統(tǒng)的方法方便，很受現(xiàn)場工人技術(shù)人員歡迎。它們的缺點是自動化程度還不夠高，每測一個數(shù)據(jù)都要人工干預(yù)，更沒有自動記錄、制表和繪圖功能，也不能產(chǎn)生諧波和測量頻率、相位等物理量。
由于電氣化機車和通過晶閘管向電爐、電解設(shè)備供電的負荷的急劇增多及直流輸電系統(tǒng)的興建，電力系統(tǒng)電壓和電流中高次諧波的分量大到了影響繼電保護和其他自動裝置正常運行的程度〔文獻4，5〕為了測試這一問題，水電部南京自動化研究所研制了綜合諧波發(fā)生裝置〔參考文獻6〕和微機控制的繼電器調(diào)試裝置〔參考文獻7〕。前者用鎖相、倍頻、濾波和移相等電子電路組成，比較復(fù)雜，功能單一，后者能產(chǎn)生三相工頻電壓和一相電流，可以測繼電器的起動值和動作時間。這兩種裝置由于某些技術(shù)上的原因，目前還沒有達到可以實際應(yīng)用的程度。
近十余年來，國外在繼電保護測試自動化方面，做了不少工作。〔參考文獻8〕利用通用計算機產(chǎn)生弱電模擬信號，去試驗研制中距離繼電器直流回路的性能。這種辦法比較經(jīng)濟，但不能測試保護的工頻電壓和電流回路，也不能用它來調(diào)試現(xiàn)場的保護。〔參考文獻9〕引入了數(shù)字技術(shù)，但不是計算機，能定時地自動測試發(fā)電機組的電流、電壓和頻率繼電器。為了用無觸點的辦法，產(chǎn)生數(shù)值可變電流或電壓，它用8個雙向可控硅管開閉8個阻值按二進制組合的電阻以構(gòu)成所謂的靜態(tài)電位器。今天看來，這種辦法既笨重又復(fù)雜，并且不能測試距離、差動等復(fù)雜繼電器。〔參考文獻10〕用一臺計算機同時記錄三臺繼電器的試驗結(jié)果，與前一次結(jié)果比較，判定優(yōu)劣，制作特性圖、測試中，它要配合三臺繼電器試驗器和帶瞬時固定功能的多路數(shù)字儀來使用，顯得很復(fù)雜且不能逐點自動測試。〔參考文獻11〕是目前看到的自動化程度較高的輸配電保護測試儀。它由計算機控制，能產(chǎn)生三相電壓和一相電流，電流和電壓的相位、幅值和頻率可以改變，用以調(diào)試頻率繼電器和阻抗繼電器。如果增加附件，它還可以產(chǎn)生三相電流。這種設(shè)備不能產(chǎn)生高次諧波，也沒有測量頻率和相位的功能，為了打印記錄數(shù)據(jù)和繪出阻抗繼電器的特性，還需要外接打印機和X－Y記錄儀，不便于現(xiàn)場使用。1988年，我國自己研究并制造了第一臺微機控制的繼電保護測試儀〔參考文獻12〕。從功能和實用性看，這種測試儀的許多指標優(yōu)于當時引進的國外同類產(chǎn)品，因此多年來在促進我國繼電保護測試技術(shù)自動化方面起到了積極的作用。但由于當時計算機性能價格比限制，該測試儀主機采用Z－80型中央處理器(以下簡稱CPU)和8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(以下簡稱D／A)，所以在運算速度和性能方面目前已趕不上繼電器保護測試技術(shù)日益發(fā)展的要求。
90年代后我國生產(chǎn)的兩種繼電保護測試儀〔參考文獻13，14〕均以單片機為基礎(chǔ)。其功能不如前一種且開發(fā)新的程序非常困難。
通過聯(lián)機檢索美國對話(Dialog)系統(tǒng)世界專利索引(World Pat-ents Index)1963－－1993年，結(jié)果表明，沒有與本實用新型相同的專利文獻。
本實用新型的目的在于提供一種便攜式微機控制的多功能繼電保護測試儀。多功能是本實用新型的突出優(yōu)點，它不但能產(chǎn)生三相電壓和三相電流的基波，還能產(chǎn)生高次諧波。同時它還能測量時間及頻率和兩個電量間的相位。這充分發(fā)揮了計算機的長處，當負荷在一定范圍內(nèi)變化時，輸出三相電流和電壓的幅值與整定值相比，誤差在允許的范圍內(nèi)，各整定值都可由監(jiān)示器屏幕上讀出。所以測試時不用另附電流表、電壓表相位計。這一點既節(jié)省了設(shè)備和測試時的聯(lián)線又便于各電力試驗所和各變電站之間的頻繁運輸。自動化程度高是本實用新型的另一優(yōu)點，由于該測試儀是可編程的，所以輸入相應(yīng)的程序后，就可以自動地對各種繼電器進行自動測試、記錄并打印出各種參數(shù)，如動作電流、電壓，阻抗值及動作時間等，最后繪出繼電器的特性曲線。
本實用新型的任務(wù)用

圖1所示的框圖來實現(xiàn)，圖中，微型計算機是整個儀器的核心部件。它的作用是存貯當前正在執(zhí)行的程序，中央處理器按照指令一步步進行計算并控制其它部分完成規(guī)定的任務(wù)。磁盤機是永久存貯程序或數(shù)據(jù)的機構(gòu)，鍵盤是計算機接受人們指令的接口。通過鍵盤，可以從磁盤將預(yù)先編好的程序調(diào)入內(nèi)存并開始運行，然后用“菜單”方式選擇所要完成的功能及輸入各種整定值，讓計算機自動地去執(zhí)行指定的任務(wù)。通過鍵盤，還可以輸入并調(diào)試新程序，待確認其正確無誤后，再把它存入磁盤，以備今后使用。顯示器也是人機對話的接口，從顯示屏幕，可以看到輸入的命令、程序、定值和機器執(zhí)行的結(jié)果。使用計算機的全屏幕編輯功能，可以方便地修改原有程序。打印機可以打印內(nèi)存中正在開發(fā)或準備執(zhí)行的程序和測試結(jié)果，也可以將測試結(jié)果用曲線或圖形表示出來，便于人們分析。
6塊12位數(shù)模轉(zhuǎn)換〔D／A〕芯片的作用是將計算機事先計算好并存在內(nèi)存中的三相電流和三相電壓的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后分別輸送給三個電壓源放大器和三個電流源放大器，以產(chǎn)生與整定值相符的功率較大的三相電壓和三相電流。
信號放大整形電路和兩塊計數(shù)芯片的作用是完成測量頻率、相位和時間的功能。
下面介紹本實用新型各部分的構(gòu)成1主機主控制機可以采用286、386、或486型臺式或便攜式個人計算機。這些機型硬件資源豐富、近年來價格已降到可以接受的程度。在軟件方面，可以采用功能強、速度快的C語言來編程。這給擴大測試儀的功能，加快編制各種專用測試程序的速度，以滿足各種用戶要求奠定基礎(chǔ)。另外主機還可以擔負繼電保護表報管理，文字處理，繼電保護定值計算和通過網(wǎng)絡(luò)與上級機關(guān)通訊等任務(wù)。
2數(shù)模轉(zhuǎn)換、定時和開關(guān)量輸入回路這一部分的接線如圖二所示。利用主機中的8237芯片實現(xiàn)D／A的存貯器直接存取，是本部分的關(guān)鍵技術(shù)。這可加快D／A速度并讓CPU有更多時間從事其它的檢測工作。圖中U2－4實現(xiàn)地址譯碼，u1和u5完成數(shù)據(jù)和控制信號的驅(qū)動。u7產(chǎn)生一個穩(wěn)定的4MHz信號，以作為u11和u13的時鐘信號。這一措施可以避免本儀器受不同速度主機時鐘的影響。u11的兩個16位可編程計數(shù)器和u12構(gòu)成鎖相環(huán)。改變計數(shù)器的基數(shù)，就可以改變u6向CPU輸出的DRQ脈沖速度。用這一辦法來控制本測試儀電流源和電壓源的輸出頻率，精度高且穩(wěn)定度好。u15－17構(gòu)成的移位寄存器實現(xiàn)輪流把數(shù)據(jù)總線來的數(shù)據(jù)相應(yīng)地分配給六個12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。六路數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量分別經(jīng)兩級運放將信號放大和平移，輸出三相電流和三相電壓信號給功放部分。
u13的三路16位計數(shù)器測量整形放大回路來的方波寬度和尖脈沖個數(shù)，以實現(xiàn)時間、頻率和相位的測量。
u14可編程并行接口接收被測繼電器返回的跳閘信號或合閘信號，以實現(xiàn)自動測試功能。
3電流源放大器和電壓源放大器電流源放大器和電壓源放大器的接線如圖三所示。D／A來信號先經(jīng)IC1運放再經(jīng)T1－12構(gòu)成的大功率運放將信號放大到所需的功率。將CT1的B點，CT2的A點分別與放大器的A、B點對應(yīng)連接時，由于R4和R18的深度負反饋作用，放大器具有電流源的特性。將放大器的AB兩點與PT1，2的A、B兩點對應(yīng)連接時，放大器具有電壓源的特性。圖3中4個VMOS管T9－12源極分別串電流負反饋電阻R42－45，輸入信號分別經(jīng)R38－41到它們的柵極，對四個功放管的功耗平均分配有很大作用。R42－45的壓降信號分別經(jīng)D10－14和R34、R36去觸發(fā)可控硅SCR1，2實現(xiàn)對功放管的快速保護。上述兩項措施大大地提高功放回路的可靠性。
Ic1的第二個運放將D／A來的信號幅值和輸出信號的幅值比較。當波形失真時報警。IC2將輸出信號作半波整流以推動直流電流表69C1，指示輸出電流或電壓的幅值。
4信號放大整形回路信號放大整形回路的接線如圖四所示。u1和u2是被測交流信號或保護的跳合閘信號。N1－7為7層8421碼的撥碼開關(guān)，實現(xiàn)信號的幅值衰減和極性轉(zhuǎn)換。IC1和IC2分別將兩路信號放大并經(jīng)兩個光耦合器4N36輸入到整形電路IC3，再經(jīng)過兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(IC4)去觸發(fā)雙觸態(tài)觸發(fā)器IC5。輸入信號u1有效時IC5輸出正電位，u2有效時，IC5復(fù)位，輸出零電位。因此IC5輸出信號的寬度與兩輸入信號的時間間隔成正比。計算機就能測出跳合閘時間和交流信號的相位。IC4還輸出一尖脈沖代表交流過零點的間隔，計算機用些信號即可算出此交流信號的頻率。由于IC1和IC2用單獨的電源，它們互相是隔離的，它們和后面的整形放大回路也是隔離的，所以u1和u2不必用同一個公共點。
5電源及保護回路測試儀的交流電源受繼電器J1常開接點的控制(圖五)。當K1閉合后，正電經(jīng)R32、D13給T1供電、T1導(dǎo)通，J1帶電，其常開接點閉合。變壓器PT1和PT2將電源隔離、降壓后經(jīng)整流、濾波和穩(wěn)壓為各部分提供電源。J2－4為過流繼電器。當交流或直流回路有故障時，故障電流使J2－4中一個動作，其常開接點閉合，正電經(jīng)R33觸發(fā)可控硅SCR1。SCR1動作后其陽極電位只有0.8伏。此電位不足以通過D13供給T1基極電流。T1截止后J1失磁，其常開接點切斷交流電源，達到保護的目的。SCR1觸發(fā)后一直維持導(dǎo)通狀態(tài)直到K1斷開為止。
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7.微機控制的繼電器調(diào)試裝置水電部南京自動化研究所。
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13.MRT－01型微機多功能保護試驗裝置海南華電實業(yè)公司。
14.RT－1型微機多功能保護試驗裝置楊州電訊儀器廠。
權(quán)利要求1.一種計算機控制繼電保護測試儀，它采用個人計算機作主機，其技術(shù)特征在于，它包括由主機控制的1至8個數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(D/A)[1]，它們輸出測試用的弱電模擬信號；由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路推動的1至4個電壓源功率放大器[2]和1至4個電流源功率放大器[3]，它們輸出大功率的電壓和電流以推動被測繼電器；1個以上電源回路[4]用來向其它部分供電。
2.如權(quán)利要求1所述的計算機控制繼電保護測試儀，其技術(shù)特征在于數(shù)模轉(zhuǎn)換電路［1］中設(shè)有專用的移位寄存器來實現(xiàn)對多路數(shù)據(jù)的分配，程控鎖相環(huán)控制輸出電壓和電流的頻率。
3.如權(quán)利要求1所述的繼電保護測試儀，其技術(shù)特征在于電壓源功率放大器［2］和電流源功率放大器［3］均由前級為集成運算放大器和后級為分離元件構(gòu)成的功率運算放大器組成，其場效應(yīng)功率放大管的源極都裝有功率均衡電阻和柵極都裝有由可控硅構(gòu)成的保護回路，功放輸出的電壓或電流均經(jīng)過變壓器或變流器反饋到前兩級運放輸入端，以保證放大器具有電壓源或電流源特性。
4.如權(quán)利要求1所述的繼電保護測試儀，其技術(shù)特征在于電源回路［4］的交流輸入端和直流輸出端均裝有1個以上過電流繼電器和熱繼電器以實現(xiàn)過電流和過溫保護功能。
專利摘要本實用新型屬電力緊急保護電路裝置的測試儀器。本實用新型在于提供一種含頻率、相位和幅值可以由程序或鍵盤任意調(diào)整并能在基波之上疊加高次諧波的三相電流源和三相電壓源的儀器，以取代傳統(tǒng)用變壓器、移相器、升流器和多種儀表構(gòu)成的測試回路和現(xiàn)有的功能較差的繼電保護測試儀。該儀器是可編程的，調(diào)入相應(yīng)的程序即能手動或自動測試特定的繼電器、顯示和打印動作電流、電壓、阻抗和時間等參數(shù)并繪出被測繼電器的特性曲線和打印出實驗報告。該儀器并具有測量頻率、相位和時間的功能。
文檔編號G01R31/00GK2212208SQ9421608
公開日1995年11月8日 申請日期1994年6月24日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月24日
發(fā)明者鄭本榮, 靳蘇 申請人:鄭本榮, 靳蘇