０ 引言
繼電保護(hù)裝置測試儀通過專用的通道給繼電保護(hù)裝置傳輸電壓、電流模擬量，完成一系列規(guī)定的測試項(xiàng)目，可檢驗(yàn)繼電保護(hù)裝置的邏輯、信號(hào)和控制等功能，是測試?yán)^電保護(hù)裝置功能正常與否的重要儀器。利用繼電保護(hù)測試儀輪流對每個(gè)保護(hù)裝置串行調(diào)試模式，越來越無法滿足調(diào)試效率、工期甚至交叉作業(yè)場景的要求［１－３］。文獻(xiàn)［４］通過對電源盤外接分布式接口的改造實(shí)現(xiàn)了多間隔同時(shí)調(diào)試智能柜，但在現(xiàn)場應(yīng)用中還需將多個(gè)調(diào)試儀連接至擴(kuò)展接口，該設(shè)計(jì)從原理上依舊無法達(dá)到并行工作的目的。文獻(xiàn)［５］考慮使用兩臺(tái)測試儀串聯(lián)輸出的方法來應(yīng)對無源電流保護(hù)整組試驗(yàn)下輸出電流幅度不達(dá)標(biāo)的問題，但過多的儀器和接線會(huì)對現(xiàn)場工作安全性和調(diào)試效率造成影響。文獻(xiàn)［６］開發(fā)了基 于Ｊ２ＭＥ 的調(diào)試輔助軟件，實(shí)現(xiàn)了在手機(jī)上運(yùn)行Ｊａｖａ程序，完成定值校驗(yàn)工作，遠(yuǎn)程調(diào)試雖有效減小了現(xiàn)場空間占用，但只能執(zhí)行定值調(diào)試單項(xiàng)工作，局限性較大且穩(wěn)定性不高。
本文研制一種繼電保護(hù)測試儀輸出擴(kuò)展裝置，將繼電保護(hù)測試儀輸出的電氣量通過分壓、分流的方式擴(kuò)展為多路電壓、多路電流。繼電保護(hù)測試儀連接該擴(kuò)展裝置，再通過多個(gè)電壓電流輸出接口擴(kuò)展連接至多臺(tái)保護(hù)裝置，解決了原有 “一對一 ”串行調(diào)試面臨的重復(fù)接線、搬運(yùn)困難等問 題， 實(shí) 現(xiàn) 了 “一 對 多 ”的 并 行 調(diào) 試， 提 高 了 調(diào) 試效率。
１ 保護(hù)間隔二次作業(yè)現(xiàn)狀分析
保護(hù)間隔二次作業(yè)重要工作內(nèi)容為繼電保護(hù)裝置測試工作［７－８］。繼電保護(hù)裝置測試步驟分別為接線、計(jì) 算、輸入加量、分析結(jié)果和拆線。通過現(xiàn)場調(diào)研，某地區(qū)６座變電站在檢修期間繼電保護(hù)裝置 測試各過程用時(shí)占比見表１。
由表１可得，輸入加量時(shí)間在繼電保護(hù)裝置測試時(shí)間中占比*大，而在實(shí)際工作中，接線、計(jì)算、分析、拆線過程精益化程度較高且難以縮短用時(shí)，因此提升保護(hù)間隔二次作業(yè)效率需減少測試過程中輸入加量時(shí)間。
由于繼電保護(hù)測試儀只有一組電壓輸出出口和一組電流輸出出口，因此在調(diào)試過程中只能對一臺(tái)保護(hù)裝置進(jìn)行輸入加量［９］。在多保護(hù)間隔作業(yè)的場景中，需頻繁地拆、接線以完成對多個(gè)保護(hù)裝置的測試，增加了作業(yè)時(shí)間。另一方面，根據(jù)繼電保護(hù)雙重化及變電站典型設(shè)計(jì)要求，站內(nèi)存在大量雙重化和同型號(hào)的繼電保護(hù)裝置［１０］，在完成**臺(tái)設(shè)備調(diào)試后，調(diào)試其他同型號(hào)的設(shè)備可看作是重復(fù)性工作。
對于該現(xiàn)象，通常的解決方法為增加多臺(tái)繼電保護(hù)測試儀，并需多人同時(shí)進(jìn)行調(diào)試。但是該方法增加了間隔作業(yè)的人員數(shù)量，過多調(diào)試儀及其連接線增加了現(xiàn)場的雜亂程度，易導(dǎo)致發(fā)生事故傷害等危險(xiǎn)。為此，本文針對因頻繁拆、接線，重復(fù)調(diào)試等造成作業(yè)效率較低的問題，研制了一種可擴(kuò)展裝置，可實(shí)現(xiàn)對多臺(tái)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行一次性輸入加量，縮短繼電保護(hù)裝置測試工期，避免人員設(shè)備增加、接線雜亂、安全風(fēng)險(xiǎn)高等弊端。
２ 輸出擴(kuò)展裝置原理
輸出擴(kuò)展裝置的核心是對繼電保護(hù)測試儀的電流和電壓實(shí)現(xiàn)分接擴(kuò)展輸出，分為電壓分接單元和電流分接單元部分。
２．１ 電壓分接單元
電壓分接單元主要是擴(kuò)展電壓回路，實(shí)現(xiàn)各相電壓并輸出功能。綜合考慮變電站間隔數(shù)量及變電站內(nèi)繼電保護(hù)室內(nèi)每排繼電保護(hù)裝置的數(shù)量，設(shè)計(jì)電壓分解單元包含６條電壓輸出支路，如圖１所示。
為節(jié)省現(xiàn)場校驗(yàn)人員量取接線端口處電壓的步驟，在各輸入輸出接口設(shè)計(jì)電壓指示模塊，直觀顯示各接口處的電 壓 幅 值。 電壓指示模塊可實(shí)現(xiàn)電壓采集和顯示功能。
為了 確 保 采 樣 電 壓 值 與 輸 出 負(fù) 載 電 壓值互不影響［１１］，利用 ＺＨＰＴ１０７ 型電壓互感器將接口處 感應(yīng)到的電壓線性等比 例 轉(zhuǎn) 換 為０～５Ｖ 電 壓 值，再 經(jīng) ＳＴＭ３２微處理的 ＡＤ 采樣模塊采樣保持后輸入至 ＳＴＭ３２ 的 Ｉ／Ｏ口，轉(zhuǎn)換 出 原 始 電 壓 值 后， 通過并行口輸入 ＬＣＤ１２８６４液晶屏顯示。
上述電壓分接回路僅以 Ａ 相為示例進(jìn)行說明，Ｂ相、Ｃ相、Ｌ、Ｎ 與 Ａ 相一致，不再贅述。
２．２ 電流分接單元
電流分接單元主要是擴(kuò)展電流回路，實(shí)現(xiàn)各相電流并聯(lián)分流輸出功能。同理，設(shè)計(jì)電流分解單元包含６條電流輸出支路，如圖２所示。
由于各支路負(fù)載無法完全一致，因此經(jīng)銅排分接后的各支路電流大小將有所差異。在電流回路的每條支路串聯(lián)接入可變的線性可調(diào)電阻ＲＡｉ、電感匹配模塊ＬＡｉ，在誤差允許范圍內(nèi)，不改變支路負(fù)載相位的前提下，靈活改變各支路電阻值和電感值，實(shí)現(xiàn)各支路電流相同。調(diào)整前需先測量得到各支路的阻抗值。
以單條負(fù)載支路為例，負(fù)載由電阻Ｒ 和電感Ｌ 構(gòu)成。當(dāng)流入負(fù)載的交流電源頻率為ｆ１，在銅排上通過電壓互感器測得有效值 為Ｕ１時(shí)，在支路上通過電流傳感器測得支路電流為Ｉ１；當(dāng)流入負(fù)載的交流電源頻率為ｆ２，測得電壓有效值為Ｕ２時(shí)，測得支路電流為Ｉ２。繼電保護(hù)測試儀具
備輸出不同頻率電源的功能，故能較方便得到頻率為ｆ１和ｆ２的電源。電阻Ｒ 和電感Ｌ 計(jì)算式為：
Ｌ ＝ １２Ｕ１（ ） Ｉ１２－ Ｕ２（ ） Ｉ２２ｆ２槡 １ －ｆ２２（１）
Ｒ ＝ Ｕ１（ ） Ｉ１２槡 － （２πｆ１Ｌ）２ （２）
測量計(jì)算得到的各支路負(fù)載阻抗值，分 別 記 為 Ｒ１、Ｌ１，Ｒ２、Ｌ２，Ｒ３、Ｌ３，Ｒ４、Ｌ４，Ｒ５、Ｌ５，Ｒ６、Ｌ６。調(diào) 節(jié)電路分為電阻值調(diào)節(jié)和電感值調(diào)節(jié)兩部分，示 意 圖 如 圖３所示。
２．１ 電阻值調(diào)節(jié)
電阻值調(diào)節(jié)原理：以電阻值*大的支路電阻為參考，增大其他支路串聯(lián)接入的線性可調(diào)電阻的電阻輸出值，使支路電阻達(dá)到參考值。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到單片機(jī)發(fā)出的一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)角， 帶動(dòng)可調(diào)電阻轉(zhuǎn)動(dòng)，測量得到電阻增量Ｒ０。
**步：根據(jù)選擇閉合的船型開關(guān)，確定參與分流的支路數(shù)。這里假設(shè)參與分流的支路數(shù)為 Ｎ（２≤Ｎ≤６），意味著船型開關(guān) ＫＡ１、ＫＡ２、…、ＫＡＮ閉合。**步：比較 Ｎ 條支路負(fù)載的電阻值，得到的*大電阻值Ｒｍａｘ將作為電阻參考值，增大其他支路的電阻值，使各支路電阻值相同。第三步：計(jì)算第１條支路電阻與*大電阻值 Ｒｍａｘ之間的差值 ΔＲ１，得到需轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)角數(shù)量 Ｍ＝ΔＲ１／Ｒ０。第四步：由單片機(jī)向第１條支路的步進(jìn)電機(jī)輸出 Ｍ 個(gè)脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電阻的功能。第五步：重復(fù)第三步、第四步，依次調(diào)節(jié)第２條到第Ｎ 條支路的電阻值。
２．２．２ 電感值調(diào)節(jié)
電感值調(diào)節(jié) 原 理：綜合試驗(yàn)測量及繼電保護(hù)電流采樣線圈參數(shù)可知，負(fù)載電感值離散范圍小于１ｍＨ，以 電感值*大的支 路 電 感 為 參 考，增大其他支路串聯(lián)接入的電感 匹 配 模 塊 的 電 感 輸 出 值［１２］， 使支路電感趨近參考值。
電感匹配模塊用于輸出不同大小的電感，內(nèi)部有８個(gè)電感值不同的貼片電感元器件，電感值分別為２．２、４．７、１０、２２、４７、１００、２２０、４７０μＨ，可組合輸出２５５個(gè)不同電感值。工作原理如下：電感元器件接入或退出支路的單片機(jī) ＰＡ４（２０ 號(hào) 引 腳）、ＰＡ５（２１ 號(hào) 引 腳）、ＰＡ６（２２ 號(hào) 引腳）分別與７４ＨＣ５９５移 位 寄 存 器 的１１號(hào) 引 腳、１２號(hào) 引 腳和１４號(hào) 引 腳 相 連。由 單 片 機(jī) ＰＡ４（２０號(hào) 引 腳）和 ＰＡ５（２１號(hào)引腳）輸出不同時(shí)序的高低電平，實(shí) 現(xiàn) 將 ＰＡ６（２２號(hào) 引腳）數(shù)據(jù)串行輸入至７４ＨＣ５９５芯 片，控 制７４ＨＣ５９５芯 片的第１５引腳（數(shù)據(jù) Ｑ０）、第１～７引腳（數(shù)據(jù) Ｑ１～Ｑ７）輸出高電平或低 電 平。 當(dāng) ７４ＨＣ５９５ 芯 片 第 １５ 引 腳、 第 １～７引腳中某引腳輸出高電平時(shí)，連接該引腳的三極管導(dǎo)通，繼電器線圈得電，常開輔助觸點(diǎn)吸合，電感串聯(lián)接入支路中；當(dāng)７４ＨＣ５９５芯 片 第１５引 腳、第１～７引 腳 中 某 引 腳輸出低電平時(shí)，連接該引腳的三極管截止，繼電器線圈不得電，常閉輔助觸點(diǎn)吸合，電感元器件短路，不接入支路中。電路圖如圖４所示。
將電感匹配 模 塊 與７４ＨＣ５９５芯片數(shù)據(jù)位引腳用二進(jìn)制關(guān)系對應(yīng)，見表２。實(shí)施步驟同電阻調(diào)節(jié)類似，這 里 不再贅述。
為了直觀顯示各接口回路中流過的電流幅值，設(shè) 計(jì)電流指示模塊，實(shí)現(xiàn)電流采集和顯示功能。在 各 輸 出 接口Ｉｉｘ處串接 ＷＳ１５２６型電流變送 器，將支路電流線性等比例轉(zhuǎn)換為４～２０ｍＡ 標(biāo) 準(zhǔn) 信 號(hào)，再 經(jīng) ＳＴＭ３２微 處 理 的ＡＤ采樣模塊采樣保持后輸入 ＳＴＭ３２的Ｉ／Ｏ 口，轉(zhuǎn) 換 出原 始 電 流 值 后， 通過并行口輸入 ＬＣＤ１２８６４ 液 晶 屏顯示。
上述電流分接回路僅以 Ａ 相為示例進(jìn)行說明，Ｂ相、Ｃ相、Ｎ 與 Ａ 相一致，不再贅述。
３ 輸出擴(kuò)展裝置模塊設(shè)計(jì)
擴(kuò)展裝置分為電壓調(diào)節(jié)模塊、電流調(diào)節(jié)模塊、邏輯控制模塊、可 視 化 界 面 模 塊、 數(shù)據(jù)通信模塊和供電電源模塊。各模塊間的聯(lián)系示意圖如圖５所示。
３．１ 電壓調(diào)節(jié)模塊
電壓調(diào)節(jié)模塊實(shí)現(xiàn)電壓采集和顯示功能，示意圖如圖６所示。
設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)模塊電路圖并在 Ｐｒｏｔｅｌ仿真軟件中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。測試通過后對電壓互感器、運(yùn)算放大器、微處理器、顯示裝置進(jìn)行搭接，*后測試得到各輸出支路的電壓幅值誤差不超過設(shè)定值的０．５％，見表３。
３．２ 電流調(diào)節(jié)模塊
電流調(diào)節(jié)模塊實(shí)現(xiàn)電流采集和顯示功能示意圖如圖７所示。
同理，設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)模塊電路圖并在 Ｐｒｏｔｅｌ仿真軟件中進(jìn)行仿 真 實(shí) 驗(yàn)。 測試通過后對電流傳感器、 運(yùn) 算 放 大器、電感、微處理器進(jìn)行制作，*后測試得到各輸出支路的電流幅值誤差不超過設(shè)定值的０．５％，見表４。
３．３ 邏輯控制模塊
考慮裝置功能和需求設(shè)計(jì)的邏輯控制模塊電路圖如圖８所示。其中，ＶＣＣ 為 正 電 源；ＰＡ 為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬輸入；ＰＢ、ＰＣ、ＰＤ分別為８位雙向輸入輸出接口；Ｘ１、Ｘ２分別為反向振蕩器的輸入輸出接口。
在 ＫｅｉｌｕＶｉｓｉｏｎ５平臺(tái)中編寫控制程序，測試是否可實(shí)現(xiàn)規(guī)定的輸出要求。邏輯控制測試輸出結(jié)果見表５。由 此可知，經(jīng)過５０次的 測 試，邏輯控制模塊可實(shí)現(xiàn)正確的邏輯判斷。
３．４ 可視化界面模塊
設(shè)計(jì)上位機(jī)可視化界面模塊圖，使用 Ｃ＃語言進(jìn)行界面編程。輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)及文字，測試從輸入到輸出值的正確率。擴(kuò)展裝置下位機(jī)模塊采用的 ＬＣＤ１２８６４液晶屏電路圖如圖９所示。其中，ＶＬ為電壓輸入接口；ＣＳ為低電平選通；ＧＮＤ為接地端；Ｄ為數(shù)據(jù)總線接口。同 理，在 ＫｅｉｌｕＶｉｓｉｏｎ５平臺(tái)測試輸出的準(zhǔn)確性見表６。由此可知，可視化界面可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的顯示功能。
３．５ 數(shù)據(jù)通信模塊
通過以太通用網(wǎng)線（雙絞線）連接擴(kuò)展裝置與計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互［１３］。傳輸協(xié)議采用 ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議實(shí)現(xiàn)雙方收發(fā)數(shù)據(jù)的可靠性。調(diào)試人員在計(jì)算機(jī)交互界面中輸入需擴(kuò)展的接口數(shù)量和電壓電流要求，通過雙絞線傳輸至擴(kuò)展裝置，經(jīng)邏輯控制模塊處理后輸出目標(biāo)值。通 過 約６０次 上下位機(jī)模擬調(diào)試，結(jié)果均滿足傳輸要求，且測試輸出電氣量數(shù)據(jù)符合要求。
３．６ 供電電源模塊
擴(kuò)展裝置專用的電源適配器可實(shí)現(xiàn)工頻交流電源［１４］至５Ｖ／１Ａ 的輸出轉(zhuǎn)換，并在面板中制作開關(guān)按鈕和電源接口。裝置內(nèi)置的鋰電池可在無外接電源情況下連續(xù)供電３～４ｈ。
４ 現(xiàn)場實(shí)物測試
２０２０年４月至２０２１年３月，在某供電公司兩座２２０ｋＶ 新建變電站和一座２２０ｋＶ 技改變電站中應(yīng)用研制的繼電保護(hù)測試儀輸出擴(kuò)展裝置。為了更好地對比檢驗(yàn)擴(kuò)展裝置應(yīng)用效果，在各變電站分別進(jìn)行相同的兩次繼電保護(hù)調(diào)試任務(wù)：一次采用傳統(tǒng)方式， 即單人單臺(tái)調(diào)試儀進(jìn)行調(diào)試；另一次采用單人單臺(tái)調(diào)試儀外接輸出擴(kuò)展裝置進(jìn)行調(diào)試。*后統(tǒng)計(jì)并對比輸入加 量過程所用時(shí)間， 結(jié) 果 見表７。
由表７可知，采用繼電保護(hù)輸出擴(kuò)展裝置對繼電保護(hù)儀進(jìn)行擴(kuò)展輸出，可縮短輸入加量過程４１．０％的用時(shí)，從而減少了繼電保護(hù)裝置測試的時(shí)間。
５ 結(jié)語
本文以傳統(tǒng)繼電保護(hù)調(diào)試過程中 “一對一 ”重復(fù)且低效的加量調(diào)試方式作為突破口，研究了繼電保護(hù)測試儀輸出擴(kuò)展裝置?；跀U(kuò)展裝置電壓分接和電流分接原理，設(shè)計(jì)了６大模塊并進(jìn)行檢驗(yàn)組裝?，F(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用證明，通過繼電保護(hù)測試儀外接擴(kuò)展裝置，再輸出擴(kuò)展至多臺(tái)待測設(shè)備的模式是可行的，實(shí)現(xiàn)了 “一對多 ”的同時(shí)測試，減少了重復(fù)加量過程，一定程度上縮短了作業(yè)時(shí)間。本文研制的繼電保護(hù)測試儀輸出裝置可應(yīng)用于不同電壓等級(jí)變電站中的保護(hù)裝置調(diào)試場景，有利于提升測試效率，減少設(shè)備和人力資源投入，保障人員安全，縮短檢修工期。
