０ 引言
繼電保護裝置測試儀通過專用的通道給繼電保護裝置傳輸電壓、電流模擬量，完成一系列規(guī)定的測試項目，可檢驗繼電保護裝置的邏輯、信號和控制等功能，是測試繼電保護裝置功能正常與否的重要儀器。利用繼電保護測試儀輪流對每個保護裝置串行調(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［４］通過對電源盤外接分布式接口的改造實現(xiàn)了多間隔同時調(diào)試智能柜，但在現(xiàn)場應用中還需將多個調(diào)試儀連接至擴展接口，該設計從原理上依舊無法達到并行工作的目的。文獻［５］考慮使用兩臺測試儀串聯(lián)輸出的方法來應對無源電流保護整組試驗下輸出電流幅度不達標的問題，但過多的儀器和接線會對現(xiàn)場工作安全性和調(diào)試效率造成影響。文獻［６］開發(fā)了基 于Ｊ２ＭＥ 的調(diào)試輔助軟件，實現(xiàn)了在手機上運行Ｊａｖａ程序，完成定值校驗工作，遠程調(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)試單項工作，局限性較大且穩(wěn)定性不高。
本文研制一種繼電保護測試儀輸出擴展裝置，將繼電保護測試儀輸出的電氣量通過分壓、分流的方式擴展為多路電壓、多路電流。繼電保護測試儀連接該擴展裝置，再通過多個電壓電流輸出接口擴展連接至多臺保護裝置，解決了原有 “一對一 ”串行調(diào)試面臨的重復接線、搬運困難等問 題， 實 現(xiàn) 了 “一 對 多 ”的 并 行 調(diào) 試， 提 高 了 調(diào) 試效率。
１ 保護間隔二次作業(yè)現(xiàn)狀分析
保護間隔二次作業(yè)重要工作內(nèi)容為繼電保護裝置測試工作［７－８］。繼電保護裝置測試步驟分別為接線、計 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裝置 測試各過程用時占比見表１。
由表１可得，輸入加量時間在繼電保護裝置測試時間中占比*大，而在實際工作中，接線、計算、分析、拆線過程精益化程度較高且難以縮短用時，因此提升保護間隔二次作業(yè)效率需減少測試過程中輸入加量時間。
由于繼電保護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保護裝置進行輸入加量［９］。在多保護間隔作業(yè)的場景中，需頻繁地拆、接線以完成對多個保護裝置的測試，增加了作業(yè)時間。另一方面，根據(jù)繼電保護雙重化及變電站典型設計要求，站內(nèi)存在大量雙重化和同型號的繼電保護裝置［１０］，在完成**臺設備調(diào)試后，調(diào)試其他同型號的設備可看作是重復性工作。
對于該現(xiàn)象，通常的解決方法為增加多臺繼電保護測試儀，并需多人同時進行調(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，易導致發(fā)生事故傷害等危險。為此，本文針對因頻繁拆、接線，重復調(diào)試等造成作業(yè)效率較低的問題，研制了一種可擴展裝置，可實現(xiàn)對多臺繼電保護裝置進行一次性輸入加量，縮短繼電保護裝置測試工期，避免人員設備增加、接線雜亂、安全風險高等弊端。
２ 輸出擴展裝置原理
輸出擴展裝置的核心是對繼電保護測試儀的電流和電壓實現(xiàn)分接擴展輸出，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展電壓回路，實現(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)繼電保護室內(nèi)每排繼電保護裝置的數(shù)量，設計電壓分解單元包含６條電壓輸出支路，如圖１所示。
為節(jié)省現(xiàn)場校驗人員量取接線端口處電壓的步驟，在各輸入輸出接口設計電壓指示模塊，直觀顯示各接口處的電 壓 幅 值。 電壓指示模塊可實現(xiàn)電壓采集和顯示功能。
為了 確 保 采 樣 電 壓 值 與 輸 出 負 載 電 壓值互不影響［１１］，利用 ＺＨＰＴ１０７ 型電壓互感器將接口處 感應到的電壓線性等比 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展電流回路，實現(xiàn)各相電流并聯(lián)分流輸出功能。同理，設計電流分解單元包含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)，不改變支路負載相位的前提下，靈活改變各支路電阻值和電感值，實現(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。
以單條負載支路為例，負載由電阻Ｒ 和電感Ｌ 構(gòu)成。當流入負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，在支路上通過電流傳感器測得支路電流為Ｉ１；當流入負載的交流電源頻率為ｆ２，測得電壓有效值為Ｕ２時，測得支路電流為Ｉ２。繼電保護測試儀具
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 計算式為：
Ｌ ＝ １２Ｕ１（ ） Ｉ１２－ Ｕ２（ ） Ｉ２２ｆ２槡 １ －ｆ２２（１）
Ｒ ＝ Ｕ１（ ） Ｉ１２槡 － （２πｆ１Ｌ）２ （２）
測量計算得到的各支路負載阻抗值，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，使支路電阻達到參考值。當步進電機驅(qū)動器接收到單片機發(fā)出的一個脈沖信號時轉(zhuǎn)動一個步進角， 帶動可調(diào)電阻轉(zhuǎn)動，測量得到電阻增量Ｒ０。
**步：根據(jù)選擇閉合的船型開關，確定參與分流的支路數(shù)。這里假設參與分流的支路數(shù)為 Ｎ（２≤Ｎ≤６），意味著船型開關 ＫＡ１、ＫＡ２、…、ＫＡＮ閉合。**步：比較 Ｎ 條支路負載的電阻值，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)動的步進角數(shù)量 Ｍ＝ΔＲ１／Ｒ０。第四步：由單片機向第１條支路的步進電機輸出 Ｍ 個脈沖信號，實現(xiàn)調(diào)節(jié)電阻的功能。第五步：重復第三步、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：綜合試驗測量及繼電保護電流采樣線圈參數(shù)可知，負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 ＰＡ４（２０ 號 引 腳）、ＰＡ５（２１ 號 引 腳）、ＰＡ６（２２ 號 引腳）分別與７４ＨＣ５９５移 位 寄 存 器 的１１號 引 腳、１２號 引 腳和１４號 引 腳 相 連。由 單 片 機 ＰＡ４（２０號 引 腳）和 ＰＡ５（２１號引腳）輸出不同時序的高低電平，實 現(xiàn) 將 ＰＡ６（２２號 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 ７４ＨＣ５９５ 芯 片 第 １５ 引 腳、 第 １～７引腳中某引腳輸出高電平時，連接該引腳的三極管導通，繼電器線圈得電，常開輔助觸點吸合，電感串聯(lián)接入支路中；當７４ＨＣ５９５芯 片 第１５引 腳、第１～７引 腳 中 某 引 腳輸出低電平時，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)位引腳用二進制關系對應，見表２。實施步驟同電阻調(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 計電流指示模塊，實現(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 準 信 號，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 相為示例進行說明，Ｂ相、Ｃ相、Ｎ 與 Ａ 相一致，不再贅述。
３ 輸出擴展裝置模塊設計
擴展裝置分為電壓調(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)模塊實現(xiàn)電壓采集和顯示功能，示意圖如圖６所示。
設計電壓調(diào)節(jié)模塊電路圖并在 Ｐｒｏｔｅｌ仿真軟件中進行仿真實驗。測試通過后對電壓互感器、運算放大器、微處理器、顯示裝置進行搭接，*后測試得到各輸出支路的電壓幅值誤差不超過設定值的０．５％，見表３。
３．２ 電流調(diào)節(jié)模塊
電流調(diào)節(jié)模塊實現(xiàn)電流采集和顯示功能示意圖如圖７所示。
同理，設計電流調(diào)節(jié)模塊電路圖并在 Ｐｒｏｔｅｌ仿真軟件中進行仿 真 實 驗。 測試通過后對電流傳感器、 運 算 放 大器、電感、微處理器進行制作，*后測試得到各輸出支路的電流幅值誤差不超過設定值的０．５％，見表４。
３．３ 邏輯控制模塊
考慮裝置功能和需求設計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平臺中編寫控制程序，測試是否可實現(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，邏輯控制模塊可實現(xiàn)正確的邏輯判斷。
３．４ 可視化界面模塊
設計上位機可視化界面模塊圖，使用 Ｃ＃語言進行界面編程。輸入相應數(shù)據(jù)及文字，測試從輸入到輸出值的正確率。擴展裝置下位機模塊采用的 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平臺測試輸出的準確性見表６。由此可知，可視化界面可實現(xiàn)準確的顯示功能。
３．５ 數(shù)據(jù)通信模塊
通過以太通用網(wǎng)線（雙絞線）連接擴展裝置與計算機可實現(xiàn)人機交互［１３］。傳輸協(xié)議采用 ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議實現(xiàn)雙方收發(fā)數(shù)據(jù)的可靠性。調(diào)試人員在計算機交互界面中輸入需擴展的接口數(shù)量和電壓電流要求，通過雙絞線傳輸至擴展裝置，經(jīng)邏輯控制模塊處理后輸出目標值。通 過 約６０次 上下位機模擬調(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
擴展裝置專用的電源適配器可實現(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 技改變電站中應用研制的繼電保護測試儀輸出擴展裝置。為了更好地對比檢驗擴展裝置應用效果，在各變電站分別進行相同的兩次繼電保護調(diào)試任務：一次采用傳統(tǒng)方式， 即單人單臺調(diào)試儀進行調(diào)試；另一次采用單人單臺調(diào)試儀外接輸出擴展裝置進行調(diào)試。*后統(tǒng)計并對比輸入加 量過程所用時間， 結(jié) 果 見表７。
由表７可知，采用繼電保護輸出擴展裝置對繼電保護儀進行擴展輸出，可縮短輸入加量過程４１．０％的用時，從而減少了繼電保護裝置測試的時間。
５ 結(jié)語
本文以傳統(tǒng)繼電保護調(diào)試過程中 “一對一 ”重復且低效的加量調(diào)試方式作為突破口，研究了繼電保護測試儀輸出擴展裝置?；跀U展裝置電壓分接和電流分接原理，設計了６大模塊并進行檢驗組裝?，F(xiàn)場實際應用證明，通過繼電保護測試儀外接擴展裝置，再輸出擴展至多臺待測設備的模式是可行的，實現(xiàn)了 “一對多 ”的同時測試，減少了重復加量過程，一定程度上縮短了作業(yè)時間。本文研制的繼電保護測試儀輸出裝置可應用于不同電壓等級變電站中的保護裝置調(diào)試場景，有利于提升測試效率，減少設備和人力資源投入，保障人員安全，縮短檢修工期。
