新型頻率電壓緊急控制裝置測(cè)試系統(tǒng)研究

摘要：針對(duì)新型頻率電壓緊急控制裝置測(cè)試中較難定量地校驗(yàn)df/dt和du/dt定值，提出采用DSP+ARM控制技術(shù)生成高精度頻率、電壓以及對(duì)應(yīng)的滑差信號(hào)，對(duì)連續(xù)變化測(cè)試、多輪重復(fù)測(cè)試和固定步長(zhǎng)連續(xù)測(cè)試三種邏輯檢測(cè)方法進(jìn)行了分析，并且對(duì)減載裝置的性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試裝置通過加裝模擬斷路器組，減少試驗(yàn)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)斷路器的損耗。詳細(xì)介紹了實(shí)現(xiàn)方案、技術(shù)特點(diǎn)、測(cè)試系統(tǒng)的原理和硬軟件構(gòu)成。

關(guān)鍵詞：頻率電壓緊急控制裝置；測(cè)試系統(tǒng)；頻率變化率df/dt；電壓變化率du/dt；動(dòng)作時(shí)間

中圖分類號(hào)：TM7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）26-0120-03

頻率和電壓是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要狀態(tài)量，在出現(xiàn)較大的電源事故情況下，系統(tǒng)功率失去平衡，頻率或電壓或兩者同時(shí)下降，電網(wǎng)正常運(yùn)行方式受到威脅時(shí)應(yīng)盡快采取一切可能的手段和方法提高電網(wǎng)頻率與電壓的水平。否則，一些小事故將很快擴(kuò)大，嚴(yán)重時(shí)將發(fā)生頻率崩潰或電壓崩潰，造成大面積停電。電力系統(tǒng)在出現(xiàn)嚴(yán)重的有功功率或無功功率缺額的情況下，調(diào)速器、自動(dòng)調(diào)壓器等正常時(shí)的調(diào)節(jié)手段已發(fā)揮不了多大作用，國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)普遍采用了頻率電壓緊急控制措施，在頻率或電壓降低到安全的臨界值以下時(shí)切除部分負(fù)荷，使頻率或電壓回升到臨界值以上。這些措施對(duì)防止事故擴(kuò)大、保障系統(tǒng)安全發(fā)揮了重要作用，常被譽(yù)稱為電力系統(tǒng)安全的“第三道防線”。因此，這些安全自動(dòng)裝置必須按規(guī)程定期進(jìn)行校驗(yàn)測(cè)試，從而確保具有足夠準(zhǔn)確的反應(yīng)能力。

近年來，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和容量的擴(kuò)大，運(yùn)行狀況更加復(fù)雜。與之相適應(yīng)，低頻低壓減載控制技術(shù)也不斷得到改進(jìn)和提高。其中按系統(tǒng)頻率或電壓下降率快速減載的新型自動(dòng)低頻低壓減負(fù)荷裝置得到了大量應(yīng)用。因此，如何建立測(cè)試模型，對(duì)低頻低壓減載裝置進(jìn)行檢測(cè)，正確評(píng)估低頻低壓減載裝置的動(dòng)作特性顯得尤為重要。

低頻低壓減載裝置的動(dòng)作特性檢測(cè)包括動(dòng)作定值、動(dòng)作時(shí)間、加速滑差等。常規(guī)測(cè)試儀器不能夠定量地、準(zhǔn)確地對(duì)自動(dòng)裝置中df/dt、dU/dt動(dòng)作定值（或閉鎖值）以及動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行測(cè)試與校驗(yàn)。針對(duì)這些問題，本文提出并設(shè)計(jì)了一種以DSP微機(jī)技術(shù)為核心的頻率電壓緊急控制裝置測(cè)試系統(tǒng)模塊。該模塊軟硬件基于微機(jī)保護(hù)測(cè)試平臺(tái)，采用突變量啟動(dòng)和時(shí)間補(bǔ)償?shù)姆椒?，主要解決測(cè)試df/dt、du/dt和動(dòng)作時(shí)間的準(zhǔn)確性，既可用于各類型的頻率電壓緊急控制裝置生產(chǎn)和投運(yùn)前的調(diào)試，又可滿足運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)這些自動(dòng)裝置的定期檢測(cè)與校驗(yàn)的要求。

一、測(cè)試系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.測(cè)試原理

頻率電壓緊急控制裝置是從變電站的兩段母線電壓信號(hào)中提取系統(tǒng)的頻率和電壓信息，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障引起系統(tǒng)頻率或局部電網(wǎng)電壓下降時(shí)，自動(dòng)裝置通過就地采集到的頻率或母線電壓與定值比較并進(jìn)行邏輯判斷，按照給定的控制邏輯實(shí)施減載切負(fù)荷。

為此，測(cè)試裝置應(yīng)能模擬正常工作、功率缺額事故情況下頻率和電壓的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性，并且能夠?qū)︻l率電壓緊急控制裝置的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行足夠精度的測(cè)試。針對(duì)低頻低壓減載裝置的測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.主要功能及技術(shù)指標(biāo)

本測(cè)試系統(tǒng)是對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行軟硬件升級(jí)，測(cè)試儀增加了頻率電壓緊急控制軟件測(cè)試模塊和模擬斷路器硬件部分，從而能夠較方便和準(zhǔn)確地校驗(yàn)分散式低周低壓減載裝置的動(dòng)作值、動(dòng)作時(shí)間、閉鎖值、du/dt、df/dt定值，對(duì)集中式減載裝置也可一次完成多輪動(dòng)作時(shí)間測(cè)試。主要功能及技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）模擬量輸出：8個(gè)電壓輸出端，范圍0～120V；2個(gè)電流輸出端，范圍0～2A；可單步調(diào)節(jié)或快速連續(xù)調(diào)節(jié)，且由采用真彩色大屏幕液晶實(shí)時(shí)顯示輸出電壓。交流電壓、電流誤差：0.5%；驅(qū)動(dòng)能力200mA。

（2）輸出頻率：10.00～60.00Hz，可單步調(diào)節(jié)或快速連續(xù)調(diào)節(jié)。頻率誤差1mHz。

（3）數(shù)字部分采用高性能DSP+FPGA完成高精度信號(hào)的計(jì)算和發(fā)生以及各種時(shí)序邏輯控制功能，每周波輸出點(diǎn)數(shù)達(dá)600點(diǎn)，保證了信號(hào)的平滑度，經(jīng)過測(cè)試諧波畸變率小于0.5%，時(shí)間測(cè)試精度小于1ms，實(shí)現(xiàn)了對(duì)du/dt、df/dt的精確控制。

（4）5個(gè)模擬斷路器：三相跳閘5個(gè)跳閘時(shí)間40ms，合閘時(shí)間50ms，跳閘電流1.5A，合閘電流0.5A，測(cè)試低頻減載裝置時(shí)可不用外接斷路器進(jìn)行整組試驗(yàn)，簡(jiǎn)化了接線，提高了測(cè)試效率。

（5）正確模擬過頻、過壓、低頻、低壓故障。

（6）準(zhǔn)確校驗(yàn)分散式低周低壓減載裝置的動(dòng)作值、動(dòng)作時(shí)間、閉鎖值、du/dt、df/dt定值，一次完成多輪動(dòng)作時(shí)間測(cè)試。

二、測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.硬件設(shè)計(jì)

該測(cè)試裝置采用一套DSP+CPLD和一套DSP+ARM構(gòu)成信號(hào)發(fā)生主控模塊和嵌入式人機(jī)監(jiān)控模塊，采用自定義的內(nèi)部通信協(xié)議，通過模塊間內(nèi)部CAN通訊接口傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)，系統(tǒng)與頻率電壓緊急控制裝置相連接，可以根據(jù)操作需要靈活配置，通過從上位機(jī)下載保護(hù)程序軟件，可完成繼電保護(hù)以及備自投、低頻減載、故障錄波和故障測(cè)距等多種功能測(cè)試。新增的人機(jī)監(jiān)控DSP系統(tǒng)賦予了整機(jī)人機(jī)交互和保護(hù)自檢功能。本系統(tǒng)采用高精度串行DA轉(zhuǎn)換器和10M以太網(wǎng)控制器CS8900A與DSP芯片的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)方案，使裝置具備輸出高精度電壓電流測(cè)試信號(hào)的功能。

測(cè)試裝置主要由上位機(jī)程序、數(shù)字控制單元、功率輸出單元、開入量單元，人機(jī)接口單元五個(gè)部分組成。測(cè)試裝置硬件組成原理如圖2所示。

（1）數(shù)字控制單元采用DSP+FPGA的架構(gòu)，其中DSP采用的是TI公司的DSP2812完成信號(hào)的讀取并控制DA產(chǎn)生模擬小信號(hào)，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)邏輯的生成和DSP外部總線的擴(kuò)展。數(shù)字控制板上載有大容量SDRAM、大容量FLASH和高精度DA等芯片。

（2）DA選用MAX公司的高精度16Bit串行口數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片MAX542。它提供完全的16位轉(zhuǎn)換，電壓建立時(shí)間僅為1us，積分微分線性誤差均小于1LSB，而其最小分辨電壓僅為38.15uv，串行輸出時(shí)鐘為10MHZ。MAX542的模擬電壓經(jīng)高精度、低噪聲運(yùn)放電路調(diào)理后再送至低通濾波器濾除1kHZ以上高頻信號(hào)，輸出的正弦波電壓信號(hào)精度能夠滿足電子式互感器模擬輸出的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）功率輸出單元采用線性功放架構(gòu)，該功放單元把DA產(chǎn)生的模擬電壓小信號(hào)按比例進(jìn)行放大，產(chǎn)生大幅值、大功率的電壓和電流信號(hào)。

（4）多路開入量單元用于檢測(cè)低周低壓減載裝置的跳閘節(jié)點(diǎn)動(dòng)作信號(hào)，DSP檢測(cè)到開入量動(dòng)作后會(huì)記錄動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作值，由上位機(jī)進(jìn)行讀取和顯示。

（5）人機(jī)接口單元采用ARM作為主控制器，外接觸摸屏完成程序的控制和參數(shù)設(shè)置。

（6）內(nèi)置5路模擬斷路器，模擬斷路器跳閘電流1.5A合閘電流 0.5A，可以通過面板上的按鍵實(shí)現(xiàn)具有手動(dòng)跳閘、手動(dòng)合閘功能，通過面板上的指示燈能夠觀察當(dāng)前斷路器的開關(guān)狀態(tài)。測(cè)試低頻低壓減載裝置時(shí)可不用外接斷路器，簡(jiǎn)化了接線，提高了測(cè)試效率。

2.測(cè)試原理設(shè)計(jì)

目前低頻低壓減載裝置生產(chǎn)廠家眾多，水平參差不齊。如何高質(zhì)量地對(duì)低頻低壓減載裝置進(jìn)行正確評(píng)估與檢測(cè)顯得十分重要。本裝置對(duì)比國(guó)內(nèi)一些裝置所用頻率電壓測(cè)試原理與方法，提出高精度信號(hào)控制和檢測(cè)方法，主要?jiǎng)幼魈匦詸z測(cè)包括動(dòng)作定值、滑差、動(dòng)作時(shí)間等。

（1）頻率信號(hào)控制原理。常規(guī)測(cè)試儀采用整周波變頻的非實(shí)時(shí)計(jì)算方法，由計(jì)算機(jī)對(duì)每個(gè)周期的電壓波形依次計(jì)算之后，以整周波的形式回放并輸出。該方法頻率的最小變化為50/999Hz，分辨率會(huì)受到一定限制。[1]測(cè)試裝置輸出的電壓和電流信號(hào)的頻率能夠按照設(shè)定的滑差進(jìn)行變化，滑差可設(shè)定為正值或負(fù)值。該裝置的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵性指標(biāo)是頻率滑差的精度。

測(cè)試裝置的信號(hào)輸出方式是按照等時(shí)間間隔（25us）的方式輸出，對(duì)于50Hz的信號(hào)來說，每周波輸出20ms/25us=800點(diǎn)，而對(duì)于40Hz的信號(hào)來說每周波輸出25ms/25us=1000點(diǎn)。

比如系統(tǒng)設(shè)定滑差df/dt=2.0Hz/s，起始頻率為50.0Hz，終止頻率為44Hz，變化步長(zhǎng)為0.1Hz，則總變化時(shí)間=（50.0Hz-44Hz）/（2.0Hz/s）=3.0秒，輸出總點(diǎn)數(shù)=3.0秒/25us =120000（點(diǎn)）， 測(cè)試裝置變化步長(zhǎng)的間隔點(diǎn)數(shù)n=0.1Hz/（25us*2.0Hz/s）=2000。其中輸出每點(diǎn)變化的頻率為：

每點(diǎn)的輸出計(jì)算按照如下式：

上式中DA為16位DA的設(shè)定值，Us為設(shè)定的輸出信號(hào)的峰值， f0為設(shè)定的信號(hào)的初始頻率，dF為每點(diǎn)的頻率變化步長(zhǎng)，N為當(dāng)前的變化點(diǎn)數(shù)，φ0為初始相位。

上位機(jī)程序由EVC++開發(fā)，由上位機(jī)首先計(jì)算每點(diǎn)輸出的DA值，然后將各個(gè)通道每點(diǎn)對(duì)應(yīng)的DA值下載到數(shù)字控制板上的SDRAM中，DSP在程序開始運(yùn)行時(shí)開啟定時(shí)器中斷（中斷時(shí)間為25us），每個(gè)定時(shí)器中斷從SDRAM中取出當(dāng)前輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)的DA值，然后寫入DA的數(shù)據(jù)寄存器，DA輸出的模擬小信號(hào)經(jīng)過電壓和電流放大器按照比例放大，完成該點(diǎn)的模擬信號(hào)輸出。

由上可見，由于每點(diǎn)的輸出值是由上位機(jī)計(jì)算完畢后下載到數(shù)字控制板上的SDRAM中，因此量化誤差可以忽略不計(jì)。有可能導(dǎo)致滑差出現(xiàn)誤差的主要因素是DSP晶振的誤差，晶振存在誤差會(huì)導(dǎo)致定時(shí)器中斷時(shí)間（25us）不準(zhǔn)確，影響滑差的的精度。

數(shù)字控制板上DSP的晶振誤差小于10PPM，即十萬分之一，引起的滑差誤差為十萬分之一左右。因此該實(shí)現(xiàn)方法能夠使滑差的誤差很小，滿足各種對(duì)于滑差高精度的精度需求。

連續(xù)變化測(cè)試中考慮到被測(cè)裝置的整定延時(shí)以及出口繼電器的固有動(dòng)作時(shí)間，當(dāng)測(cè)試儀真正收到裝置出口動(dòng)作的接點(diǎn)信息時(shí)，被測(cè)信號(hào)已經(jīng)繼續(xù)變化了一段時(shí)間，這時(shí)所記錄的動(dòng)作值必然不等于實(shí)際動(dòng)作值。多輪重復(fù)測(cè)試邏輯先輸出額定電壓，保證裝置可靠上電復(fù)歸，然后每次都從額定電壓開始下降，變化步長(zhǎng)為誤差允許值的1/10。每次按照設(shè)定的滑差降低電壓，下降到每一步的值時(shí)，保持此電壓輸出單步時(shí)間即保持時(shí)間。這種方式不能考察各輪次動(dòng)作間的配合，并且全部檢測(cè)用時(shí)很長(zhǎng)。固定步長(zhǎng)連續(xù)測(cè)試邏輯先輸出額定電壓，保證裝置可靠上電復(fù)歸，然后按照設(shè)定的滑差降低一個(gè)步長(zhǎng)的電壓，保持此電壓輸出一個(gè)單步時(shí)間，如果保護(hù)不動(dòng)作，則繼續(xù)下降一個(gè)步長(zhǎng)的電壓，直到保護(hù)動(dòng)作或到所設(shè)的電壓終值。這種檢測(cè)方法既可滿足測(cè)試精度要求，同時(shí)也能考查裝置各輪之間動(dòng)作值的配合。

（4）動(dòng)作時(shí)間的檢測(cè)。測(cè)試頻率電壓緊急控制裝置動(dòng)作時(shí)間，關(guān)鍵是計(jì)時(shí)啟動(dòng)起點(diǎn)的確定。如圖5所示，計(jì)時(shí)器啟動(dòng)由實(shí)際測(cè)試的動(dòng)作電壓決定，所以準(zhǔn)確找到計(jì)時(shí)起點(diǎn)是保證動(dòng)作時(shí)間精度的前提。

文獻(xiàn)2提出測(cè)試低壓減載裝置的動(dòng)作時(shí)間采用固定時(shí)間補(bǔ)償方法，采取突變量啟動(dòng)計(jì)時(shí)，通過滯后10ms即可確定實(shí)際動(dòng)作時(shí)間的啟動(dòng)點(diǎn)。

實(shí)際操作時(shí)，先按照設(shè)置的“變化前延時(shí)”的時(shí)間輸出額定電壓，電壓按滑差緩慢變化，在電壓達(dá)到（1+2%）Uz時(shí)停留0.5s，然后突變到（1-2.04%）Uz后再停留0.5s。電壓從（1+2%）*Uz突變量下降時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，動(dòng)作出口（或保護(hù)接點(diǎn)翻轉(zhuǎn)）時(shí)停止計(jì)時(shí)器，然后將所測(cè)動(dòng)作時(shí)間減去10ms得到實(shí)測(cè)動(dòng)作時(shí)間。之后再繼續(xù)下滑變化檢測(cè)下一輪次動(dòng)作時(shí)間。如圖6所示。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)，采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能方便完成對(duì)各種參數(shù)的測(cè)量、計(jì)算、控制和顯示等操作。簡(jiǎn)化的軟件流程圖如圖7所示。

三、結(jié)束語

根據(jù)以上原理研制出頻率電壓緊急控制裝置測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用在TQWX-Ⅲ型微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀中，現(xiàn)場(chǎng)使用證明，具有技術(shù)性能好、功能齊全、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確生成頻率、電壓變化率信號(hào)，準(zhǔn)確地對(duì)電力系統(tǒng)低頻、低壓減載裝置中df/dt、du/dt定值（或閉鎖值）進(jìn)行測(cè)試與校驗(yàn)，內(nèi)置五組模擬斷路器，可一次性完成多輪次動(dòng)作值的測(cè)試，為調(diào)試和校驗(yàn)頻率電壓緊急控制裝置提供了便利。但是研究中還有許多深入細(xì)致的問題有待解決，比如系統(tǒng)電壓中存在諧波和噪聲干擾等。怎樣更確切、定量地描述這些問題并給以恰當(dāng)?shù)哪M和實(shí)現(xiàn)還有待于更深入的研究。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）