用于行波保護測試的暫態(tài)信號發(fā)生器關(guān)鍵技術(shù)

董新洲，馮 騰，王 飛

（清華大學(xué) 電機系，北京 100084）

0 引言

作為電力系統(tǒng)繼電保護領(lǐng)域重要的新興研究方向之一，基于高頻暫態(tài)行波信息的故障檢測技術(shù)近年來已得到了迅速的發(fā)展。以行波原理為理論基礎(chǔ)的保護、故障測距和故障選線裝置不斷被研制開發(fā)，這使得行波類繼電保護裝置的性能測試技術(shù)成為了受到廣泛關(guān)注的研究領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的繼電保護測試手段包括：電力系統(tǒng)動態(tài)模擬、實時數(shù)字仿真器（RTDS）和傳統(tǒng)的微機型繼電保護測試儀，它們由于所用模型或輸出頻率限制等原因無法真實再現(xiàn)故障行波信號，因此并不適用于基于暫態(tài)行波故障信息的繼電保護裝置的性能測試［1］。暫態(tài)行波保護測試儀［1-2］應(yīng)用多路高精度高速數(shù)模轉(zhuǎn)換和寬頻率功率放大技術(shù)，有效地解決了上述問題，為行波類繼電保護裝置的研制、開發(fā)、試驗、檢測以及工程應(yīng)用提供了有利的技術(shù)支持，并成功應(yīng)用于輸電線路行波故障測距裝置［3-4］、配電線路單相接地行波保護裝置［5］、配電線路單相接地行波選線裝置［6-7］、輸電線路行波方向比較式縱聯(lián)保護裝置［1］等的測試中。

暫態(tài)行波保護測試儀包括暫態(tài)信號發(fā)生器、行波大電流功率放大器和行波高電壓功率放大器3個部分。暫態(tài)信號發(fā)生器可將故障數(shù)據(jù)（電力系統(tǒng)的現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)或電力系統(tǒng)仿真軟件所計算生成的仿真數(shù)據(jù)）不失真地轉(zhuǎn)換成模擬電壓小信號，并輸出至電壓、電流功率放大器，起到了“故障行波信號源”的作用。

作為暫態(tài)行波保護測試儀的重要組成部分，暫態(tài)信號發(fā)生器的概念最早出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代［2］，后經(jīng)不斷改進，逐步形成了現(xiàn)在的多路同步輸出的高頻高精度任意波形信號發(fā)生器。本文對文獻［1］中暫態(tài)行波保護測試儀的暫態(tài)信號發(fā)生器部分的若干關(guān)鍵技術(shù)問題進行討論與研究。針對故障數(shù)據(jù)的處理方法、高速高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方案以及多路模擬輸出的同步性等問題進行了深入分析。最后，通過試驗驗證了暫態(tài)行波保護測試儀的暫態(tài)信號發(fā)生器工作的可靠性和有效性。

1 暫態(tài)信號發(fā)生器的技術(shù)要求與工作原理

1.1 暫態(tài)信號發(fā)生器的技術(shù)要求

為了使暫態(tài)行波保護測試儀能夠真實地再現(xiàn)暫態(tài)行波故障信息的特征，測試儀輸出的最高頻率應(yīng)達到100 kHz以上［1］。因此，暫態(tài)信號發(fā)生器在進行數(shù)模轉(zhuǎn)換時的數(shù)字量輸入時間間隔應(yīng)遠(yuǎn)小于5 μs，在此段時間內(nèi)應(yīng)保證多路數(shù)模轉(zhuǎn)換全部完成，本文中選擇1.5 μs的時間間隔。

暫態(tài)行波保護測試儀的輸出信號幅值應(yīng)盡量實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。若能保證暫態(tài)信號發(fā)生器數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出的幅值分辨率（能夠?qū)崿F(xiàn)的最小幅值變化量）小于0.1 mV，則使用放大倍數(shù)為10的電壓功率放大和電流功率放大時（即1 V放大為10 V或10 A），暫態(tài)行波保護測試儀最終輸出的電壓可實現(xiàn)分辨率達1 mV的連續(xù)可調(diào)，電流可實現(xiàn)分辨率達到1 mA的連續(xù)可調(diào)，滿足測試需要。

同時，暫態(tài)行波保護測試儀需實現(xiàn)多路電壓、電流信號的同步輸出。測試中，常使用電力系統(tǒng)中的三相電壓、三相電流、零序電壓以及零序電流信號，這就要求暫態(tài)信號發(fā)生器可實現(xiàn)8路模擬信號同步輸出。

此外，為方便測試，暫態(tài)信號發(fā)生器還應(yīng)實現(xiàn)對故障發(fā)生前的系統(tǒng)正常運行時間和故障后穩(wěn)態(tài)時間的自由控制。

1.2 暫態(tài)信號發(fā)生器的工作原理

暫態(tài)行波保護測試儀暫態(tài)信號發(fā)生器部分由嵌入式計算機（上位機）、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和開關(guān)量檢測回路3個模塊組成，其工作原理如圖1所示，具體說明如下。

圖1 暫態(tài)信號發(fā)生器工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of transient signal generator

a.嵌入式計算機可以運行專用的上位機軟件，將利用電磁暫態(tài)程序（EMTP）計算出的電力系統(tǒng)暫態(tài)故障仿真數(shù)據(jù)或者故障錄波裝置記錄的故障錄波數(shù)據(jù)經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后傳送到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，并接收開關(guān)量檢測回路反饋的被測裝置動作情況，進行分析后形成測試報告。

b.數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊由數(shù)字信號處理器（DSP）及其外圍電路、高精度高速數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和前置功率放大部分組成。DSP接收到上位機傳送的數(shù)據(jù)信息和開始試驗的命令后，將電力系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)輸出至數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，通過邏輯器件控制實現(xiàn)多路同步，并通過前置功率放大后生成故障模擬電壓小信號輸出至功率放大系統(tǒng)。

c.開關(guān)量檢測回路可記錄被測試裝置的動作信息，并反饋至上位機。

1.3 暫態(tài)信號發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)

綜合上述分析，在暫態(tài)信號發(fā)生器的研發(fā)過程中應(yīng)重點考慮如下關(guān)鍵技術(shù)：

a.通過合理的故障數(shù)據(jù)分割和循環(huán)輸出實現(xiàn)自由控制故障發(fā)生前系統(tǒng)的正常運行時間和故障后的穩(wěn)態(tài)時間；

b.通過選取合適的數(shù)模轉(zhuǎn)換器及其外部運放實現(xiàn)高速高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換，保證在1.5 μs的時間間隔內(nèi)完成多路數(shù)模轉(zhuǎn)換，并滿足輸出幅值分辨率小于0.1 mV；

c.通過多路開關(guān)和采樣保持的時序配合實現(xiàn)8路模擬信號同步輸出。

2 故障數(shù)據(jù)處理

故障數(shù)據(jù)通常來自電力系統(tǒng)的現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)或是電力系統(tǒng)仿真軟件所計算生成的仿真數(shù)據(jù)。其長度往往較短，常為幾十到幾百毫秒。若想自由控制故障發(fā)生前系統(tǒng)的正常運行時間和故障后的穩(wěn)態(tài)時間，需要對故障數(shù)據(jù)進行分割。通常將故障數(shù)據(jù)分割為如下幾個部分。

a.故障前系統(tǒng)正常運行時的數(shù)據(jù)。該段數(shù)據(jù)只需截取1個周期即可，由于該部分為正弦信號，變化較為平緩，因此，其輸出頻率可適當(dāng)降低，以節(jié)省存儲空間?？赏ㄟ^調(diào)整該段重復(fù)播放的次數(shù)實現(xiàn)對故障發(fā)生前系統(tǒng)正常運行時間長度的控制。

b.從故障發(fā)生時刻開始至行波信號發(fā)生若干次折反射后的數(shù)據(jù)。一般情況下該段數(shù)據(jù)長度約為幾毫秒。該段數(shù)據(jù)中包含豐富的故障信息，各類基于行波原理的故障檢測裝置均采集該段數(shù)據(jù)進行分析。因此，應(yīng)保證該段數(shù)據(jù)的輸出頻率盡可能高，取為暫態(tài)信號發(fā)生器的最高輸出頻率。

c.此后的暫態(tài)行波過程涉及較多次折反射波的疊加，故障檢測裝置不易使用該部分波形，因此可略微降低其輸出頻率。該部分波形應(yīng)一直持續(xù)到某個會使系統(tǒng)發(fā)生突變的事件發(fā)生，如保護裝置動作、故障發(fā)展、故障轉(zhuǎn)移等。

d.每當(dāng)會使系統(tǒng)發(fā)生突變的事件發(fā)生時，均應(yīng)重復(fù)步驟b、c，以保證暫態(tài)行波初始過程的精確。

e.當(dāng)系統(tǒng)進入故障后的穩(wěn)態(tài)時，每個周期的波形基本不變，該段數(shù)據(jù)只需截取1個周期即可，由于該部分近似為正弦信號，變化較為平緩，因此，其輸出頻率可適當(dāng)降低，以節(jié)省存儲空間?？赏ㄟ^調(diào)整該段數(shù)據(jù)重復(fù)播放的次數(shù)實現(xiàn)對故障后穩(wěn)態(tài)時間長度的控制。

針對每組仿真數(shù)據(jù)，在已知每次突變事件發(fā)生時刻（如按照時間先后順序依次設(shè)為 t1、t2、…、tn）后，可將數(shù)據(jù)分為 2n+2個部分，記作 case0、case1、…、case2n+1。對于每個case，應(yīng)考慮數(shù)據(jù)范圍、輸出頻率和循環(huán)輸出次數(shù)3個因素，如表1所示。

表1 各部分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)范圍、輸出頻率和循環(huán)輸出次數(shù)Table 1 Data range，output frequency and cycle output times of different parts of data

圖2為輸電線路發(fā)生故障后母線處的A相電流波形。100 ms時，線路發(fā)生A相金屬性接地故障，130 ms時發(fā)展為三相短路故障。

圖2 故障后的A相電流波形Fig.2 Waveform of phase-A current after fault

按照前文分析，共有2次會使系統(tǒng)發(fā)生突變的事件發(fā)生，因此應(yīng)將數(shù)據(jù)分成6個部分。第1次突變事件發(fā)生時刻t1為100 ms，case0的數(shù)據(jù)范圍為t1前20 ms至t1，即80ms至100ms。 case1的數(shù)據(jù)范圍為t1至t1后若干毫秒，此處取3 ms，即100 ms至103 ms。case2的數(shù)據(jù)范圍為case1結(jié)束至第2次突變事件發(fā)生時刻t2，即103 ms至130 ms。case3的數(shù)據(jù)范圍為t2至t2后若干毫秒，即130 ms至133 ms。case4的數(shù)據(jù)范圍為case3結(jié)束至進入穩(wěn)態(tài)，case5的數(shù)據(jù)范圍為進入穩(wěn)態(tài)后的一個周期。分割后的各case波形如圖3所示。

圖3 各部分?jǐn)?shù)據(jù)的波形Fig.3 Waveform of different parts of data

從上述分析可知，實現(xiàn)合理的故障數(shù)據(jù)分割的前提是準(zhǔn)確地獲知各次系統(tǒng)突變事件的發(fā)生時刻。當(dāng)故障數(shù)據(jù)為電磁暫態(tài)仿真軟件獲得的仿真數(shù)據(jù)時，由于各次系統(tǒng)突變事件時刻是仿真設(shè)定的，可以直接得到，并不存在困難。而當(dāng)故障數(shù)據(jù)為現(xiàn)場的故障錄波數(shù)據(jù)時，則需要對數(shù)據(jù)波形進行分析，人工確定各次系統(tǒng)突變事件的發(fā)生時刻，進而對故障數(shù)據(jù)進行分割。

此外，當(dāng)選擇現(xiàn)場的故障錄波數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源時，應(yīng)選用高精度的故障錄波器，其采樣頻率應(yīng)足夠高。若錄波器采樣頻率過低，則無法真實記錄故障行波信息，無法測試基于行波原理的繼電保護裝置。

3 高速高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)

數(shù)模轉(zhuǎn)換指的是從數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器。暫態(tài)信號發(fā)生器部分的核心是高速高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器主要由基準(zhǔn)電源、位權(quán)網(wǎng)絡(luò)、寄存器、模擬開關(guān)和求和電路組成。其工作原理如下：基準(zhǔn)電源作用在位權(quán)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生與各位數(shù)字量對應(yīng)的模擬量，寄存器中所存儲的數(shù)字量的各位數(shù)碼分別控制對應(yīng)的模擬開關(guān)接通位權(quán)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的各模擬量，求和電路對各模擬量進行求和，從而實現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換。

3.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度

為實現(xiàn)高速高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換，需對數(shù)模轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度［8-9］進行著重分析。

在數(shù)模轉(zhuǎn)換中通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。較高的分辨率是高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換的必要條件。在無其他數(shù)模轉(zhuǎn)換誤差的理想狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換精度就是分辨率的大小。分辨率用輸入二進制數(shù)碼的位數(shù)給出，也可用數(shù)模轉(zhuǎn)換器能夠分辨出的最小電壓與最大輸出電壓之比給出分辨率。N位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率為 1／（2N-1）。

若希望暫態(tài)信號發(fā)生器數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出的幅值分辨率小于0.1 mV，則當(dāng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的最大輸出電壓為5 V時，其位數(shù)應(yīng)滿足：

由式（1）可解得N≥15.6，即應(yīng)至少選用16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

由于數(shù)模轉(zhuǎn)換的各個環(huán)節(jié)在參數(shù)和性能上與理論值之間不可避免地存在著差異，因此各類轉(zhuǎn)換誤差也會影響轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換誤差表示實際的數(shù)模轉(zhuǎn)換特性和理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差，主要包括比例系數(shù)誤差、平移誤差和非線性誤差等。

比例系數(shù)誤差和輸入數(shù)字量的大小成正比，多由參考電源偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引起。平移誤差使轉(zhuǎn)換特性曲線發(fā)生平移，為一常數(shù)，與輸入數(shù)字量的數(shù)值無關(guān)，可由所用運算放大器的零點漂移引起。非線性誤差既非常數(shù)也不與輸入數(shù)字量成正比，可由電路中模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻以及導(dǎo)通壓降、所使用的電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值的不精確、所用三極管之間特性的不一致等多方面原因引起。

此外，當(dāng)輸入的數(shù)碼發(fā)生突變時，可能有多個模擬開關(guān)需要改變開關(guān)狀態(tài)，由于它們的動作速度不同，會產(chǎn)生動態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。

數(shù)模轉(zhuǎn)換速度取決于數(shù)模轉(zhuǎn)換器的建立時間。所謂建立時間，是指從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，直到輸出電壓值進入與穩(wěn)態(tài)值相差±0.5LSB（最低有效位）范圍以內(nèi)的時間。如所用數(shù)模轉(zhuǎn)換器中未集成運放，還應(yīng)考慮外部運放的建立時間。

當(dāng)暫態(tài)信號發(fā)生器選用16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器和32位DSP時，只能同時實現(xiàn)2路數(shù)模轉(zhuǎn)換。若需實現(xiàn)8路模擬信號的同步輸出，可對DSP數(shù)據(jù)線進行復(fù)用，1.5 μs內(nèi)先后完成4路數(shù)模轉(zhuǎn)換。因此，數(shù)模轉(zhuǎn)換器和外部運放的建立時間應(yīng)小于375 ns。

3.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器類型的選擇

根據(jù)權(quán)重信號的不同，數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以分為電壓式、電荷式和電流式，其中電流式可進一步分為電阻網(wǎng)絡(luò)型和電流舵型［10-11］。

電壓式開關(guān)樹型數(shù)模轉(zhuǎn)換器由電阻分壓器和接成樹狀的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成，由于所用開關(guān)數(shù)量隨數(shù)模轉(zhuǎn)換位數(shù)的增加呈指數(shù)增長，因此不適用于高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器。電荷式權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器利用電容分壓原理工作，在輸入數(shù)字量位數(shù)較多時各個電容的電容量相差很大，影響集成度，且電容充、放電時間的增加也降低了轉(zhuǎn)換速度。電阻網(wǎng)絡(luò)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器利用電阻網(wǎng)絡(luò)將電壓轉(zhuǎn)換為電流，其中的模擬開關(guān)有一定的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降，且每個開關(guān)的情況又不完全相同，影響轉(zhuǎn)換精度。

電流舵型數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用恒流源，不再受開關(guān)內(nèi)阻和壓降的影響，沒有大電容需要充電，速度較快，且便于集成，可在規(guī)?？煽氐臈l件下達到較高的精度和速度。按照譯碼方式的不同，電流舵型數(shù)模轉(zhuǎn)換器可分為二進制碼型、熱偶碼型和分段譯碼型3種。

二進制碼型可利用R-2R網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，其輸入可直接控制電流開關(guān)，無需額外的譯碼電路，整個轉(zhuǎn)換電路的版圖面積很小。但是，R-2R網(wǎng)絡(luò)存在著由于電阻匹配度不夠精確所產(chǎn)生的誤差，特別是當(dāng)輸入數(shù)據(jù)位數(shù)很大時，轉(zhuǎn)換誤差更大。熱偶碼型首先將輸入二進制數(shù)碼譯成熱偶碼，由熱偶碼控制信號驅(qū)動完全相同的電流開關(guān)，得到轉(zhuǎn)換后的輸出電流。輸出電流隨輸入數(shù)碼單調(diào)變化，有效避免了二進制碼結(jié)構(gòu)中的毛刺問題，具有動態(tài)轉(zhuǎn)換誤差小的優(yōu)點。同時，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)位數(shù)很大時，可大幅減小數(shù)模轉(zhuǎn)換誤差，提高轉(zhuǎn)換器的性能。但是，譯碼電路增加了路徑延時，降低了數(shù)模轉(zhuǎn)換速度，另外隨著電流支路數(shù)的增多，芯片面積也極大地增加了。分段譯碼型將以上2種譯碼方式進行折中，其基本思想是將輸入數(shù)碼分成低位和高位分別進行譯碼。高位數(shù)碼采用熱偶碼，即控制電流大小相等的電流支路；低位數(shù)碼采用二進制直接譯碼的方式，即控制電流大小倍增的電流支路。這樣的譯碼方式使得轉(zhuǎn)換精度和芯片面積都有很好的折中，既解決了全熱偶碼型芯片面積大的問題，又改善了二進制碼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換誤差大的問題，適用于暫態(tài)信號發(fā)生器。

3.3 所選數(shù)模轉(zhuǎn)換器及其外部運放性能分析

暫態(tài)信號發(fā)生器所選用的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為一款16位的高速電流舵型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，同時具備良好的交流和直流性能，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器及其外部運放工作原理示意圖Fig.4 Principle diagram of DA converter and its external operational amplifier

該芯片內(nèi)部集成有溫度補償帶隙基準(zhǔn)電壓源，其利用一個與溫度成正比的電壓和一個與溫度成反比的電壓之和，二者溫度系數(shù)相互抵消，實現(xiàn)與溫度無關(guān)的電壓基準(zhǔn)，實現(xiàn)對比例系數(shù)誤差的控制。該電壓源可通過內(nèi)部控制放大器和外部電阻的配合產(chǎn)生芯片所需電流源。芯片內(nèi)的邊沿觸發(fā)式輸入鎖存器可有效消除由于輸入各位數(shù)字量不同步導(dǎo)致的輸出信號毛刺。芯片采用分段電流源架構(gòu)，高位數(shù)字量通過譯碼器生成熱偶碼，低位數(shù)字量使用R-2R網(wǎng)絡(luò)生成電流源陣列，所用激光微調(diào)薄膜電阻具備較高的精度，可有效減小非線性誤差。芯片專有的開關(guān)技術(shù)，可抑制動態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。

作為一款電流輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其電流輸出送至外部運放的求和點，從而提供緩沖電壓輸出。所選用的運放可以較好地抑制零點漂移，從而減小平移誤差。

此外，所用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的建立時間為25 ns，外部運放的建立時間為16 ns，滿足暫態(tài)信號發(fā)生器要求。

4 多路模擬信號輸出的同步

暫態(tài)信號發(fā)生器應(yīng)滿足多路模擬信號同步輸出的要求。當(dāng)其選用16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器和32位DSP時，只能同時實現(xiàn)2路數(shù)模轉(zhuǎn)換。對于8路同步模擬信號，應(yīng)在4路數(shù)模轉(zhuǎn)換依次完成后同時輸出，若4路均由同一數(shù)模轉(zhuǎn)換器完成，則需要2級采樣保持電路配合實現(xiàn)。下面以8路模擬信號同步輸出為例，分析暫態(tài)信號發(fā)生器多路模擬信號同步輸出的實現(xiàn)方案。

8路模擬信號同步輸出的實現(xiàn)方案如圖5所示。在數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片后連接一個多路開關(guān)，將不同路的數(shù)字量在同一片數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片中進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到的模擬量通過多路開關(guān)輸出至多個第一級采樣保持芯片。多路開關(guān)聯(lián)通哪個采樣保持芯片，該采樣保持芯片就置于采樣狀態(tài)；多路開關(guān)聯(lián)通其他采樣保持芯片時，該采樣保持芯片就置于保持狀態(tài)。在第一級多路采樣保持芯片均得到模擬信號后，第二級采樣保持芯片置于采樣狀態(tài)隨后保持，以保證多路同步輸出。

圖5 多路同步輸出的實現(xiàn)方案Fig.5 Implementation scheme of multi-channel synchronous outputs

由于采樣了多路開關(guān)和2級采樣保持，其時序配合十分關(guān)鍵，多路同步輸出的時序配合如圖6所示。其中，CLK0—CLK3為數(shù)字量控制信號，對應(yīng)4路信號的數(shù)字量輸入，當(dāng)某一CLK為“1”時，則DSP數(shù)據(jù)線輸出對應(yīng)路的16位數(shù)字信號至數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在此期間，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的時鐘信號給出一上升沿，完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。隨后，通過多路開關(guān)和兩級采樣保持的配合實現(xiàn)多路同步輸出。

圖6 多路同步輸出的時序配合Fig.6 Sequential coordination of multi-channel synchronous outputs

5 暫態(tài)行波保護測試儀的暫態(tài)信號發(fā)生器測試結(jié)果

5.1 暫態(tài)行波保護測試儀的暫態(tài)信號發(fā)生器正弦波測試

利用仿真軟件生成不同頻率、不同幅值的正弦波測試信號，使用示波器對暫態(tài)行波保護測試儀暫態(tài)信號發(fā)生器的輸出波形進行檢測，測試結(jié)果見表2。

上述結(jié)果均為5次測量值的平均值。當(dāng)輸出頻率大于10 kHz的正弦波時，由于輸入數(shù)字量的點數(shù)過少，輸出波形會出現(xiàn)較大跳變，不宜進行測試。從表2所示結(jié)果可以看出，測試儀暫態(tài)信號發(fā)生器的輸出效果十分理想。

表2 暫態(tài)信號發(fā)生器的正弦波測試結(jié)果Table 2 Testing results of sine wave output of transient signal generator

5.2 暫態(tài)行波保護測試儀的暫態(tài)信號發(fā)生器方波測試

利用仿真軟件生成不同頻率、不同幅值的方波測試信號，使用示波器對暫態(tài)行波保護測試儀暫態(tài)信號發(fā)生器的輸出波形進行檢測，測試結(jié)果如表3所示。

表3 暫態(tài)信號發(fā)生器的方波測試結(jié)果Table 3 Testing results of square wave output of transient signal generator

表3所示結(jié)果均為5次測量值的平均值，從表中可以看出，測試儀暫態(tài)信號發(fā)生器的輸出效果十分理想。

5.3 暫態(tài)行波保護測試儀的暫態(tài)信號發(fā)生器故障波形測試

圖7為仿真數(shù)字信號與暫態(tài)行波保護測試儀暫態(tài)信號發(fā)生器輸出信號的對比圖。從圖中可以看出，暫態(tài)行波保護測試儀的暫態(tài)信號發(fā)生器輸出的信號與仿真數(shù)字信號除有很小的毛刺外，并無實質(zhì)性差異，驗證了暫態(tài)信號發(fā)生器輸出信號的準(zhǔn)確性和有效性。

圖7 仿真數(shù)字信號與暫態(tài)信號發(fā)生器輸出信號的對比Fig.7 Comparison between simulative digital signal and output signal of transient signal generator

6 結(jié)語

暫態(tài)行波保護測試儀能夠滿足測試基于暫態(tài)行波故障信息的各類新型電力系統(tǒng)繼電保護裝置的需要，其暫態(tài)信號發(fā)生器部分可對故障數(shù)據(jù)進行高速高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出多路同步的小電壓模擬信號。為自由控制故障測試波形，本文提出了合理有效的故障數(shù)據(jù)分割方法。通過對數(shù)模轉(zhuǎn)換的詳細(xì)分析，選出了符合暫態(tài)行波保護測試儀要求的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片及其外部運放。為實現(xiàn)多路模擬信號的同步輸出，本文設(shè)計了多路開關(guān)和2級采樣保持電路相互配合的實現(xiàn)方案。最后，通過試驗驗證了暫態(tài)行波保護測試儀暫態(tài)信號發(fā)生器工作的可靠性和有效性。

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