交流双电源备投系统测试仪的设计

杨 晨，邹洪森，陈 瑞

（国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏 银川 750000）

1 系统背景

备用电源自动投入装置可以提高供电的可靠性和连续性，对电源自投装置进行全面的检验是保证备自投运行方式和逻辑关系等方面正确性的主要手段。在目前备自投逻辑校验过程中，主要存在如下问题。

一方面，在10 kV及以上高压备自投功能验证测试方面，目前的继保测试仪基本满足测试要求，在缺乏备自投专用调试菜单和调试功能条件下，在备自投装置调试过程中需要实验人员根据现场具体备自投配置方式进行调试方案设计，调试人员技能水平要求高，调试配合人员需求数量多，调试工作耗时长。

另一方面，继保测试仪由于交流相电压输出最大120 V，输出功率小，无法满足380 V交流双电源备自投回路测试工作。如变压器风冷电源、换流站内水冷主循环泵等双电源备自投回路的测试均依靠断掉一路进线电源的方式对交流380 V交流双电源备自投进行简单验证。由于缺乏专业实验仪器，对380 V交流双电源备自投回路的电压监视继电器、相序继电器、整个切换回路电压动作值、备自投切换逻辑等均无法得到验证和测试，为双电源备自投的正确动作埋下安全隐患。

针对10 kV各种备自投接线方式、备自投逻辑、备自投测试要求，以及380 V交流双电源备自投测试需要，开发了一款备自投装置专用测试仪器。

2 设计原则

第一，兼容各型号的备投保护装置。由于采用自动化配置试验方案，所以必须提前了解待测装置的信息，根据不同的试验装置设定对应的试验参数，配置对应的试验过程，要求很高的系统兼容性、扩展性。第二，自动化试验控制。自动化试验控制不仅仅是针对既有试验方案的，更多的应用在于试验方案以外一些特殊需求，要求试验控制功能要灵活多变，随时可以调整试验过程。第三，需要输出6路高达300 V的交流电压，且幅值、相位、频率单独可调。第四，开出量不能采用继电器，传统继电器开出延时长。第五，在保证所有功能的同时，必须保证设备的体积小，重量轻，方便现场携带。

3 整体架构设计

3.1 装置硬件结构

根据设计原则，装置采用标准6U3I（整层）机箱，层叠式结构。装置采用分开模块化独立设计。交流电源备投装置整机结构如图1所示。

3.2 装置各硬件部件设计

交流双电源备投装置主要由主控核心板、功率放大板、散热器、电源模块、开关量板、电压电流输出板、风机、侧板和显示通信面板等系列部件组成。

3.2.1 主控核心板

图1 硬件结构图

主控核心板CPU采用TMS320F2812PGFA、FPGA、XC3S500E-4PQ208C。TM320F2812是TI公司新推出的功能强大的定点运算DSP，最大的特点是数据运算效率高。它由双网口模块接收来自内置工控机或者联机电脑的控制命令，将参数存入SRAM CY7C1041，并通过双口RAM CY7C025AVC与网络报文和FT3控制系统互相交互。TMS320F2812发出波形命令控制FPGA自动根据参数计算波形并输出计算结果，计算结果通过并口总线传至DA转换芯片，将数字量转换成模拟量，滤波后传递至电压功放与电流功放。

双口RAM CY7C025AVC是一种高速并行传输芯片。它的数据线、地址线以及读/写控制线一共有两套，且这两套线是彼此独立的，允许两个CPU一同存取双端口存储器的同一单元它的时序与普通单端口存储器存取时完全一样，还有两套独立的中断逻辑来实现两个CPU之间的高效传输数据。

SRAM CY7C1041是静态的数据存取存储器，存取速度快，接口时序简单，是DSP存储扩展的常用器件。主控核心板上还通过高性能网络芯片DM9000生成两路相互独立的100 MHz以太网电口，分别连接工控机与联机网口，用于获取来自用户界面软件的控制指令。工控机内置嵌入式Windows XPE操作系统，除搭载大容量、高速率、数据稳定的电子硬盘外，还提供丰富外接U口、串口等。

3.2.2 功率放大板

放大部分对主板D/A输出的信号进行放大输出，采用的是高保真线性功放。

电压功放采用三级放大，第一级以高精密运放对主板给出的小信号和反馈的输出的电压进行误差处理放大，主要是信号放大以驱动后级三级管等元件。第二级放大则是电压放大，将第一级运放输出的信号进行再放大，采用高耐压型三极管。末级则是采用著名IC公司APT生产的高耐型大功率MOS N管驱动负载。工作电源采用±450 V高电源，以保证输出有效值高达300 V的电压值。

电流功放采用两级放大，第一级以高精密运放对主板给出的小信号和反馈的输出的电流进行误差处理放大，以驱动末级功率MOS N管和MOS P管。采样电阻采用低温漂高耐温的电阻，以保证反馈的电压不受负载和电流大小的影响，从而保证了输出的电流值的稳定性。工作电源采用正负电源，输出为正时正电源及N型MOS管工作，输出为负时则由负电源及P型管参与工作。

3.2.3 散热器

采用高密齿导热率高的散热器，能够及时把电压功放的功率管和电流功放的功率管发出的热量导出去，避免了功率元器件因为过热而烧毁。

3.2.4 电源模块

电流功放的供电电源采用进口Cosel公司的大功率电源模块，纹波小、噪声低，本身具备过热保护、过压保护及过载保护功能，从而保证了电流输出的精度和可靠性。电压功放的电源采用高达450 V输出的电源，本身具备过流保护、过热保护及短路保护，电源的输入输出对外壳的绝缘性高达AC 1 500 V，从而保证了装置对人身的安全性。

3.2.5 开关量板

采用MOS型开关元器件和高速光耦，保证开关量输出延时达到微秒级，以及外界装置和本装置的隔离。

3.2.6 电压电流输出板

提供6路0～300 V的电压值、3路0～30 A电流值的输出接口。

3.2.7 风 机

采用高速低噪声风机，能够把功率元器件发出导到散热器上的热量以及电源部件在工作时产生的热量及时抽出去，从而保证了整机可靠地运行。

3.2.8 侧 板

提供开关量和电压电流输出的接口。

3.2.9 显示通信面板

人机交互界面采用10.4寸超大工业液晶屏，具有RGB多位彩色显示，有丰富形象的画面显示装置的软件设置和运行状况。面板上设有轨迹球鼠标、优化的全键盘，运行人员需要时可以通过轨迹球鼠标操作查看当前装置设置运行状态、历史报表等信息；也可以通过面板上的以太网口把装置外接笔记本电脑或台式机进行操作，通过面板上的U口可以在线升级装置的上位机和下位机，可以把软件的设置信息和历史报告导出到U盘中，方便在笔记本或者台式电脑上查看。

3.3 装置的软件架构设计

3.3.1 主界面介绍

打开程序进入主界面，界面上方是菜单栏，左侧是树形显示所要配置的试验及项目名称，右侧对应具体试验项目的参数配置等。下方是状态栏，主要显示试验运行时间及开关量动作的标志。

3.3.2 工具栏功能介绍

图2为工具栏主要功能图。

图2 工具栏主要功能图

（1）用户管理：可用来设置用户权限。

（2）新建方案：可设置是否保存当前方案，不保存直接清除以往配置，重设新方案。

（3）打开方案：选择所需要打开的方案文件，默认文件名“//para//Default.stp”。

（4）保存方案：保存当前的方案到文件中，默认为程序所在路径para文件夹下。

（5）打开报告：用来打开试验结果报告。

（6）开始试验：单击即开始试验，同时默认保存方案到“Default.stp”文件中。

（7）停止试验：试验开始后可用，试验做完后可自动停止或中间手动停止，停止时会自动弹出保存报告窗口。

（8）手动减少：启用“手动”试验模式后，按此键会手动减小变量的值一个步长量。在实际应用中，其功能相当于测试仪键盘上的“↓”按键。再自动试验模式下，此按键无效，呈灰色显示。

（9）图表显示：单击弹出电压电流矢量图显示。

4 装置主要实现的功能

（1）6相0～300 V电压、3相0～30 A电流输出，可任意组合，可4相电压3相电流输出、3相电压3相电流输出和9相同时输出，9通道幅值、相位、频率完全独立。这样不仅可以兼容多种传统试验方式，而且会更便于进行三相变压器差动试验、厂用电快切以及备自投试验。

（2）装置有8路开入和4路开出。开关量输入电路可兼容空接点和0～250 V电位接点。电位方式时，0～6 V为合，11～250 V为分。开关量可以方便地对各相开关触头的动作时间和动作时间差进行测量。

开入部分与主机工作电源以及功放电源等部分均隔离。开入地为悬浮地，所以开入部分公共端与电流、电压部分公共端UN、IN等都不相通。开关量电位输入有方向性，应将公共端接电位正端，开入端接电位负端，保证公共端子电位高于开入端子。现场接线时，应将开入公共端接＋KM，接点负端接开入端子。若出现接反现象，就不能进行正确检测。

5 本设计主要创新点

（1）本装置可以为设备提供高达AC 300 V相电压的输出，以及全范围精度可靠的交流电压输出，还要幅值、相位、频率单独可调，克服了传统继保输出电压低、带载能力差的问题，特别是带载感性负载时，初始启动电流大，会造成装置误动作，功率器件容易损坏。这使本装置既可兼容传统的各种试验方式，也可方便地进行三相变压器差动试验、厂用电快切和备自投试验。

（2）采用开关型的MOS管和光速率的光耦，实现本装置与外界待试验设备的隔离绝缘，又保证了开关量输出延时达到微秒级。

（3）自动化配置试验方案的软件。通过试验方案配置软件进行所有保护装置的试验方案配置与管理，现场试验时直接应用既有方案进行试验，是提高工作效率的一个有效途径。

（4）通过界面操作，完成装置的添加与方案配置，完整预控制试验流程。

（5）通过试验测试软件来选配好的试验方案，控制试验过程与输出，完成试验，并出具试验报告。

6 经济效益

交流双电源备投系统测试仪在宁夏±660 kV银川东换流变电站运行以来，现场测试交流电源备投开关装置，检验结果良好，充分发挥本装置自动化、精确化、可视化的技术特点，解决了之前用常规备投测试仪器输出电压低、功率低的问题。用自耦调压装置测试检验交流电源备投开关装置，测试结果不准，且自耦调压装置体积笨重，需多人协作。该装置具有自动化、可视化的软件集成界面，无需多人协作操作，大大节省了系统运维的人力、物力，并能自动导出测试结果，有效帮助了运维人员及时排除故障，降低了备投装置切换的安全隐患，提高了变电站电网运行时供电的可靠性和连续性。

7 结 论

本交流双电源备投测试仪，立足于工作实际，可模拟多进线备投及桥备投方式的测试。灵活的接线方式转换、直观的界面显示，极大地方便了现场的调试人员，简化了调试程序，精简了调试所需人员，减少调试时间，使继电保护人员完成备自投试验工作轻松便捷、快速准确。由于测试仪有6相0～300 V幅值、相位、频率可调的电压输出，可以单独测试自动转换器及交流接触器。