０ 引言

微機(jī)繼電保護(hù)的開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)是微機(jī)繼電保護(hù)硬件系統(tǒng)的重要組成部分，能完成各種保護(hù)的出口跳閘、信號警報(bào)、外部接點(diǎn)輸入及人機(jī)對話等功能。福建省電網(wǎng)繼電保護(hù)檢驗(yàn)規(guī)程明確規(guī)定了不同電壓等級各類型繼電保護(hù)裝置開入量、開出量接點(diǎn)項(xiàng)目的檢驗(yàn)。開關(guān)量的檢驗(yàn)也是繼電保護(hù)人員必不可少的重要工作程序［１－３］。目 前，檢修工作針對開入量的檢驗(yàn)，大部分采用人工短接開入接點(diǎn)逐一檢驗(yàn)的方 法，費(fèi) 時(shí)、繁 瑣 且 不 能 準(zhǔn) 確 模 擬 ＳＯＥ 分 辨率試驗(yàn)，如南京南瑞、北京四方等廠家的裝置技術(shù)說明書明確了各保護(hù)裝置ＳＯＥ分辨率不大于２ｍｓ，其分辨率要求嚴(yán)格。而對于開出量的檢驗(yàn)，目前大部分采用萬用表直接測量繼電保護(hù)出口電位的方法，但存在顯示電位時(shí)間短、不易觀察等缺點(diǎn)，且２２０ｋＶ 及以上電壓等級的線路保護(hù)、主變保護(hù)等保護(hù)裝置出口回路較多，需多次檢驗(yàn)，大大降低工作效率。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，可采用繼電保護(hù)測試儀測量出口時(shí)間，但需設(shè)置繼保測試儀的狀態(tài)序列并逐一檢驗(yàn)各壓板出口，相比之下較繁瑣。針對以上情況，本文提出一種繼電保護(hù)裝置開關(guān)量測試儀。

１ 測試儀的硬件結(jié)構(gòu)

測試儀硬件結(jié)構(gòu)如圖 １ 所 示， 由 ＰＬＣ、 ＨＩＭ 觸 摸屏、開入量輸 入 電 路、開 出 量 輸 出 電 路、ＩＲＩＧ－Ｂ 解 碼 電路及電源電路 等 構(gòu) 成。ＰＬＣ 作 為 ＣＰＵ 模 塊，其 輸 入、輸出端口分別與開關(guān)量輸入、輸出電路連接，用于檢驗(yàn)繼電保護(hù)裝置開 出 量 及 開 入 量 接 點(diǎn)；ＰＬＣ 通過通信接口與ＨＩＭ 實(shí)現(xiàn) 數(shù) 據(jù) 交 互，ＨＩＭ 則可通過設(shè)置 相關(guān)參數(shù)控制ＰＬＣ輸出并對測試過程進(jìn)行記錄，以便查看相應(yīng)的測試報(bào)文。電源電路包括市電輸入口、開關(guān)電源模塊及多個(gè) ＤＣ／ＤＣ模塊，可提供電路所 需的多個(gè)電壓。 本 文 主 要 介 紹ＰＬＣ、觸摸屏、開關(guān)量輸入輸出電路及ＩＲＩＧ－Ｂ 解 碼 電 路

的選擇與設(shè)計(jì)。

１．１ＰＬＣ和觸摸屏的選擇

測試儀的設(shè)計(jì)要求為應(yīng)能正常模擬開入量變位、ＳＯＥ分辨率試驗(yàn)和測試多路開出量接點(diǎn)，ＳＯＥ分辨率試驗(yàn)要求測試儀的輸出精度滿足要求，故時(shí)間上不應(yīng)有較大偏差。綜合考慮后選用臺灣永宏高性能主機(jī) ＦＢｓ－１４ＭＣＪ２－Ｄ２４型ＰＬＣ作 ＣＰＵ 模塊。該 ＰＬＣ 工 作 電 壓 為 ＤＣ２４Ｖ，平 均 執(zhí)行時(shí)間為０．３３μｓ／順 序 指 令，有８點(diǎn) 數(shù) 字 量 輸 入、６點(diǎn) 數(shù)字量輸出，采用單端共點(diǎn)晶體管輸出，５組３２位元硬件高速計(jì)時(shí)器 ＨＳＣＡ、ＨＳＣ０～ＨＳＣ３的計(jì)數(shù)頻率達(dá)２００ｋＨｚ，內(nèi)置１個(gè) ＲＳ－２３２（ＰＯＲＴ０）接 口；可通過外接通信擴(kuò)展模塊 ＦＢｓ－ＣＢ２２增加２個(gè) ＲＳ－２３２接口（ＰＯＲＴ１、ＰＯＲＴ２）。觸摸屏 ＨＭＩ選用步科 ＭＴ４０００系列的 ＭＴ４４１４ＴＥ全彩觸摸屏，７" ，６５５２６色 ＴＦＴ真彩顯示，分辨率為８００×４８０，具有編程簡單、界面友好、與所選 ＰＬＣ兼容 性 好 的優(yōu)點(diǎn)。ＰＬＣ 通 過 內(nèi) 置 的 ＲＳ－２３２（ＰＯＲＴ０）接 口 與 觸 摸 屏連接［４］。

１．２ 開關(guān)量輸出電路

測試儀選用的 ＦＢｓ－１４ＭＣＪ２－Ｄ２４為永宏ＰＬＣ的單端共點(diǎn)晶體管ＳＲＣＥ輸出型（數(shù)字量輸出共點(diǎn)接至 ＤＣ２４Ｖ 電源的正端），由 ＣＰＵ 通過光耦合控制晶體管通斷。該機(jī)型具備高速數(shù)字量輸出點(diǎn)４個(gè)（即 Ｙ０～Ｙ３），*大輸出時(shí)延為２００ｎｓ，響 應(yīng) 時(shí) 間 極 快。ＰＬＣ 的數(shù)字量輸出為有源接點(diǎn)，不適合直接接入繼電保護(hù)裝置的開入接點(diǎn)（按 電 壓 等 級 分有 ＡＣ２２０Ｖ、ＡＣ１１０Ｖ、ＤＣ２４Ｖ 的 公 共 端）；若 ＰＬＣ 的數(shù)字量輸出經(jīng)普通的繼電器轉(zhuǎn)換為無源接點(diǎn)，則響應(yīng)時(shí)間慢，且輸出時(shí)延一般在幾毫秒甚至幾十毫秒，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。為此，設(shè)計(jì) 時(shí) 選 擇 將 ＰＬＣ 的數(shù)字量輸出經(jīng)光 Ｐｈｏ－ｔｏＭＯＳ繼電器 ＡＱＷ２１４ＥＨ 輸出。該繼電器輸出適合接入正極公共端或負(fù)極公共端的繼電保護(hù)裝置開入接點(diǎn)，并具有雙向?qū)?、高靈敏度、無機(jī)械觸點(diǎn)、壽命長等特點(diǎn)，負(fù)載電壓為 ＤＣ４００Ｖ，典型導(dǎo)通電阻為３０Ω，典型開通時(shí)間為０．３１ｍｓ，典型關(guān)斷時(shí)間為０．０５ｍｓ。開關(guān)量輸 出 電 路 如 圖 ２ 所 示。 設(shè) 計(jì) 選 用 ２ 塊 ＡＱＷ－２１４ＥＨ 產(chǎn)生４路空接點(diǎn)輸出，可滿足要求。接地端為ＰＬＣ的 ＤＣ２４Ｖ 電源負(fù)端，測試時(shí) ＯＵＴ＿ＣＯＭ 端連接至繼電保護(hù)裝置的開入 量 公 共 端，ＯＵＴ１～ＯＵＴ４可 分 別 連 接 至 所需測試的開入量位置。當(dāng) ＰＬＣ 的 ＤＯ 口 設(shè) 置 為 輸 出 時(shí)，Ｙ０～Ｙ３與ＰＬＣ的共點(diǎn) ＤＣ２４Ｖ 電源正端連通，使光 ＭＯＳ繼電器導(dǎo)通。

１．３ 開關(guān)量輸入電路

繼電保護(hù)裝置控制回路中跳閘接點(diǎn) ＴＢＪ、保護(hù)合閘接點(diǎn) ＨＢＪ等接點(diǎn)閉合時(shí)間過長或粘連易導(dǎo)致接點(diǎn)燒毀，進(jìn)一步可能引起保護(hù)拒動或誤動。結(jié)合圖３（出口接點(diǎn)兩端接線）和圖４（出口壓板下端和接地端接線）所示兩種方案，介紹開關(guān)量輸入電路的設(shè)計(jì)原理，該電路用于測試?yán)^電保護(hù)裝置的開出接點(diǎn)。

圖３中，測試接點(diǎn)選擇在保護(hù)裝置控制回路中的出口接點(diǎn)兩端ａ、ｂ，測試時(shí)應(yīng)斷開控制電源 ＫＭ，將ａ和ｂ 分別接測試儀ＩＮ、ＣＯＭ 兩端，當(dāng)出口接點(diǎn) ＴＢＪ閉合后，ＩＮ與 ＣＯＭ 等 電 位， 則ＩＮ 為 ＋２４Ｖ， 驅(qū)動光耦隔離電路導(dǎo)通，由ＰＬＣ采集出口接點(diǎn)的閉合時(shí)間。此方案ａ端在保護(hù)屏柜前，ｂ端常設(shè)置 在 屏 柜 后，測試人員需通過圖紙查找屏后的端子排，不易測試且耗時(shí)長；另外當(dāng)誤合控制電源ＫＭ 時(shí)， ＋ＫＭ（＋１１０Ｖ）與 測 試 儀 ＣＯＭ 端 的 ＋２４Ｖ 連接，存在損壞電路風(fēng)險(xiǎn)。

圖４中，測試接點(diǎn)為出口壓板下端ｂ和接地端ａ，測試時(shí)合上控制電源 ＫＭ，測試儀的ＩＮ 接出口壓板下端ｂ，ＣＯＭ 接接地端ａ。當(dāng) ＴＢＪ閉 合 后，ＩＮ 與 ＣＯＭ 間 產(chǎn) 生＋１１０Ｖ 直流電，驅(qū)動 電 路 導(dǎo) 通。此方案的測試點(diǎn)均在屏柜前面，接線簡便，不存在損壞電路的風(fēng)險(xiǎn)，可代替使用萬

用表測量跳合閘脈沖的常規(guī)方式。當(dāng)保護(hù)裝置動作時(shí)，其出口接點(diǎn)處會瞬時(shí)發(fā)出一個(gè)＋１１０Ｖ 左右電位的脈沖，經(jīng)開關(guān)量輸入電路至 ＰＬＣ的４路 ＤＩ口（設(shè)計(jì)４路：Ｘ０～Ｘ３）進(jìn)行檢測。每組開關(guān)量輸入電路 均 有２個(gè) 分 壓 電 阻，１個(gè)用于防止輸入端因反偏電壓過大而損壞的二極管，１個(gè) 用

于減少干擾信號的電容，１ 個(gè)作為開關(guān)元件的開關(guān)三極管，１個(gè)高速光耦隔離器等。

１．４ＩＲＩＧ－Ｂ解碼電路

測試儀利用變電站內(nèi)的 ＧＰＳ時(shí)鐘同步裝置實(shí)現(xiàn)對時(shí)功能，可設(shè)置參數(shù)定時(shí)輸出開關(guān)量變位，與保護(hù)裝置開入量動作時(shí)間進(jìn)行比對。ＩＲＩＧ－Ｂ解碼電路原理如圖５所示，選用１塊深圳云辰科技公司的ＩＲＩＧ－Ｂ解碼芯片 ＹＣＢ４００１和１塊用于 ＲＳ－４８５信號到 ＴＴＬ電平轉(zhuǎn)換的 ＡＤＭ４８５芯片，對時(shí)采用 ＰＰＳ外 部 中 斷 方 案。ＹＣＢ４００１ 的 ＴＸＤ 和 ＲＸＤ引腳為串行發(fā)送和接收端，與 ＰＬＣ的擴(kuò)展串口 ＰＯＲＴ１連接，這樣 ＰＬＣ根據(jù)所選解碼芯片 ＹＣＢ４００１規(guī)定的 ＧＰＳ系統(tǒng)輸出報(bào)文協(xié)議獲取時(shí)間報(bào)文，解 碼 芯 片 ＹＣＢ４００１的 秒脈沖（ＰＰＳ）經(jīng)光耦隔離器與 ＰＬＣ的 ＤＩ端口 Ｘ４連接，ＰＬＣ接收到 ＰＰＳ信號后以上升沿捕捉方式在中斷程序（已 分 配ＰＬＣ硬件高速計(jì)時(shí)器 ＨＳＣＡ 作為 ＤＩ端口 Ｘ４的硬件中斷）中接收一次 ＧＰＳ時(shí) 間 報(bào) 文。ＩＲＩＧ－Ｂ解碼電路中的外部接口包括ＩＲＩＧ－Ｂ（ＤＣ）４８５輸入接口和ＩＲＩＧ－Ｂ（ＤＣ）ＴＴＬ輸入接口，可與變電站內(nèi) ＧＰＳ時(shí)鐘同步裝置的 ＲＳ－４８５輸出插件或 ＴＴＬ輸出插件連接，連接方式二選一。

２ 測試儀的軟件設(shè)計(jì)

２．１ 開入量變位及ＳＯＥ事件模擬

ＳＯＥ分辨率的 測 試 采 用 圖 ６ 的表示方法設(shè)置脈沖輸出。其中，脈沖 時(shí) 間 Ｐｅｒｉｏｄ、脈 沖 寬 度 Ｗｉｄｔｈ、脈 沖 同 步延 時(shí) 時(shí) 間 Ｄｅｌａｙ 和脈沖個(gè)數(shù)均可通過觸摸 屏參數(shù)設(shè)置輸出［５］。

ＳＯＥ事件的模擬需 設(shè) 置 ＰＬＣ 輸 出 ＤＩ口 Ｙ０～Ｙ３為１或０的持續(xù)時(shí)間，其中 Ｙ０～Ｙ３分別分配了硬件高速計(jì)數(shù)器 ＨＳＴ０～ＨＳＴ３，獨(dú) 立 進(jìn) 行 計(jì) 數(shù)、比 較，發(fā) 出 中 斷，不占用 ＣＰＵ 的時(shí)間，進(jìn)一步提高了輸出性能。ＰＬＣ 在 接 收到觸摸屏發(fā)送的模擬 ＳＯＥ 事件命令后按圖６所 示 輸 出 脈沖，第２路脈沖延遲第１路脈沖１個(gè) Ｄｅａｌｙ時(shí)間輸出，依此類推。第１路脈沖輸出的中斷子程序流程如圖７所示，其余３路脈沖輸出的中斷程序設(shè)計(jì)與此相同，當(dāng)高速計(jì)數(shù)器中斷開啟后等待時(shí)間（ＰＶ－ＣＶ）×０．１ｍｓ進(jìn)入中斷程序。

需注意的是，當(dāng)進(jìn)入高速計(jì)數(shù)器中斷程序后，應(yīng) 設(shè) 置 Ｙ０的輸出狀態(tài)并使用Ｉ／Ｏ 更新指令立即更新 Ｙ０～Ｙ３輸出口的狀態(tài)，這樣可獲得實(shí)時(shí)快速的輸出反應(yīng)，否 則 ＰＬＣ 的輸出信號更新通常是在全部程序掃描結(jié)束后才將所有輸出結(jié)果送至輸出點(diǎn)，將導(dǎo)致脈沖周期、脈沖寬度或延時(shí)時(shí)間不準(zhǔn)確。光 ＭＯＳ繼 電 器 ＡＱＷ２１４ＥＨ 本 身 存 在 一 定 的 導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，測試結(jié)果顯示各開出量輸出不同步時(shí)間誤差不大于０．２ｍｓ，通過觸摸屏的測試界面手動設(shè)置立即輸出或定時(shí)輸出４路高速脈沖。

２．２ 開出量測試記錄

ＰＬＣ記錄出口接點(diǎn)動作產(chǎn)生的脈沖上升沿及下降沿事件，并將事件信息傳送給觸摸屏顯示。程 序 首 先 開 啟ＰＬＣ數(shù) 字 量 輸 入 口 Ｘ０～Ｘ３ 的邊沿翻轉(zhuǎn)中斷， 測 試 時(shí)ＰＬＣ經(jīng)開關(guān)量輸入電路檢測輸入口瞬時(shí) ＋１１０Ｖ 電 位 脈沖，再通過捕捉各輸入口脈沖上升沿和下降沿中斷的計(jì)數(shù)值計(jì)算出口 接 點(diǎn) 的 動 作 時(shí) 間，并將該動作情況發(fā)送至ＨＭＩ顯示。ＨＭＩ顯示的內(nèi)容為出口接點(diǎn)動作時(shí)間， 動作、復(fù)歸報(bào)文，并可選擇是否以內(nèi)置蜂鳴器作為動作信號的提醒。

２．３ 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏采用組態(tài)軟件 ＫｉｎｃｏＨＭＩ進(jìn)行界面的設(shè)計(jì)，其與 ＰＬＣ的通信遵循永宏 ＦＡＣＯＮＦＢ協(xié)議。ＨＭＩ通 過 設(shè) 置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行輸出控制（如常規(guī)開入量接點(diǎn)變位），設(shè) 置４路高速脈沖 信 號 模 擬 ＳＯＥ 分 辨 率，并 具 備 記 錄 開 出 量 測試過程、查看測試報(bào)文的功能。ＳＯＥ分辨率測試界面如圖８所示。

３ 結(jié)語

本文從硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)兩方面介紹了繼電保 護(hù)裝置開關(guān)量測 試 儀 的 設(shè) 計(jì)，硬件部分在滿足功能、性 能要求的同時(shí)對開關(guān)量測試電路進(jìn)行優(yōu)選，軟 件 部 分 側(cè) 重介紹ＳＯＥ事件模擬的程序設(shè)計(jì)。該測試儀可與繼電保護(hù)測試儀配合，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置開入量、開出量接點(diǎn)的測試，可接 收 變 電 站 內(nèi) ＧＰＳ時(shí)鐘同步裝置的 Ｂ碼 對 時(shí)，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)開 入 量 變 位、模 擬 ＳＯＥ 分 辨 率 試 驗(yàn) 及 同 步 測 試多路出口接點(diǎn)。該測試儀具有精度高、操作簡單、使用方便及運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，目前已在現(xiàn)場保護(hù)裝置的調(diào)試工作中應(yīng)用。