０ 引言

微機繼電保護的開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)是微機繼電保護硬件系統(tǒng)的重要組成部分，能完成各種保護的出口跳閘、信號警報、外部接點輸入及人機對話等功能。福建省電網(wǎng)繼電保護檢驗規(guī)程明確規(guī)定了不同電壓等級各類型繼電保護裝置開入量、開出量接點項目的檢驗。開關(guān)量的檢驗也是繼電保護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，大部分采用人工短接開入接點逐一檢驗的方 法，費 時、繁 瑣 且 不 能 準 確 模 擬 ＳＯＥ 分 辨率試驗，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裝置ＳＯＥ分辨率不大于２ｍｓ，其分辨率要求嚴格。而對于開出量的檢驗，目前大部分采用萬用表直接測量繼電保護出口電位的方法，但存在顯示電位時間短、不易觀察等缺點，且２２０ｋＶ 及以上電壓等級的線路保護、主變保護等保護裝置出口回路較多，需多次檢驗，大大降低工作效率。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，可采用繼電保護測試儀測量出口時間，但需設(shè)置繼保測試儀的狀態(tài)序列并逐一檢驗各壓板出口，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，用于檢驗繼電保護裝置開 出 量 及 開 入 量 接 點；ＰＬＣ 通過通信接口與ＨＩＭ 實現(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行記錄，以便查看相應(yīng)的測試報文。電源電路包括市電輸入口、開關(guān)電源模塊及多個 ＤＣ／ＤＣ模塊，可提供電路所 需的多個電壓。 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。

１．１ＰＬＣ和觸摸屏的選擇

測試儀的設(shè)計要求為應(yīng)能正常模擬開入量變位、ＳＯＥ分辨率試驗和測試多路開出量接點，ＳＯＥ分辨率試驗要求測試儀的輸出精度滿足要求，故時間上不應(yīng)有較大偏差。綜合考慮后選用臺灣永宏高性能主機 ＦＢｓ－１４ＭＣＪ２－Ｄ２４型ＰＬＣ作 ＣＰＵ 模塊。該 ＰＬＣ 工 作 電 壓 為 ＤＣ２４Ｖ，平 均 執(zhí)行時間為０．３３μｓ／順 序 指 令，有８點 數(shù) 字 量 輸 入、６點 數(shù)字量輸出，采用單端共點晶體管輸出，５組３２位元硬件高速計時器 ＨＳＣＡ、ＨＳＣ０～ＨＳＣ３的計數(shù)頻率達２００ｋＨｚ，內(nèi)置１個 ＲＳ－２３２（ＰＯＲＴ０）接 口；可通過外接通信擴展模塊 ＦＢｓ－ＣＢ２２增加２個 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。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的單端共點晶體管ＳＲＣＥ輸出型（數(shù)字量輸出共點接至 ＤＣ２４Ｖ 電源的正端），由 ＣＰＵ 通過光耦合控制晶體管通斷。該機型具備高速數(shù)字量輸出點４個（即 Ｙ０～Ｙ３），*大輸出時延為２００ｎｓ，響 應(yīng) 時 間 極 快。ＰＬＣ 的數(shù)字量輸出為有源接點，不適合直接接入繼電保護裝置的開入接點（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，則響應(yīng)時間慢，且輸出時延一般在幾毫秒甚至幾十毫秒，達不到設(shè)計要求。為此，設(shè)計 時 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極公共端的繼電保護裝置開入接點，并具有雙向?qū)?、高靈敏度、無機械觸點、壽命長等特點，負載電壓為 ＤＣ４００Ｖ，典型導(dǎo)通電阻為３０Ω，典型開通時間為０．３１ｍｓ，典型關(guān)斷時間為０．０５ｍｓ。開關(guān)量輸 出 電 路 如 圖 ２ 所 示。 設(shè) 計 選 用 ２ 塊 ＡＱＷ－２１４ＥＨ 產(chǎn)生４路空接點輸出，可滿足要求。接地端為ＰＬＣ的 ＤＣ２４Ｖ 電源負端，測試時 ＯＵＴ＿ＣＯＭ 端連接至繼電保護裝置的開入 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，Ｙ０～Ｙ３與ＰＬＣ的共點 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

繼電保護裝置控制回路中跳閘接點 ＴＢＪ、保護合閘接點 ＨＢＪ等接點閉合時間過長或粘連易導(dǎo)致接點燒毀，進一步可能引起保護拒動或誤動。結(jié)合圖３（出口接點兩端接線）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)計原理，該電路用于測試繼電保護裝置的開出接點。

圖３中，測試接點選擇在保護裝置控制回路中的出口接點兩端ａ、ｂ，測試時應(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 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采集出口接點的閉合時間。此方案ａ端在保護屏柜前，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，不易測試且耗時長；另外當(dāng)誤合控制電源ＫＭ 時， ＋ＫＭ（＋１１０Ｖ）與 測 試 儀 ＣＯＭ 端 的 ＋２４Ｖ 連接，存在損壞電路風(fēng)險。

圖４中，測試接點為出口壓板下端ｂ和接地端ａ，測試時合上控制電源 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。此方案的測試點均在屏柜前面，接線簡便，不存在損壞電路的風(fēng)險，可代替使用萬

用表測量跳合閘脈沖的常規(guī)方式。當(dāng)保護裝置動作時，其出口接點處會瞬時發(fā)出一個＋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４路：Ｘ０～Ｘ３）進行檢測。每組開關(guān)量輸入電路 均 有２個 分 壓 電 阻，１個用于防止輸入端因反偏電壓過大而損壞的二極管，１個 用

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

１．４ＩＲＩＧ－Ｂ解碼電路

測試儀利用變電站內(nèi)的 ＧＰＳ時鐘同步裝置實現(xiàn)對時功能，可設(shè)置參數(shù)定時輸出開關(guān)量變位，與保護裝置開入量動作時間進行比對。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)輸出報文協(xié)議獲取時間報文，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硬件高速計時器 ＨＳＣＡ 作為 ＤＩ端口 Ｘ４的硬件中斷）中接收一次 ＧＰＳ時 間 報 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

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 間 Ｐｅｒｉｏｄ、脈 沖 寬 度 Ｗｉｄｔｈ、脈 沖 同 步延 時 時 間 Ｄｅｌａｙ 和脈沖個數(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)時間，其中 Ｙ０～Ｙ３分別分配了硬件高速計數(shù)器 ＨＳＴ０～ＨＳＴ３，獨 立 進 行 計 數(shù)、比 較，發(fā) 出 中 斷，不占用 ＣＰＵ 的時間，進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 Ｄｅａｌｙ時間輸出，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)計與此相同，當(dāng)高速計數(shù)器中斷開啟后等待時間（ＰＶ－ＣＶ）×０．１ｍｓ進入中斷程序。

需注意的是，當(dāng)進入高速計數(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)，這樣可獲得實時快速的輸出反應(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，將導(dǎo)致脈沖周期、脈沖寬度或延時時間不準確。光 ＭＯＳ繼 電 器 ＡＱＷ２１４ＥＨ 本 身 存 在 一 定 的 導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間，測試結(jié)果顯示各開出量輸出不同步時間誤差不大于０．２ｍｓ，通過觸摸屏的測試界面手動設(shè)置立即輸出或定時輸出４路高速脈沖。

２．２ 開出量測試記錄

ＰＬＣ記錄出口接點動作產(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ＰＬＣ經(jīng)開關(guān)量輸入電路檢測輸入口瞬時 ＋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數(shù)值計算出口 接 點 的 動 作 時 間，并將該動作情況發(fā)送至ＨＭＩ顯示。ＨＭＩ顯示的內(nèi)容為出口接點動作時間， 動作、復(fù)歸報文，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

觸摸屏采用組態(tài)軟件 ＫｉｎｃｏＨＭＩ進行界面的設(shè)計，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)進行輸出控制（如常規(guī)開入量接點變位），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)計兩方面介紹了繼電保 護裝置開關(guān)量測 試 儀 的 設(shè) 計，硬件部分在滿足功能、性 能要求的同時對開關(guān)量測試電路進行優(yōu)選，軟 件 部 分 側(cè) 重介紹ＳＯＥ事件模擬的程序設(shè)計。該測試儀可與繼電保護測試儀配合，實現(xiàn)繼電保護裝置開入量、開出量接點的測試，可接 收 變 電 站 內(nèi) ＧＰＳ時鐘同步裝置的 Ｂ碼 對 時，實現(xiàn)了常規(guī)開 入 量 變 位、模 擬 ＳＯＥ 分 辨 率 試 驗 及 同 步 測 試多路出口接點。該測試儀具有精度高、操作簡單、使用方便及運行穩(wěn)定等優(yōu)點，目前已在現(xiàn)場保護裝置的調(diào)試工作中應(yīng)用。