隨著繼電保護(hù)測(cè)試儀的大規(guī)模應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行出廠前檢測(cè)和定期檢測(cè)成為一項(xiàng)非常重要的工作。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于繼電保護(hù)測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置的研究仍處于起步階段，大部分校準(zhǔn)裝置只能做到常規(guī)檢測(cè)，如電壓、電流幅值特性、相位檢測(cè)等，而涉及暫態(tài)特性參數(shù)的檢測(cè)仍無(wú)法完成。

由于使用暫態(tài)特性參數(shù)作為合格判據(jù)的繼電保護(hù)裝置逐漸增多，急需在檢測(cè)中對(duì)電壓響應(yīng)速率 du /dt，電流響應(yīng)速率 di /dt 等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。現(xiàn)階段，除采用高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)量外，沒有其它更有效、更方便的檢測(cè)方法。本文所述的繼電保護(hù)測(cè)試儀暫態(tài)特性參數(shù)測(cè)量方法，通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用數(shù)字插值分析手段，結(jié)合 FFT濾波平滑算法來(lái)完成繼電保護(hù)測(cè)試儀暫態(tài)特性參數(shù)檢測(cè)。

暫態(tài)是由于某種作用發(fā)生變化，電路從一個(gè)瞬間狀態(tài)進(jìn)入到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程。本文涉及的暫態(tài)特性主要針對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試儀電壓和電流上升時(shí)間、下降時(shí)間、響應(yīng)速率及其模擬故障電壓電流同步性的檢測(cè)。

1 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析

本方法主要分兩部分: 數(shù)據(jù)采集部分和上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理部分。其中數(shù)據(jù)采集要求高速，采用 TMS320F281X 系列 DSP 為信號(hào)控制處理芯片。該系列 DSP 有著 32 位精度和 150 M 的處理能力，在數(shù)字信號(hào)處理控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。A/D 轉(zhuǎn)換芯片采用 TI 公司推出的 ADS930 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，該款芯片 3 ～ 5 V 電源供電，8 位分辨率，采樣速率達(dá) 30 MHz，信號(hào)輸入幅度低，抗干擾能力強(qiáng)，適用于采樣速率較高的場(chǎng)合。考慮到一個(gè)周期內(nèi)采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)達(dá) 4 000 多點(diǎn)，即 1μs 采樣一個(gè)數(shù)據(jù)，同時(shí)，鑒于 ＲS232 接口簡(jiǎn)單和通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，本方法采用串行口與 PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

上位機(jī)軟件采用 Borland 公司可視化編程環(huán)境 Delphi 方法人機(jī)交互界面，負(fù)責(zé)對(duì)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理、顯示、保存等操作。其系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。結(jié)合《繼電保護(hù)微機(jī)型試驗(yàn)裝置技術(shù)條件》，采用插值算法和 FFT 濾波平滑方法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以達(dá)到檢測(cè)準(zhǔn)確度要求。

2 數(shù)字插值算法分析

數(shù)字插值法是在離散的采樣點(diǎn)之間補(bǔ)充一些數(shù)據(jù)，使這組離散數(shù)據(jù)能更**顯示采樣波形曲線。插值方法是數(shù)值分析中常用的手段，是函數(shù)逼近理論值的重要方法。利用插值方法可以提高采樣速率，進(jìn)而提高信號(hào)處理的精度。繼電保護(hù)測(cè)試儀的暫態(tài)特性響應(yīng)快，要求準(zhǔn)確檢測(cè)其響應(yīng)速率，盡可能在瞬態(tài)過(guò)程中捕捉到足夠多的點(diǎn)，從而**進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。上升時(shí)間與采樣間隔關(guān)系如圖 2 所示

2. 1 線性插值法

線性插值方法簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，適用于方波、三角波等信號(hào)的重建或恢復(fù)。*常用的是拉格朗日插值法。

2. 2 正弦插值法

正弦插值法 sinx /x 是利用正弦曲線連接采樣點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理領(lǐng)域，借助數(shù)學(xué)處理，在實(shí)際采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)間運(yùn)算出結(jié)果。基于采樣定理，通過(guò)時(shí)域卷積而推出取樣函數(shù)插值公式為:

3 濾波平滑算法

為了消除高速數(shù)據(jù)采集干擾及電子線路布局等產(chǎn)生的干擾，本方法插值前對(duì)數(shù)據(jù)采用濾波平滑方法來(lái)光滑測(cè)試曲線，以**計(jì)算相應(yīng)參數(shù)，評(píng)估其性能。該方法通過(guò)傅里葉變換計(jì)算數(shù)據(jù)平滑小窗內(nèi)的數(shù)據(jù)頻率成分，將頻率大于 1 /( nΔt) 的成分濾除來(lái)達(dá)到平滑曲線目的。其中，n 是所選窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，Δt 是相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)間的時(shí)間差。該方法實(shí)際使用了一個(gè)局部低通濾波器對(duì)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平滑而不改變測(cè)試響應(yīng)曲線。

4 檢測(cè)原理與方法

4. 1 上升時(shí)間測(cè)量

繼電保護(hù)測(cè)試儀測(cè)量方波信號(hào)獲得的波形曲線示意圖如圖 3 所示。采用眾數(shù)法獲得方波信號(hào)上升曲線的頂 xt 和底 xb 的測(cè)量值。上升、下降時(shí)間指響應(yīng)曲線從初始時(shí)刻到**達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間。理論上到達(dá)穩(wěn)態(tài)值時(shí)間無(wú)窮大，因此，通常將上升時(shí)間定義為響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值 10% 上升到穩(wěn)態(tài)值 90% 所需的時(shí)間。而下降時(shí)間定義為響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值 90% 下降到穩(wěn)態(tài)值 10% 所需的時(shí)間。

4. 2 電壓電流同步性

同步性指電壓電流響應(yīng)曲線是否按同一規(guī)律變化，檢測(cè)其不同步時(shí)間。本文指的同步性是針對(duì)繼保測(cè)試儀模擬短路故障時(shí)，電流值瞬間增大，而電壓值迅速下降過(guò)程中的電壓電流響應(yīng)時(shí)間。檢測(cè)過(guò)程中，設(shè)定故障前交流電壓相位為 90°，電流相位為 － 90°，設(shè)定模擬故障電壓值和電流值，故障前電壓值大于故障后電壓值。當(dāng)發(fā)生模擬故障時(shí)，電流值上升，電壓值下降，求得此過(guò)程的電流上升時(shí)間和電壓下降時(shí)間。不同步時(shí)間即電壓電流響應(yīng)時(shí)間之差。同步性測(cè)試響應(yīng)曲線如圖 4所示。

5 檢測(cè)結(jié)果分析

5. 1 電壓電流響應(yīng)速率檢測(cè)

被檢設(shè)備: TEST － 3330A 型微機(jī)型繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)

由于該試驗(yàn)檢測(cè)的微機(jī)型繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)沒有方波信號(hào)輸出，所以檢測(cè)中借助函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為 50 Hz，幅度為 20 VPP，占空比為0. 5 的方波電壓信號(hào)至繼電保護(hù)測(cè)試儀輸入端，測(cè)其阻性負(fù)載方波電壓信號(hào)上升、下降時(shí)間及響應(yīng)速率。其響應(yīng)曲線通過(guò)了濾波平滑處理。方波電壓響應(yīng)速率測(cè)試曲線如圖 5 所示。

檢測(cè)時(shí)，因?yàn)檩斎霝榉讲ㄐ盘?hào)，所以對(duì)采樣數(shù)據(jù)采用線性插值方法，考慮到 A/D 采樣間隔為 1μs，分辨率為 8 位，因此檢測(cè)時(shí)兩采樣點(diǎn)間內(nèi)插一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而提高采樣速率，采樣間隔提高至0. 5 μs。通過(guò)表 1 方波電壓響應(yīng)速率檢測(cè)結(jié)果比較插值前、插值后數(shù)據(jù)，插值后方波電壓信號(hào)上升時(shí)間**到 0. 5 μs。達(dá)到本方法的*低分辨率，符合理想方波上升、下降時(shí)間。

考慮到有些繼電保護(hù)測(cè)試儀沒有方波信號(hào)而只有正弦波信號(hào)輸出，可通過(guò)測(cè)正弦波信號(hào)上升、下降時(shí)間而測(cè)其響應(yīng)速率。正弦波信號(hào)上升時(shí)間是信號(hào)從零值**到達(dá)峰值時(shí)間，而下降時(shí)間是信號(hào)從零值**到達(dá)谷值時(shí)間。通過(guò) TEST －3330A 型微機(jī)型繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)輸出 50 Hz 正弦波電壓信號(hào)至繼電保護(hù)測(cè)試儀輸入端，測(cè)其阻性負(fù)載正弦電壓信號(hào)上升、下降時(shí)間及其響應(yīng)速率。如果檢測(cè)正弦信號(hào)上升時(shí)間，則設(shè)置其初始相位為 90°，幅值為 80 V; 相反，如果檢測(cè)該信號(hào)下降時(shí)間，則設(shè)置初始相位為 － 90°，幅值為 80V。其響應(yīng)曲線通過(guò)了濾波平滑處理，檢測(cè)響應(yīng)波形如圖 6、圖 7 所示。

因?yàn)檩斎霝檎倚盘?hào)，所以對(duì)采樣數(shù)據(jù)采用正弦插值方法，提高檢測(cè)精度。依據(jù)文獻(xiàn)〔4〕，輸出 50 Hz 的 120 V 電壓，應(yīng)測(cè)得電壓上升和下降時(shí)間不大于 200 μs，其變化速率不小于 0. 5 V/μs。從表 2 檢測(cè)結(jié)果可以看出，TEST － 3330A 型微機(jī)型繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)的電壓響應(yīng)速率檢測(cè)結(jié)果滿足檢測(cè)要求。

5. 2 同步性檢測(cè)

檢測(cè)電壓電流同步性時(shí)，設(shè)定模擬短路故障，使待檢測(cè)的 TEST － 3330A 型微機(jī)型繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)輸出頻率為 50 Hz 的正弦電壓信號(hào)至繼保試驗(yàn)裝置輸入端。檢測(cè)前，設(shè)定模擬故障電流值為 1. 5 A，相位為 － 90°; 模擬故障前電壓值為 10V，模擬故障后電壓值為 0 V，相位設(shè)定 90°。圖 8為電壓電流同步性檢測(cè)曲線圖。

同步性檢測(cè)時(shí)，由于輸入信號(hào)為正弦信號(hào)，所以采用正弦插值方法，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。A/D 采樣間隔為 1 μs，考慮其分辨率為 8 位，檢測(cè)時(shí)兩采樣點(diǎn)間插一正弦值，從而進(jìn)行同步性參數(shù)計(jì)算。依據(jù)文獻(xiàn)〔4〕，繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)在模擬短路故障時(shí)，電壓與電流輸出的不同步時(shí)間應(yīng)不大于 100 μs。由表 3 檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，檢測(cè)不同步時(shí)間在誤差允許的范圍內(nèi)，符合檢測(cè)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)介紹基于 ADS930 的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用信號(hào)處理中的插值算法，分析常用插值算法對(duì)提高測(cè)試精度的影響，結(jié)合濾波平滑方法去除干擾，從而達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)試?yán)^電保護(hù)測(cè)試儀暫態(tài)特性參數(shù)的目的。并通過(guò)繼電保護(hù)測(cè)試儀暫態(tài)性能檢測(cè)試驗(yàn)，證明了本方法的可行性，為準(zhǔn)確、方便地解決繼電保護(hù)測(cè)試儀暫態(tài)特性檢測(cè)提供了參考依據(jù)。