一种便携式继电器校验装置的设计.pdf

348 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月Applications创新应用2 设计方案 2.1 设计思路根据本文分析，想进一步提升继电保护相关工作效率，需要研制一种专业的便携式继电器校验装置。在普遍采用微机保护的当前继电保护工作环境中，常见的电气量继电器主要有各类中间继电器，过（失）压继电器，过流继电器。因此装置需具备可调交直流电压、交流电流输出功能及开关量输入检测功能。考虑到出口中间继电器有动作功率校验需求，装置电压出口回路应具备电流测量功能。继电器校验有户外作业需求，因此校验装置应具备内部电池直接供能力。再考虑人机交互等功能，便携式继电器校验装置的结构如图1所示。0 引言随着电网规模日益增大，继电保护系统作为保护电网安全稳定运行的第一道防线承担的责任也日益增加。继电器作为继电保护系统中的核心元件对保障保护可靠动作起着至关重要的作用1-4。因此，继电器校验成为继电保护工作中的重要组成部分。1 研究背景目前，现场工作主要采用继电保护测试仪完成继电器相关试验，但继电保护测试仪体积较大、质量重，校验时需要连接试验电源、接地线等，整个校验平台的搭建时间较长5。特别是需要对过负荷闭锁有载调压继电器等户外继电器进行校验时，搬运试验仪器、搭接场地动力电源等前期准备工作更是耗时耗力，准备时间已远远超过试验时间，严重影响现场工作效率。出口回路直接涉及开关动作是检查的重点6。由于出口二次回路电缆较长，且在连接至户外受到各类较强的空间电磁场干扰，因此出口回路中的各类中间继电器需要具备较强的抗干扰能力7。根据相关规定，所有不经闭锁直接跳闸或经有限条件闭锁但是一旦跳闸影响较大（如启动失灵等）的重要回路中，其中间继电器的动作电压应为额定直流电压的55%70%，并且其动作功率不得小于5W。使用传统继电保护校验仪进行继电器动作功率测试时，还需要额外将万用表的电流测量回路串联至动作线圈供电回路中，并且动作功率需要自己手动计算，整个过程需要多人配合，效率低下、操作不便。作者简介：张振兴，国网金华供电公司，工程师，硕士研究生；研究方向：继电保护。收稿日期：2022-10-31；修回日期：2023-05-22。摘要：阐述一种便携式继电器校验装置设计，包括核心控制模块、模拟量输出单元、电压放大模块、电流放大模块、供电单元、开入模块、用户输入模块、显示模块，探讨装置操作步骤、现场测试分析。关键词：校验装置设计，控制模块，输入模块，显示模块。中图分类号：TM58 文章编号：1674-2583(2023)06-0348-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.06.155文献引用格式：张振兴，吴雪峰，陈志伟，黄晓峰，朱兴隆.一种便携式继电器校验装置的设计J.集成电路应用,2023,40(06):348-350.一种便携式继电器校验装置的设计张振兴，吴雪峰，陈志伟，黄晓峰，朱兴隆（国网金华供电公司，浙江 321017）Abstract This paper describes the design of a portable relay calibration device,including the core control module,analog output unit,voltage amplification module,current amplification module,power supply unit,input module,user input module,display module,and discusses the operation steps of the device and on-site test analysis.Index Terms calibration device design,control module,input module,display module.Design of a Portable Relay Calibration DeviceZHANG Zhenxing,WU Xuefeng,CHEN Zhiwei,HUANG Xiaofeng,ZHU Xinglong(State Grid Jinhua Power Supply Company,Zhejiang 321017,China.)图1 装置结构图 Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 349 2.2 核心控制模块装 置 核 心 控 制 模 块 主 要 由 微 控 制 单 元（MCU）及外围回路构成。结合装置使用场景，及功能需求，本设计最终选择采用STM32F407系 列 M C U。该 处 理 器 主 频 最 高 为 1 6 8 M H z，片 上 R A M 1 9 2 k B，正 常 工 作 温 度 范 围 为-4 0 85，可满足本设计的运算性能需求，适应户外使用场景。2.3 模拟量输出单元模拟量输出单元由DAC芯片、电压放大模块、电流放大模块组成。本设计DAC芯片采用DAC7744E，这是一款16位双极性4路输出数模转换芯片，正常工作温度范围为-4085，通过并口与MCU通讯，可将中央处理单元发出的数字量信号转化为低压模拟量传输到带电压、电流放大模块。（1）电压放大模块是一个由LM358运放及IRFP460场效应管为核心器件组成的双极性电压放大电路，将DAC转化的低压模拟量放大成试验电压，反馈电压模拟值至MCU作为反校值保证输出电压准确稳定。模块同时需反馈输出的电流模拟值至MCU用于出口继电器动作功率计算，其最大输出电压260V，05V误差0.2%1mV，5260V误差0.1%2mV，最大带载能力为30VA.（2）电流放大模块是一个由LM358运放及50P10、96N15场效应管为核心的双极性压控电流源电路，将DAC转化的低压模拟量放大成试验电流，同时反馈电流模拟值至MUC作为反校值保证输出电流准确稳定。电流放大模块输出电流010A可调，0.20.5A误差2mA，0.510A误差0.2%2mA，最大带载能力20VA。2.4 供电单元供电单元由电池及升压模块组成。电池选用12颗18650锂离子电池串并联组成，可提供7V的低压直流电源，输出给核心控制模块、电流放大模块。同时供电模块中采用8个URA2424YMD-20WR3直流稳压隔离升压模块组成倍压电路，将7V低压直流升压至24V后叠加8倍变为192V高压直流电，为电压放大模块供电。2.5 开入模块开入模块选用2701L光耦及C5548 MOS管组成光耦隔离电路。同时，开入模块选用MB6S整流桥及稳压管组成输入极性切换保护回路，因此本开入检测电路可采集空接点及32250V的带电接点，极性自适应，方便在不拆除继电器的情况下带电检测继电器接点是否动作，简化继电器校验步骤。2.6 用户输入模块用户输入模块通过行列扫描键盘的方式将按键值输入至MCU中。键盘布局分为左右两部分，其中左侧为控制部分，具备装置启动、停止，功能选择、数值删除、退出、光标上下左右移动等功能。右侧为数值输入部分，可直接输入具体数值。2.7 显示模块显示模块是实现装置与用户沟通的重要展示设备，根据装置功能分析，显示屏需要具备汉字、数字的多行显示能力。综合考虑最终本设计选用一块240128分辨率的OLED屏，屏幕采用并口通信，并且自带中文字库，方便汉字显示。3 装置操作步骤手动校验流程。当需要对电压、电流继电器动作值、返回值进行校验时，可通过手动校验功能进行测试。手动校验操作界面由输入区域和结果显示区域组成：在输入区域可输入初始电压、电流、频率，设置变量类型、变化步长；结果显示区在继电器动作（返回）时会记录显示动作值（返回值），并自动计算显示返回系数。（1）根据继电器类型将继电器线圈与电压或电流输出接口连接，同时将继电器动作接点与校验装置开入接口连接，完成实验接线。（2）打开装置，选择手动校验功能，根据继电器规格设置初始电压（电流）及频率，设置变量类型、变化步长。（3）逐渐增大（减小）电压（电流）直至继电器动作，校验装置将自动记录动作电压（电流）并显示，逐渐减小（增大）电压（电流）直至继电器返回，校验装置自动记录返回电压（电流）并计算出返回系数。继电器动作功率校验流程。当需要对出口中间继电器进行动作功率校验时，可通过继电器功率校验功能进行测试。继电器功率校验操作界面由输入区域、实时显示区域、结果显示区域组成：在输入区域可输入初始电压、变化步长；实时显示区在校验过程中可实时显示装置输出电流及功率。结果显示区在继电器动作（返回）时会记录并显示动作值（返回值）、动作功率（返回功率），并自动计算显示返回系数。（1）将继电器线圈与电压输出接口连接，将继电器动作接点与校验装置开入接口连接，完成实验接线。（2）打开装置，选择断路器功率校验功能，设置初始电压、变化步长。（3）逐渐增大电压直至继电器动作，校验装置将自动记录动作电压、功率，逐渐减小电压直至继电器返回，校验装置自动记录返回电压、功率并计算出返回系数。4 现场测试在变电站施工现场分别使用传统继电保护校验仪与便携式继电器校验仪对10个线路无压继电器、2个过负荷闭锁继电器以及40个出口中间继电器进行校验。根据现场工作安排，线路无压继电器每次校验2个，一共记录了5次校验工作的准备时间和校验时间。采用传统方法每个继电器平均准备时间6.0min，平均试验时间3.7min，平均350 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月Applications创新应用总用时9.7min，使用便携式继电器校验装置平均准备时间1.4min，平均试验时间1.9min，平均总用时3.3min。过负荷闭锁有载调压继电器每次可校验1个，一共记录了2次校验工作的准备时间和校验时间。采用传统方法每个继电器平均准备时间27.1min，平均试验时间8.0min，平均总用时35.1min，使用便携式继电器校验装置平均准备时间5.2min，平均试验时间6.0min，平均总用时11.2min。出口中间继电器每次可校验8个，一共记录了5次校验工作的准备时间和校验时间。采用传统方法每个继电器平均准备时间1.7min，平均试验时间4.7min，平均总用时6.4min，使用便携式继电器校验装置平均准备时间0.4min，平均试验时间3.1min，平均总用时3.5min。从现场实践可以看出，在三种类型继电器的校验过程中，便携式继电器校验装置均能获得更快的校验速度。三类继电器汇总后两种方法试验时间对例如图2所示。从图2中可明显看出，采用便携式继电器校验装置可显著减少工作时间，特别是在准备阶段：采用传统校验装置平均花费3.5min，采用便携式继电器校验装置平均花费0.7min，可节约时间80%；在试验阶段，采用传统校验装置平均花费4.7min，采用便携式继电器校验装置平均花费3.0min，可节约时间36%；总体平均校验时间从8.2min减少到3.7min，可节约时间55%。5 结语试验结果可知，采用便携式继电器校验装置，有效提升了继电器校验效率，减少了现场工作时长，这进一步印证了便携式继电器校验装置在现场继电器校验工作中的优越性，值得广泛推广应用。参考文献1 尤上元,杨虎城.电气自动化系统继电保护的安全技术分析J.通信电源技术,2019,36(05):263-264.2 闫涛,何正东.关于电气自动化系统继电保护的安全技术的探讨与分析J.电子技术与软件工程,2017(24):130+244.3 刘文华.电力自动化继电保护相关安全管理问题探析J.通信电源技术,2018,35(12):204-205.4 李剑锋.直流24V继电器校验装置研究J.水电站机电技术,2018,41(10):16-17.5 雷立超,杨维平,刘钦.继电器检验存在的不足与改进实践J.自动化应用,2016(10):63-64.6 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