隨著繼電保護測試儀的大規(guī)模應(yīng)用，對其進行出廠前檢測和定期檢測成為一項非常重要的工作。目前，國內(nèi)對于繼電保護測試儀校準裝置的研究仍處于起步階段，大部分校準裝置只能做到常規(guī)檢測，如電壓、電流幅值特性、相位檢測等，而涉及暫態(tài)特性參數(shù)的檢測仍無法完成。
由于使用暫態(tài)特性參數(shù)作為合格判據(jù)的繼電保護裝置逐漸增多，急需在檢測中對電壓響應(yīng)速率 du /dt，電流響應(yīng)速率 di /dt 等參數(shù)進行檢測?，F(xiàn)階段，除采用高速數(shù)字存儲示波器測量外，沒有其它更有效、更方便的檢測方法。本文所述的繼電保護測試儀暫態(tài)特性參數(shù)測量方法，通過高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用數(shù)字插值分析手段，結(jié)合 FFT濾波平滑算法來完成繼電保護測試儀暫態(tài)特性參數(shù)檢測。
暫態(tài)是由于某種作用發(fā)生變化，電路從一個瞬間狀態(tài)進入到一個穩(wěn)定狀態(tài)的過渡過程。本文涉及的暫態(tài)特性主要針對繼電保護測試儀電壓和電流上升時間、下降時間、響應(yīng)速率及其模擬故障電壓電流同步性的檢測。
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 30 MHz，信號輸入幅度低，抗干擾能力強，適用于采樣速率較高的場合?？紤]到一個周期內(nèi)采樣數(shù)據(jù)點數(shù)達 4 000 多點，即 1μs 采樣一個數(shù)據(jù)，同時，鑒于 ＲS232 接口簡單和通用性強的特點，本方法采用串行口與 PC 機進行數(shù)據(jù)通信。
上位機軟件采用 Borland 公司可視化編程環(huán)境 Delphi 方法人機交互界面，負責對采集系統(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《繼電保護微機型試驗裝置技術(shù)條件》，采用插值算法和 FFT 濾波平滑方法對采集數(shù)據(jù)進行處理，以達到檢測準確度要求。
2 數(shù)字插值算法分析
數(shù)字插值法是在離散的采樣點之間補充一些數(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，進而提高信號處理的精度。繼電保護測試儀的暫態(tài)特性響應(yīng)快，要求準確檢測其響應(yīng)速率，盡可能在瞬態(tài)過程中捕捉到足夠多的點，從而**進行參數(shù)計算。上升時間與采樣間隔關(guān)系如圖 2 所示
2. 1 線性插值法
線性插值方法簡單，計算速度快，適用于方波、三角波等信號的重建或恢復。*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，廣泛應(yīng)用于信號處理領(lǐng)域，借助數(shù)學處理，在實際采樣數(shù)據(jù)點間運算出結(jié)果?；诓蓸佣ɡ?，通過時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，本方法插值前對數(shù)據(jù)采用濾波平滑方法來光滑測試曲線，以**計算相應(yīng)參數(shù)，評估其性能。該方法通過傅里葉變換計算數(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) 的成分濾除來達到平滑曲線目的。其中，n 是所選窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)點數(shù)，Δt 是相鄰數(shù)據(jù)點間的時間差。該方法實際使用了一個局部低通濾波器對窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)平滑而不改變測試響應(yīng)曲線。
4 檢測原理與方法
4. 1 上升時間測量
繼電保護測試儀測量方波信號獲得的波形曲線示意圖如圖 3 所示。采用眾數(shù)法獲得方波信號上升曲線的頂 xt 和底 xb 的測量值。上升、下降時間指響應(yīng)曲線從初始時刻到**達到穩(wěn)態(tài)值的時間。理論上到達穩(wěn)態(tài)值時間無窮大，因此，通常將上升時間定義為響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值 10% 上升到穩(wěn)態(tài)值 90% 所需的時間。而下降時間定義為響應(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，檢測其不同步時間。本文指的同步性是針對繼保測試儀模擬短路故障時，電流值瞬間增大，而電壓值迅速下降過程中的電壓電流響應(yīng)時間。檢測過程中，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。當發(fā)生模擬故障時，電流值上升，電壓值下降，求得此過程的電流上升時間和電壓下降時間。不同步時間即電壓電流響應(yīng)時間之差。同步性測試響應(yīng)曲線如圖 4所示。
5 檢測結(jié)果分析
5. 1 電壓電流響應(yīng)速率檢測
被檢設(shè)備: TEST － 3330A 型微機型繼電保護測試系統(tǒng)
由于該試驗檢測的微機型繼電保護測試系統(tǒng)沒有方波信號輸出，所以檢測中借助函數(shù)信號發(fā)生器輸出頻率為 50 Hz，幅度為 20 VPP，占空比為0. 5 的方波電壓信號至繼電保護測試儀輸入端，測其阻性負載方波電壓信號上升、下降時間及響應(yīng)速率。其響應(yīng)曲線通過了濾波平滑處理。方波電壓響應(yīng)速率測試曲線如圖 5 所示。
檢測時，因為輸入為方波信號，所以對采樣數(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，因此檢測時兩采樣點間內(nèi)插一個數(shù)據(jù)點，從而提高采樣速率，采樣間隔提高至0. 5 μs。通過表 1 方波電壓響應(yīng)速率檢測結(jié)果比較插值前、插值后數(shù)據(jù)，插值后方波電壓信號上升時間**到 0. 5 μs。達到本方法的*低分辨率，符合理想方波上升、下降時間。
考慮到有些繼電保護測試儀沒有方波信號而只有正弦波信號輸出，可通過測正弦波信號上升、下降時間而測其響應(yīng)速率。正弦波信號上升時間是信號從零值**到達峰值時間，而下降時間是信號從零值**到達谷值時間。通過 TEST －3330A 型微機型繼電保護測試系統(tǒng)輸出 50 Hz 正弦波電壓信號至繼電保護測試儀輸入端，測其阻性負載正弦電壓信號上升、下降時間及其響應(yīng)速率。如果檢測正弦信號上升時間，則設(shè)置其初始相位為 90°，幅值為 80 V; 相反，如果檢測該信號下降時間，則設(shè)置初始相位為 － 90°，幅值為 80V。其響應(yīng)曲線通過了濾波平滑處理，檢測響應(yīng)波形如圖 6、圖 7 所示。
因為輸入為正弦信號，所以對采樣數(shù)據(jù)采用正弦插值方法，提高檢測精度。依據(jù)文獻〔4〕，輸出 50 Hz 的 120 V 電壓，應(yīng)測得電壓上升和下降時間不大于 200 μs，其變化速率不小于 0. 5 V/μs。從表 2 檢測結(jié)果可以看出，TEST － 3330A 型微機型繼電保護測試系統(tǒng)的電壓響應(yīng)速率檢測結(jié)果滿足檢測要求。
5. 2 同步性檢測
檢測電壓電流同步性時，設(shè)定模擬短路故障，使待檢測的 TEST － 3330A 型微機型繼電保護測試系統(tǒng)輸出頻率為 50 Hz 的正弦電壓信號至繼保試驗裝置輸入端。檢測前，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曲線圖。
同步性檢測時，由于輸入信號為正弦信號，所以采用正弦插值方法，對采樣數(shù)據(jù)進行插補。A/D 采樣間隔為 1 μs，考慮其分辨率為 8 位，檢測時兩采樣點間插一正弦值，從而進行同步性參數(shù)計算。依據(jù)文獻〔4〕，繼電保護測試系統(tǒng)在模擬短路故障時，電壓與電流輸出的不同步時間應(yīng)不大于 100 μs。由表 3 檢測結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，檢測不同步時間在誤差允許的范圍內(nèi)，符合檢測要求。
6 結(jié)束語
通過介紹基于 ADS930 的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用信號處理中的插值算法，分析常用插值算法對提高測試精度的影響，結(jié)合濾波平滑方法去除干擾，從而達到準確測試繼電保護測試儀暫態(tài)特性參數(shù)的目的。并通過繼電保護測試儀暫態(tài)性能檢測試驗，證明了本方法的可行性，為準確、方便地解決繼電保護測試儀暫態(tài)特性檢測提供了參考依據(jù)。
