弧光保護裝置測試儀的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種弧光保護裝置測試儀，其主要硬件包括CPU，光強采集電路，數字化光強調節電路，光源控制方向切換電路，內部通訊電路、人機交互界面以及數據存儲單元，所述光強采集單元包括光強反饋探頭和模擬信號處理電路，可見光源、紫外光源位于弧光保護裝置的兩路光學探頭正前方，光強反饋探頭位于兩路光學探頭的一側且相互靠近，同時光強反饋探頭另一端通過光纖與所述模擬信號處理電路連接，所述數字化光強調節電路包括DA轉換器、分壓電阻對、運算放大器、N溝道增強型MOS管、被控光源和功率電阻。本發明提供的光源精度高，工作穩定可靠；可精確測量各種弧光保護裝置的光學性能，進而檢驗保護設備是否符合國家規范。
【專利說明】
弧光保護裝置測試儀
技術領域
[0001]本發明涉及一種弧光保護裝置測試儀，屬于分析及測量控制技術領域。
【背景技術】
[0002]電流檢測方法在電力系統中應用較早，屬于傳統電力在線檢測技術。其主要技術優點是測量準確可靠，誤觸發幾率較低。但近些年隨著我國高壓、特高壓電力技術的普及，這種傳統的電力繼電保護方式難以適應發展需求，主要因為電流檢測法反應過于遲緩，在高壓及特高壓電力設備中，往往沒來得及繼電動作，被保護的電力設備(如開關柜等)已被電力擊傷或損毀。因而針對高壓電力設備，需要有一種更迅速可靠地檢測方式，這是弧光檢測法產生的背景前提。
[0003]當前市面上流行的電弧光保護裝置(以下簡稱保護裝置)大都采用雙判據監測方法，即電流監測和弧光監測。電流監測用以實時測量被保護對象的電流回路有無過流情況，而弧光監測則用以捕捉故障弧光。大多數保護裝置生產廠家采用雙判據與的方式，即兩者同時出現時，才能使得保護裝置上對應通道對外輸出繼電保護信號。
[0004]弧光檢測方案在國內剛起步，雖然有電力設備制造商已經設計出弧光保護裝置，但與之配套的光學檢測設備卻是空白。這使得各個廠商之間生產的保護裝置在光學特性上相差很大，產品質量參差不齊。為適應新國標《弧光保護裝置技術要求》和《弧光保護裝置通用技術條件》的要求，使得保護裝置更可靠穩定地工作，有必要研發弧光保護裝置測試儀來對保護裝置光學層面進行檢測。
[0005]光學檢測主要分為兩個方面:(I)保護裝置各通道動作閾值光強；(2)各通道動作反應時間。前者主要用以檢測保護裝置各通道實際動作閾值光強，而后者則用以檢測各通道動作反應時間。通過光學檢測可以判定該設備弧光檢測部分是否符合相關國家及行業標準。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種用于檢測弧光保護裝置的測試儀。
[0007]本發明采取的技術方案是:一種弧光保護裝置測試儀，其包括CPU，光強采集單元，數字化光強調節電路，光源切換電路，內部通訊電路，人機交互界面以及數據存儲單元，所述光強采集單元包括可見光源、紫外光源、光強反饋探頭和模擬信號處理電路，所述可見光源、紫外光源位于弧光保護裝置的兩路光學探頭正前方，光強反饋探頭位于兩路光學探頭的一側且相互靠近，同時光強反饋探頭另一端通過光纖與所述模擬信號處理電路連接，所述數字化光強調節電路包括DA轉換器、分壓電阻對、運算放大器、N溝道增強型MOS管、被控光源和功率電阻，DA轉換器的輸入端連接CPU，輸出端連接分壓電阻對，所述分壓電阻對的中間分壓端連接運算放大器的同相輸入端，運算放大器的輸出端連接N溝道增強型MOS管的柵極，N溝道增強型MOS管的漏極連接所述被控光源，被控光源為可見光源和紫外光源，N溝道增強型MOS管的源極分別連接功率電阻和運算放大器的反相輸入端。
[0008]所述CPU上連接有光源控制方向切換電路、設備外部繼電信號采集單元，所述光源控制方向切換電路用以設定兩種光源的啟閉形式，該啟閉形式包括由內部啟閉或是由外部觸發，所述設備外部信號采集單元用以檢測外部信號，該外部信號包括是否收到被檢保護裝置的繼電器信號。
[0009]所述光強反饋探頭用于捕捉內部可見光源或紫外光源的光強信息并傳輸至模擬信號處理電路，而主控制板依據內部算法及標定數據表反算出當前兩路光學探頭附近光強，主控制板上經光電轉換后的電信號大小隨光強的不同而不同，內部標定數據表為兩個一維數組，已預先存入存儲器內部，其中一個數組是光學探頭附近實際光強值，另一個則是與之對應的CPU光電轉換信號采樣值。
[0010]根據所述標定結果采用分段線性插值算法來反算實際光強值;用戶通過設定人機交互界面給出光強設定值后，主控制板上的CPU會給光源一個初始光強驅動值，而后根據實測的光強值與設定值之間的差距做微調減小誤差。
[0011]所述CPU采用兩個外部中斷，第一個外部中斷對應于光信號開啟，此時CPU內部定時器開始計時，直至測試儀接收到另一個外部中斷，即收到保護裝置繼電保護信號，此時定時器停止計時，并在人機交互界面上顯示指定通道動作時間。
[0012]所述可見光源、紫外光源和兩路光學探頭之間設有一個快門，當內置光強反饋探頭檢測到當前光信號已穩定時，主控制板會觸發快門動作，其反應時間小于lms，此種方法可以保證光學探頭附近的標準光瞬時啟閉。
[0013]本發明的有益效果是:該測試儀提供的光源精度高，工作穩定可靠。適應我國電力行業弧光繼電保護技術發展需求，可精確測量各種弧光保護裝置的光學性能，進而檢驗保護設備是否符合國家規范，因此應用前景廣闊。
[0014]本測試儀能夠測量保護裝置指定通道動作時間和動作閾值光強，并可以與外部繼電保護測試儀聯機調試。其作為弧光保護裝置配套的光學檢測設備，通過對保護裝置光學層面進行檢測，使得保護裝置更可靠穩定地工作。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的光學結構圖。
[0016]圖2是數字化光強調節電路連接圖。
[0017]圖3是光強閉環控制策略圖。
[0018]圖中:1-兩路光學探頭，2-快門，3-光強反饋探頭，4-可見光源，5-紫外光源，6_安裝機架，7-運算放大器，8-供電電源，9-N溝道增強型MOS管，10-功率電阻，11-分壓電阻對。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0020]如圖1至圖3所示，一種弧光保護裝置測試儀，其包括CPU控制單元，光強采集單元，數字化光強調節電路，光源切換電路，內部通訊電路、人機交互界面以及數據存儲單元，所述光強采集單元包括可見光源4、紫外光源5、光強反饋探頭3和模擬信號處理電路，可見光源4、紫外光源5位于弧光保護裝置的兩路光學探頭I正前方，光強反饋探頭3位于兩路光學探頭I的一側且相互靠近，同時光強反饋探頭的另外一端通過光纖與所述模擬信號處理電路連接。所述數字化光強調節電路包括DA轉換器、分壓電阻對11、運算放大器7、N溝道增強型MOS管9、被控光源和功率電阻10，DA轉換器的輸入端連接CPU，輸出端連接分壓電阻對11，所述分壓電阻對11的中間分壓端連接運算放大器7的同相輸入端，運算放大器7的輸出端連接N溝道增強型MOS管9的柵極，N溝道增強型MOS管9的漏極連接所述被控光源，被控光源為可見光源4和紫外光源5，N溝道增強型MOS管9的源極分別連接功率電阻10和運算放大器7的反相輸入端。
[0021]本發明中，所述光源控制方向切換電路用以設定兩種光源的啟閉形式，該啟閉形式包括由內部啟閉或是由外部觸發，所述設備外部信號采集單元用以檢測外部信號，該外部信號包括是否收到被檢保護裝置的繼電器信號。所述光強反饋探頭用于捕捉兩路光學探頭附近光強信息并傳輸至模擬信號處理電路，而主控制板據此反算出當前光學探頭附近光強，主控制板上經光電轉換后的電信號大小隨光強的不同而不同，CPU可以通過標定數據表找到當前探頭附近光強與光電信號之間的對應關系;光學標定結果為兩個一維數組，其中一個數組是光學探頭附近實際光強值，另一個則是與之對應的主控板光電轉換信號采樣值。根據所述標定結果采用分段線性插值算法來反算實際光強值；用戶通過設定人機交互界面給出光強設定值后，主控制板上的CPU會給出一個初始光強設定值，而后根據實測的光強值與設定值之間的差距做微調減小誤差。
[0022]本發明的功能及特征如下:
光學機構設計。該測試儀有可見光與紫外光兩種光源供用戶選擇使用，每個光源可同時給保護裝置兩路光學通道提供標準光源。如圖1所示，兩個光源與兩路光學探頭呈“十”字交叉裝安裝布置，這樣的結構可以保證兩路光學探頭獲得的光源光強大小一致。
[0023]光學標定方式。在測試儀內部靠近兩路光學探頭附近有一根光強反饋探頭，其作用在于捕捉光學探頭附近光強信息并傳輸至主控制板，而主控制板上的CPU據此反算出當前光學探頭附近光強。不同的實際光強，光強反饋探頭收集到的光信號不同，主控制板上經光電轉換后的電信號大小也不同。因而可以通過標定找到光學探頭與光電信號之間的對應關系。光學標定結果為兩個一維數組，其中一個數組是光學探頭附近實際光強值，另一個則是與之對應的CPU光電轉換信號采樣值。
[0024]數字化光源光強調節電路。如圖2所示。該電路位于主控制板上，其結構由CPU、DA轉換器、分壓電阻對、運算放大器、N溝道增強型MOS管、被控光源以及功率電阻組成。通過該調節電路，光強全量程(可見光范圍5-20K1UX，紫外光范圍1-lOmw/cm2)被分為若干等分(如12位DA可將光量程分為4096等分)，不同的等分數對應不同的光強度。通過修改圖2中分壓電阻對5和功率電阻4，進而調節最大等分數時所對應的最大光強值。數字化光源調節電路最大優點在于光源光強可控制性強，可以利用其快速定位初始光強。
[0025]光強閉環控制算法。為保證計算精度，在前述標定數據表結果基礎上(最終結果為兩個一維數組)，采用分段線性插值算法來反算實際光強值。用戶通過設定人機交互界面給出光強設定值后，主控制板上的CPU會給出一個初始DA值，而后根據實測的光強值與設定值之間的差距做微調，直至兩者誤差控制在很小的范圍內。其閉環控制策略如圖3所示。
[0026]動作閾值光強捕捉機制。測試儀其中一項重要功能為捕獲保護裝置指定通道動作閾值光強。其基本方法為:采用逐步增強的光源連續或頻閃照射光學探頭，直至測試儀繼電開入接口收到被檢保護裝置跳閘信號，此時測試儀人機交互面上會反映出觸發該通道動作的光強值。
[0027]保護裝置動作時間測量。測試儀另一項重要功能為計算保護裝置指定通道動作反應時間，即從光信號發出開始，直至收到保護裝置輸出繼電信號所經歷的時間。其基本方法為:CHJ采用兩個外部中斷。第一個外部中斷對應于光信號開啟(測試儀檢測到有效光信號)，此時CPU內部定時器開始計時，直至測試儀接收到另一個外部中斷，即收到保護裝置繼電輸出信號，此時定時器停止計時，并在人機交互界面上顯示指定通道動作時間。
[0028]聯機調試功能。測試儀中的光源開啟與否可以由內部控制電路決定，也可交由外部觸發信號控制。本測試儀外部觸發信號包括電壓觸發和繼電信號觸發。增加這一功能主要是為方便與繼保測試設備聯機調試(如昂立AD331等)。可以將測試儀光源外部觸發功能作為繼保測試設備狀態序列中的一種，結合發生設備電流輸出功能，對保護裝置指定通道做多狀態檢測。
[0029]光源快門設計。該標定裝置內的兩個標準光源均采用閉環控制法以保證光強精度，在點亮之初會有過渡過程，期間實際光強值會逐步向設定值靠攏，為保證被檢弧光探頭能在盡量短的時間內收到高精確設定光，在探頭和光源之間設置一個快門(反應時間〈lmS)，當光源光強達到設定值時快門打開，此時被測探頭可接收到高精度光強。
[0030]本發明的實施方法如下:
首先，本測試儀硬件主要包括以下部分:CPU、光強采集電路、數字化光強調節電路、光源控制方向切換電路、設備外部信號采集單元、內部通訊電路、人機交互界面以及數據存儲單元。MCU負責數據處理以及其余功能部件之間的協調。光強采集電路用以檢測可見光與紫外光當前實際光強。數字化光強控制電路用以調控兩種光源光強。光源控制方向切換電路用以設定兩種光源的啟閉形式(由內部啟閉或是由外部觸發)。設備外部信號采集單元用以檢測外部信號(如是否收到被檢保護裝置的繼電器信號)。內部通訊單元用以連接人機交互界面和CPU。人機交互界面用以設定參數以及反饋計算結果。
[0031]對于保護裝置指定通道動作時間測量:將待測保護裝置指定通道探頭安裝到測試儀光學探頭附近。進入光源設置界面內，設置好LED光強后打開LED光源，檢測是否收到被檢保護裝置有效繼電信號。在收到信號后，測試儀會在人機交互界面上提示操作者，并在人機界面上顯示保護裝置指定通道反應時間。
[0032]對于保護裝置指定通道動作閾值光強測量:在步進光測試界面，設置步進光初始光強和結束光強，并設定好步進步數以及步進時間，之后便可開始檢測。若檢測器接受到保護裝置繼電器信號，則人機交互界面上會顯示引起動作跳閘的光強值。
[0033]與外部繼保測試設備聯機調試:進入光源外部觸發控制界面，設定好光源光強值后，點擊開始檢測，之后測試儀光源在等待外部觸發信號(如電壓、繼電信號等等)。若收到外部光源觸發信號，則內部光源會開啟，在收到保護裝置繼電跳閘信號后，人機交互界面會顯示保護裝置動作時間。
[0034]以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和優點。本領域的普通技術人員應該了解，上述實施例不以任何形式限制本發明的保護范圍，凡采用等同替換等方式所獲得的技術方案，均落于本發明的保護范圍內。
[0035]本發明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
【主權項】
1.一種弧光保護裝置測試儀，其特征在于:包括CPU，光強采集單元，數字化光強調節電路，光源切換電路，內部通訊電路，人機交互界面以及數據存儲單元，所述光強采集單元包括可見光源、紫外光源、光強反饋探頭和模擬信號處理電路，所述可見光源、紫外光源位于弧光保護裝置的兩路光學探頭正前方，光強反饋探頭位于兩路光學探頭的一側且相互靠近，同時光強反饋探頭另一端通過光纖與所述模擬信號處理電路連接，所述數字化光強調節電路包括DA轉換器、分壓電阻對、運算放大器、N溝道增強型MOS管、被控光源和功率電阻，DA轉換器的輸入端連接CPU，輸出端連接分壓電阻對，所述分壓電阻對的中間分壓端連接運算放大器的同相輸入端，運算放大器的輸出端連接N溝道增強型MOS管的柵極，N溝道增強型MOS管的漏極連接所述被控光源，被控光源為可見光源和紫外光源，N溝道增強型MOS管的源極分別連接功率電阻和運算放大器的反相輸入端。2.根據權利要求1所述的弧光保護裝置測試儀，其特征在于:所述CHJ上連接有光源控制方向切換電路、設備外部繼電信號采集單元，所述光源控制方向切換電路用以設定兩種光源的啟閉形式，該啟閉形式包括由內部啟閉或是由外部觸發，所述設備外部信號采集單元用以檢測外部信號，該外部信號包括是否收到被檢保護裝置的繼電器信號。3.根據權利要求1所述的弧光保護裝置測試儀，其特征在于:所述光強反饋探頭用于捕捉內部可見光源或紫外光源的光強信息并傳輸至模擬信號處理電路，而主控制板依據內部算法及標定數據表反算出當前兩路光學探頭附近光強，主控制板上經光電轉換后的電信號大小隨光強的不同而不同，內部標定數據表為兩個一維數組，已預先存入存儲器內部，其中一個數組是光學探頭附近實際光強值，另一個則是與之對應的CPU光電轉換信號采樣值。4.根據權利要求3所述的弧光保護裝置測試儀，其特征在于:根據所述標定結果采用分段線性插值算法來反算實際光強值；用戶通過設定人機交互界面給出光強設定值后，主控制板上的CPU會給光源一個初始光強驅動值，而后根據實測的光強值與設定值之間的差距做微調減小誤差。5.根據權利要求1所述的弧光保護裝置測試儀，其特征在于:所述CHJ采用兩個外部中斷，第一個外部中斷對應于光信號開啟，此時CPU內部定時器開始計時，直至測試儀接收到另一個外部中斷，即收到保護裝置繼電保護信號，此時定時器停止計時，并在人機交互界面上顯示指定通道動作時間。6.根據權利要求1所述的弧光保護裝置測試儀，其特征在于:所述可見光源、紫外光源和兩路光學探頭之間設有一個快門，當內置光強反饋探頭檢測到當前光信號已穩定時，主控制板會觸發快門動作，其反應時間小于lmS，此種方法可以保證光學探頭附近的標準光瞬時啟閉。
【文檔編號】G01J1/42GK106019135SQ201610506888
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月1日
【發明人】孫軍, 戚新星, 方城, 耿開勝
【申請人】南京五石金傳感技術有限公司