弧光保护装置测试仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种弧光保护装置测试仪，其主要硬件包括CPU，光强采集电路，数字化光强调节电路，光源控制方向切换电路，内部通讯电路、人机交互界面以及数据存储单元，所述光强采集单元包括光强反馈探头和模拟信号处理电路，可见光源、紫外光源位于弧光保护装置的两路光学探头正前方，光强反馈探头位于两路光学探头的一侧且相互靠近，同时光强反馈探头另一端通过光纤与所述模拟信号处理电路连接，所述数字化光强调节电路包括DA转换器、分压电阻对、运算放大器、N沟道增强型MOS管、被控光源和功率电阻。本发明提供的光源精度高，工作稳定可靠；可精确测量各种弧光保护装置的光学性能，进而检验保护设备是否符合国家规范。
【专利说明】
弧光保护装置测试仪
技术领域
[0001]本发明涉及一种弧光保护装置测试仪，属于分析及测量控制技术领域。
【背景技术】
[0002]电流检测方法在电力系统中应用较早，属于传统电力在线检测技术。其主要技术优点是测量准确可靠，误触发几率较低。但近些年随着我国高压、特高压电力技术的普及，这种传统的电力继电保护方式难以适应发展需求，主要因为电流检测法反应过于迟缓，在高压及特高压电力设备中，往往没来得及继电动作，被保护的电力设备(如开关柜等)已被电力击伤或损毁。因而针对高压电力设备，需要有一种更迅速可靠地检测方式，这是弧光检测法产生的背景前提。
[0003]当前市面上流行的电弧光保护装置(以下简称保护装置)大都采用双判据监测方法，即电流监测和弧光监测。电流监测用以实时测量被保护对象的电流回路有无过流情况，而弧光监测则用以捕捉故障弧光。大多数保护装置生产厂家采用双判据与的方式，即两者同时出现时，才能使得保护装置上对应通道对外输出继电保护信号。
[0004]弧光检测方案在国内刚起步，虽然有电力设备制造商已经设计出弧光保护装置，但与之配套的光学检测设备却是空白。这使得各个厂商之间生产的保护装置在光学特性上相差很大，产品质量参差不齐。为适应新国标《弧光保护装置技术要求》和《弧光保护装置通用技术条件》的要求，使得保护装置更可靠稳定地工作，有必要研发弧光保护装置测试仪来对保护装置光学层面进行检测。
[0005]光学检测主要分为两个方面:(I)保护装置各通道动作阈值光强；(2)各通道动作反应时间。前者主要用以检测保护装置各通道实际动作阈值光强，而后者则用以检测各通道动作反应时间。通过光学检测可以判定该设备弧光检测部分是否符合相关国家及行业标准。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种用于检测弧光保护装置的测试仪。
[0007]本发明采取的技术方案是:一种弧光保护装置测试仪，其包括CPU，光强采集单元，数字化光强调节电路，光源切换电路，内部通讯电路，人机交互界面以及数据存储单元，所述光强采集单元包括可见光源、紫外光源、光强反馈探头和模拟信号处理电路，所述可见光源、紫外光源位于弧光保护装置的两路光学探头正前方，光强反馈探头位于两路光学探头的一侧且相互靠近，同时光强反馈探头另一端通过光纤与所述模拟信号处理电路连接，所述数字化光强调节电路包括DA转换器、分压电阻对、运算放大器、N沟道增强型MOS管、被控光源和功率电阻，DA转换器的输入端连接CPU，输出端连接分压电阻对，所述分压电阻对的中间分压端连接运算放大器的同相输入端，运算放大器的输出端连接N沟道增强型MOS管的栅极，N沟道增强型MOS管的漏极连接所述被控光源，被控光源为可见光源和紫外光源，N沟道增强型MOS管的源极分别连接功率电阻和运算放大器的反相输入端。
[0008]所述CPU上连接有光源控制方向切换电路、设备外部继电信号采集单元，所述光源控制方向切换电路用以设定两种光源的启闭形式，该启闭形式包括由内部启闭或是由外部触发，所述设备外部信号采集单元用以检测外部信号，该外部信号包括是否收到被检保护装置的继电器信号。
[0009]所述光强反馈探头用于捕捉内部可见光源或紫外光源的光强信息并传输至模拟信号处理电路，而主控制板依据内部算法及标定数据表反算出当前两路光学探头附近光强，主控制板上经光电转换后的电信号大小随光强的不同而不同，内部标定数据表为两个一维数组，已预先存入存储器内部，其中一个数组是光学探头附近实际光强值，另一个则是与之对应的CPU光电转换信号采样值。
[0010]根据所述标定结果采用分段线性插值算法来反算实际光强值;用户通过设定人机交互界面给出光强设定值后，主控制板上的CPU会给光源一个初始光强驱动值，而后根据实测的光强值与设定值之间的差距做微调减小误差。
[0011]所述CPU采用两个外部中断，第一个外部中断对应于光信号开启，此时CPU内部定时器开始计时，直至测试仪接收到另一个外部中断，即收到保护装置继电保护信号，此时定时器停止计时，并在人机交互界面上显示指定通道动作时间。
[0012]所述可见光源、紫外光源和两路光学探头之间设有一个快门，当内置光强反馈探头检测到当前光信号已稳定时，主控制板会触发快门动作，其反应时间小于lms，此种方法可以保证光学探头附近的标准光瞬时启闭。
[0013]本发明的有益效果是:该测试仪提供的光源精度高，工作稳定可靠。适应我国电力行业弧光继电保护技术发展需求，可精确测量各种弧光保护装置的光学性能，进而检验保护设备是否符合国家规范，因此应用前景广阔。
[0014]本测试仪能够测量保护装置指定通道动作时间和动作阈值光强，并可以与外部继电保护测试仪联机调试。其作为弧光保护装置配套的光学检测设备，通过对保护装置光学层面进行检测，使得保护装置更可靠稳定地工作。
【附图说明】
[0015]图1是本发明的光学结构图。
[0016]图2是数字化光强调节电路连接图。
[0017]图3是光强闭环控制策略图。
[0018]图中:1-两路光学探头，2-快门，3-光强反馈探头，4-可见光源，5-紫外光源，6_安装机架，7-运算放大器，8-供电电源，9-N沟道增强型MOS管，10-功率电阻，11-分压电阻对。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0020]如图1至图3所示，一种弧光保护装置测试仪，其包括CPU控制单元，光强采集单元，数字化光强调节电路，光源切换电路，内部通讯电路、人机交互界面以及数据存储单元，所述光强采集单元包括可见光源4、紫外光源5、光强反馈探头3和模拟信号处理电路，可见光源4、紫外光源5位于弧光保护装置的两路光学探头I正前方，光强反馈探头3位于两路光学探头I的一侧且相互靠近，同时光强反馈探头的另外一端通过光纤与所述模拟信号处理电路连接。所述数字化光强调节电路包括DA转换器、分压电阻对11、运算放大器7、N沟道增强型MOS管9、被控光源和功率电阻10，DA转换器的输入端连接CPU，输出端连接分压电阻对11，所述分压电阻对11的中间分压端连接运算放大器7的同相输入端，运算放大器7的输出端连接N沟道增强型MOS管9的栅极，N沟道增强型MOS管9的漏极连接所述被控光源，被控光源为可见光源4和紫外光源5，N沟道增强型MOS管9的源极分别连接功率电阻10和运算放大器7的反相输入端。
[0021]本发明中，所述光源控制方向切换电路用以设定两种光源的启闭形式，该启闭形式包括由内部启闭或是由外部触发，所述设备外部信号采集单元用以检测外部信号，该外部信号包括是否收到被检保护装置的继电器信号。所述光强反馈探头用于捕捉两路光学探头附近光强信息并传输至模拟信号处理电路，而主控制板据此反算出当前光学探头附近光强，主控制板上经光电转换后的电信号大小随光强的不同而不同，CPU可以通过标定数据表找到当前探头附近光强与光电信号之间的对应关系;光学标定结果为两个一维数组，其中一个数组是光学探头附近实际光强值，另一个则是与之对应的主控板光电转换信号采样值。根据所述标定结果采用分段线性插值算法来反算实际光强值；用户通过设定人机交互界面给出光强设定值后，主控制板上的CPU会给出一个初始光强设定值，而后根据实测的光强值与设定值之间的差距做微调减小误差。
[0022]本发明的功能及特征如下:
光学机构设计。该测试仪有可见光与紫外光两种光源供用户选择使用，每个光源可同时给保护装置两路光学通道提供标准光源。如图1所示，两个光源与两路光学探头呈“十”字交叉装安装布置，这样的结构可以保证两路光学探头获得的光源光强大小一致。
[0023]光学标定方式。在测试仪内部靠近两路光学探头附近有一根光强反馈探头，其作用在于捕捉光学探头附近光强信息并传输至主控制板，而主控制板上的CPU据此反算出当前光学探头附近光强。不同的实际光强，光强反馈探头收集到的光信号不同，主控制板上经光电转换后的电信号大小也不同。因而可以通过标定找到光学探头与光电信号之间的对应关系。光学标定结果为两个一维数组，其中一个数组是光学探头附近实际光强值，另一个则是与之对应的CPU光电转换信号采样值。
[0024]数字化光源光强调节电路。如图2所示。该电路位于主控制板上，其结构由CPU、DA转换器、分压电阻对、运算放大器、N沟道增强型MOS管、被控光源以及功率电阻组成。通过该调节电路，光强全量程(可见光范围5-20K1UX，紫外光范围1-lOmw/cm2)被分为若干等分(如12位DA可将光量程分为4096等分)，不同的等分数对应不同的光强度。通过修改图2中分压电阻对5和功率电阻4，进而调节最大等分数时所对应的最大光强值。数字化光源调节电路最大优点在于光源光强可控制性强，可以利用其快速定位初始光强。
[0025]光强闭环控制算法。为保证计算精度，在前述标定数据表结果基础上(最终结果为两个一维数组)，采用分段线性插值算法来反算实际光强值。用户通过设定人机交互界面给出光强设定值后，主控制板上的CPU会给出一个初始DA值，而后根据实测的光强值与设定值之间的差距做微调，直至两者误差控制在很小的范围内。其闭环控制策略如图3所示。
[0026]动作阈值光强捕捉机制。测试仪其中一项重要功能为捕获保护装置指定通道动作阈值光强。其基本方法为:采用逐步增强的光源连续或频闪照射光学探头，直至测试仪继电开入接口收到被检保护装置跳闸信号，此时测试仪人机交互面上会反映出触发该通道动作的光强值。
[0027]保护装置动作时间测量。测试仪另一项重要功能为计算保护装置指定通道动作反应时间，即从光信号发出开始，直至收到保护装置输出继电信号所经历的时间。其基本方法为:CHJ采用两个外部中断。第一个外部中断对应于光信号开启(测试仪检测到有效光信号)，此时CPU内部定时器开始计时，直至测试仪接收到另一个外部中断，即收到保护装置继电输出信号，此时定时器停止计时，并在人机交互界面上显示指定通道动作时间。
[0028]联机调试功能。测试仪中的光源开启与否可以由内部控制电路决定，也可交由外部触发信号控制。本测试仪外部触发信号包括电压触发和继电信号触发。增加这一功能主要是为方便与继保测试设备联机调试(如昂立AD331等)。可以将测试仪光源外部触发功能作为继保测试设备状态序列中的一种，结合发生设备电流输出功能，对保护装置指定通道做多状态检测。
[0029]光源快门设计。该标定装置内的两个标准光源均采用闭环控制法以保证光强精度，在点亮之初会有过渡过程，期间实际光强值会逐步向设定值靠拢，为保证被检弧光探头能在尽量短的时间内收到高精确设定光，在探头和光源之间设置一个快门(反应时间〈lmS)，当光源光强达到设定值时快门打开，此时被测探头可接收到高精度光强。
[0030]本发明的实施方法如下:
首先，本测试仪硬件主要包括以下部分:CPU、光强采集电路、数字化光强调节电路、光源控制方向切换电路、设备外部信号采集单元、内部通讯电路、人机交互界面以及数据存储单元。MCU负责数据处理以及其余功能部件之间的协调。光强采集电路用以检测可见光与紫外光当前实际光强。数字化光强控制电路用以调控两种光源光强。光源控制方向切换电路用以设定两种光源的启闭形式(由内部启闭或是由外部触发)。设备外部信号采集单元用以检测外部信号(如是否收到被检保护装置的继电器信号)。内部通讯单元用以连接人机交互界面和CPU。人机交互界面用以设定参数以及反馈计算结果。
[0031]对于保护装置指定通道动作时间测量:将待测保护装置指定通道探头安装到测试仪光学探头附近。进入光源设置界面内，设置好LED光强后打开LED光源，检测是否收到被检保护装置有效继电信号。在收到信号后，测试仪会在人机交互界面上提示操作者，并在人机界面上显示保护装置指定通道反应时间。
[0032]对于保护装置指定通道动作阈值光强测量:在步进光测试界面，设置步进光初始光强和结束光强，并设定好步进步数以及步进时间，之后便可开始检测。若检测器接受到保护装置继电器信号，则人机交互界面上会显示引起动作跳闸的光强值。
[0033]与外部继保测试设备联机调试:进入光源外部触发控制界面，设定好光源光强值后，点击开始检测，之后测试仪光源在等待外部触发信号(如电压、继电信号等等)。若收到外部光源触发信号，则内部光源会开启，在收到保护装置继电跳闸信号后，人机交互界面会显示保护装置动作时间。
[0034]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
[0035]本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
【主权项】
1.一种弧光保护装置测试仪，其特征在于:包括CPU，光强采集单元，数字化光强调节电路，光源切换电路，内部通讯电路，人机交互界面以及数据存储单元，所述光强采集单元包括可见光源、紫外光源、光强反馈探头和模拟信号处理电路，所述可见光源、紫外光源位于弧光保护装置的两路光学探头正前方，光强反馈探头位于两路光学探头的一侧且相互靠近，同时光强反馈探头另一端通过光纤与所述模拟信号处理电路连接，所述数字化光强调节电路包括DA转换器、分压电阻对、运算放大器、N沟道增强型MOS管、被控光源和功率电阻，DA转换器的输入端连接CPU，输出端连接分压电阻对，所述分压电阻对的中间分压端连接运算放大器的同相输入端，运算放大器的输出端连接N沟道增强型MOS管的栅极，N沟道增强型MOS管的漏极连接所述被控光源，被控光源为可见光源和紫外光源，N沟道增强型MOS管的源极分别连接功率电阻和运算放大器的反相输入端。2.根据权利要求1所述的弧光保护装置测试仪，其特征在于:所述CHJ上连接有光源控制方向切换电路、设备外部继电信号采集单元，所述光源控制方向切换电路用以设定两种光源的启闭形式，该启闭形式包括由内部启闭或是由外部触发，所述设备外部信号采集单元用以检测外部信号，该外部信号包括是否收到被检保护装置的继电器信号。3.根据权利要求1所述的弧光保护装置测试仪，其特征在于:所述光强反馈探头用于捕捉内部可见光源或紫外光源的光强信息并传输至模拟信号处理电路，而主控制板依据内部算法及标定数据表反算出当前两路光学探头附近光强，主控制板上经光电转换后的电信号大小随光强的不同而不同，内部标定数据表为两个一维数组，已预先存入存储器内部，其中一个数组是光学探头附近实际光强值，另一个则是与之对应的CPU光电转换信号采样值。4.根据权利要求3所述的弧光保护装置测试仪，其特征在于:根据所述标定结果采用分段线性插值算法来反算实际光强值；用户通过设定人机交互界面给出光强设定值后，主控制板上的CPU会给光源一个初始光强驱动值，而后根据实测的光强值与设定值之间的差距做微调减小误差。5.根据权利要求1所述的弧光保护装置测试仪，其特征在于:所述CHJ采用两个外部中断，第一个外部中断对应于光信号开启，此时CPU内部定时器开始计时，直至测试仪接收到另一个外部中断，即收到保护装置继电保护信号，此时定时器停止计时，并在人机交互界面上显示指定通道动作时间。6.根据权利要求1所述的弧光保护装置测试仪，其特征在于:所述可见光源、紫外光源和两路光学探头之间设有一个快门，当内置光强反馈探头检测到当前光信号已稳定时，主控制板会触发快门动作，其反应时间小于lmS，此种方法可以保证光学探头附近的标准光瞬时启闭。
【文档编号】G01J1/42GK106019135SQ201610506888
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月1日
【发明人】孙军, 戚新星, 方城, 耿开胜
【申请人】南京五石金传感技术有限公司