一种微机继电保护测试装置的制作方法

1.本发明涉及微机继电技术领域，特别是涉及一种微机继电保护测试装置。


背景技术：

2.继电保护试验仪主要用于模拟电压、电流波形信号，开关量输出指示以及接收开关量输入信号。广泛用于电力系统继电保护设备生产、定检，变电站、电厂工程建设，大规模用电企业设备定检等。
3.目前主流继电保护测试仪内部结构一般采用板卡叠加的形式，板卡间通过排线连接。但是每当增加新的功能时，机箱内部板卡布局结构又需要重新调整。且此类设计板卡间连线众多，生产调试困难。机箱内部板卡叠加的布局方式，机箱内部连线众多，并且信号线间干扰不易消除，整体抗干扰能力差。由于机箱内部采用板卡堆叠设计，组装调试消耗时间长，生产效率低下，并且此种形式后续维护困难。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提出一种微机继电保护测试装置，解决现有测试装置每当增加新的功能时，内部板卡布局结构又需要重新调整，且内部设计板卡间连线众多，生产调试困难，生产效率低的技术问题。
5.一方面，提供一种微机继电保护测试装置，包括：
6.主控模块、母线板、电源模块、功率放大模块、输入输出模块及功能扩展单元；所述母线板上可插拔的设置所述电源模块、所述功率放大模块、所述输入输出模块及所述功能扩展单元，所述主控模块连接所述母线板并分别控制所述电源模块、所述功率放大模块、所述输入输出模块及所述功能扩展单元；所述输入输出模块还连接待测试的微机继电保护装置；
7.所述主控模块，用以根据输入的控制命令生成不同的控制信号，并通过所述母线板将生成的控制信号分别输出给对应的所述功率放大模块、所述输入输出模块及所述功能扩展单元；以及，接收所述输入输出模块采集的相应的测试信号，根据所述测试信号生成对应的测试结果；
8.所述母线板，用以将所述主控模块输出的控制信号分别输出给对应的所述功率放大模块、所述输入输出模块及所述功能扩展单元；并将所述功率放大模块、所述输入输出模块及所述功能扩展单元分别返回的信号输出给所述控制模块，其中，所述返回的信号至少包括所述测试信号；
9.所述功率放大模块，用以对接收的控制信号进行模数转换和数字隔离，并根据转换后的控制信号对电压信号或电流信号进行功率放大，输出与所述控制信号相应的电压功率信号或电流功率信号；
10.所述输入输出模块，用以根据接收的控制信号生成对应的开关量信号，并将所述开关量信号输出给所述待测试的微机继电保护装置；
11.所述功能扩展单元，用以根据所述控制信号确定需要增加的功能，并根据需要增加的功能增加相应的功能模块；
12.所述电源模块，用以识别接收的控制信号确定需要供电信号输出的目标位置，并根据所述目标位置将生成的供电信号输出给所述功率放大模块、所述输入输出模块及所述功能扩展单元。
13.优选地，还包括控制终端和网络通信模块，所述控制终端通过所述网络通信模块与所述主控模块连接，用以接收输入的控制命令并将所述控制命令输出给所述主控模块。
14.优选地，所述主控模块，具体用于根据接收的控制命令分别生成第一控制信号、第二控制信号及第三控制信号，并通过所述母线板将所述第一控制信号输出给所述功率放大模块，将所述第二控制信号输出给所述输入输出模块。
15.优选地，所述功率放大模块，具体用于接收到所述第一控制信号时，识别所述第一控制信号确定需要输出的电压功率信号值和电流功率信号值，并生成和输出需要输出的电压功率信号值和电流功率信号值给所述待测试的微机继电保护装置。
16.优选地，所述功率放大模块具体包括依次连接的fpga、数字隔离单元、模数转换单元及功率放大单元，所述fpga的输入端连接所述母线板上的信号输出接口，所述功率放大单元的输出端连接所述母线板上的电压或电流输出接口；
17.所述fpga，用以根据接收的第一控制信号生成对应的功率放大信号；
18.所述数字隔离单元，用以隔离相应的数字信号回传给所述fpga；
19.所述模数转换单元，用以将所述功率放大信号的类型由模拟信号转化为数字信号；
20.所述功率放大单元，用以根据接收的功率放大信号对电压或电流进行调整，并输出与所述功率放大信号相应的电压功率信号或电流功率信号。
21.优选地，所述输入输出模块，具体用于接收到所述第二控制信号时，识别所述第二控制信号确定需要输出的开关量信号，并生成和输出需要输出的开关量信号给所述待测试的微机继电保护装置。
22.优选地，所述输入输出模块具体包括输入单元和输出单元，
23.所述输入单元，用于用以接收所述待测试的微机继电保护装置输入的有源信号及无源空接点信号，并将所述有源信号及无源空接点信号输出给所述主控模块；
24.所述输出单元，用于根据所述第二控制信号生成对应的开关量信号，并输出给所述待测试的微机继电保护装置。
25.优选地，所述输入单元具体包括：
26.与所述母线板的输出接口j1连接的电感l1，与所述母线板的输出接口j2连接的电感l2，所述电感l1的另一端连接电阻r2、二极管d4的第一端，所述电阻r2的另一端连接二极管d2，所述二极管d2另一端连接电阻r3、电阻r5，所述电阻r3另一端连接光耦u1的1脚，所述光耦u1的3脚连接场效管q2的第一端、场效管q1的第一端，所述场效管q2的第二端连接场效管q3的第一端、电容c2及电阻r5的另一端，所述场效管q2的第三端连接所述电容c2的另一端、所述场效管q3的第三端、所述场效管q1的第三端、电容c1、二极管d6、二极管d5、所述电感l2的另一端及二极管d4的第二端，所述场效管q1的第二端连接所述电容c1的另一端、所述二极管d6的另一端及电阻r7，所述电阻r7的另一端连接电阻r6，所述电阻r6的另一端连
接二极管d3，所述二极管d3的另一端连接所述二极管d4的第一端、电阻r8，所述电阻r8另一端连接电阻r9，所述电阻r9另一端连接所述场效管q3的第二端、所述二极管d6的另一端；
27.所述光耦u1的6脚连接二极管d1、电阻r4，所述二极管d1的另一端连接电阻r1，所述光耦u1的4脚连接接地端。
28.优选地，所述输出单元具体包括：
29.与所述母线板的输出接口j1连接的二极管d1，所述二极管d1的另一端连接自恢复保险f1、光藕继电器rl1的4脚，所述自恢复保险f1另一端连接所述母线板的输出接口j2，所述光藕继电器rl1的3脚连接所述二极管d1，所述光藕继电器rl1的1脚连接电阻r1，所述光藕继电器rl1的2脚连接场效管q1的3脚，所述场效管q1的1脚连接电阻r2，所述场效管q1的2脚连接接地端。
30.优选地，所述电源模块具体包括数字系统电源、电流电源、电压电源、辅助直流电源；
31.所述数字系统电源，用以为所述主控模块以及所述功率放大模块提供数字电路部分的供电电源；
32.所述电流电源，用以为所述功率放大模块提供电流信号；
33.所述电压电源，用以为所述功率放大模块提供电压信号；
34.所述辅助直流电源，为受控输出电源，用以备用的固定电压。
35.综上，实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：
36.本发明提供的微机继电保护测试装置，采用模块化背插式设计，减少组装生产工作量以及便于后续维护，减少机箱内部连线。拔插式只需要变更对应功能板卡，而整体结构不需要做出改变，节约新产品研发周期，加快产品发布进度。同时，功率放大模块采用数字通讯，控制部分与功放电路电气隔离，简化生产过程，提高抗干扰能力。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
38.图1为本发明实施例中一种微机继电保护测试装置的示意图。
39.图2为本发明实施例中一种功率放大模块的示意图。
40.图3为本发明实施例中一种输入单元的电路图。
41.图4为本发明实施例中一种输出单元的电路图。
42.图5为本发明实施例中一种微机继电保护测试装置的示意图。
具体实施方式
43.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
44.如图1所示，为本发明提供的一种微机继电保护测试装置的一个实施例的示意图。在该实施例中，所述测试装置包括：
45.主控模块、母线板、电源模块、功率放大模块、输入输出模块及功能扩展单元；所述母线板上可插拔的设置所述电源模块、所述功率放大模块、所述输入输出模块及所述功能扩展单元，所述主控模块连接所述母线板并分别控制所述电源模块、所述功率放大模块、所述输入输出模块及所述功能扩展单元；所述输入输出模块还连接待测试的微机继电保护装置；
46.所述主控模块，用以根据输入的控制命令生成不同的控制信号，并通过所述母线板将生成的控制信号分别输出给对应的所述功率放大模块、所述输入输出模块及所述功能扩展单元；以及，接收所述输入输出模块采集的相应的测试信号，根据所述测试信号生成对应的测试结果；
47.所述母线板，用以将所述主控模块输出的控制信号分别输出给对应的所述功率放大模块、所述输入输出模块及所述功能扩展单元；并将所述功率放大模块、所述输入输出模块及所述功能扩展单元分别返回的信号输出给所述控制模块，其中，所述返回的信号至少包括所述测试信号；
48.所述功率放大模块，用以对接收的控制信号进行模数转换和数字隔离，并根据转换后的控制信号对电压信号或电流信号进行功率放大，输出与所述控制信号相应的电压功率信号或电流功率信号；
49.所述输入输出模块，用以根据接收的控制信号生成对应的开关量信号，并将所述开关量信号输出给所述待测试的微机继电保护装置；
50.所述功能扩展单元，用以根据所述控制信号确定需要增加的功能，并根据需要增加的功能增加相应的功能模块；
51.所述电源模块，用以识别接收的控制信号确定需要供电信号输出的目标位置，并根据所述目标位置将生成的供电信号输出给所述功率放大模块、所述输入输出模块及所述功能扩展单元。
52.也就是，该测试装置主要包括主控模块，背板，电源模块，电流功放模块，电压功放模块、开关量输入、输出模块，功能扩展单元、手持终端(平板)。装置整体硬件结构设计采用拔插式设计，所有功能板卡均通过背板(母线板)连接。其中，主控模块包含soc处理器以及外围存储、复位电路等构成的处理器系统；以及以太网光纤接口、串行报文光纤接口构成的光数字通讯接口用以实现smv、goose报文收发和ft3报文收发；背板通讯总线接口用来通过背板实现对电流功率放大器、电压功率放大器、开关量输入、输出模块以及其他功能扩展模块的控制和状态采集。母线板，其主要功能即实现连接到背板上各个模块单元间通讯及模块单元供电。在这里，背板主要实现主控模块(主设备)经背板实现与电流功率放大器、电压功率放大器、开关量输入输出以及其他功能扩展单元的通讯功能；另外，电源也将输出的电源传递到背板上。功能扩展单元为系统预留的用于实现非继电保护测试基本功能外的扩展测试功能。
53.本实施例中，还包括控制终端和网络通信模块，所述控制终端通过所述网络通信模块与所述主控模块连接，用以接收输入的控制命令并将所述控制命令输出给所述主控模块。也就是，主控模块通过rj45以太网接口和wifi无线网络接口以及usb主机接口用来实现与上位机/控制终端的通信。
54.具体实施例中，所述主控模块，具体用于根据接收的控制命令分别生成第一控制
信号、第二控制信号及第三控制信号，并通过所述母线板将所述第一控制信号输出给所述功率放大模块，将所述第二控制信号输出给所述输入输出模块。也就是，所述控制模块根据不同的控制命令针对不同的模块生成不同的控制信号，并对应输出给相应的模块。
55.本实施例中，所述功率放大模块，具体用于接收到所述第一控制信号时，识别所述第一控制信号确定需要输出的电压功率信号值和电流功率信号值，并生成和输出需要输出的电压功率信号值和电流功率信号值给所述待测试的微机继电保护装置。也就是，功率放大模块指代功率放大电路(包含电压功率放大器和电流功率放大器。功率放大器输出的信号经背板插座传到背板上，然后经背板和端子板连接器到端子板，经端子板端子输出。
56.具体地，如图2所示，所述功率放大模块具体包括依次连接的fpga、数字隔离单元、模数转换单元及功率放大单元，所述fpga的输入端连接所述母线板上的信号输出接口，所述功率放大单元的输出端连接所述母线板上的电压或电流输出接口；
57.所述fpga，用以根据接收的第一控制信号生成对应的功率放大信号；
58.所述数字隔离单元，用以隔离相应的数字信号回传给所述fpga；
59.所述模数转换单元，用以将所述功率放大信号的类型由模拟信号转化为数字信号；
60.所述功率放大单元，用以根据接收的功率放大信号对电压或电流进行调整，并输出与所述功率放大信号相应的电压功率信号或电流功率信号。
61.可理解的，功率放大电路包含背板接口、可编程门阵列(fpga)、数字隔离部分、数模转换器(dac)、供电电路和功率放大电路组成。fpga连接通过串行总线连接到背板上。控制dac的信号经数字隔离器(采用光耦合或磁耦合的数字信号电气隔离芯片)连接到dac芯片上。dac输出的小信号波形信号用于驱动功率放大电路，从而输出预期的电压或电流功率信号。
62.本实施例中，所述输入输出模块，具体用于接收到所述第二控制信号时，识别所述第二控制信号确定需要输出的开关量信号，并生成和输出需要输出的开关量信号给所述待测试的微机继电保护装置。也就是，输入输出模块实现开关量的输出输入，还采集对应的反馈信号。
63.具体地，所述输入输出模块具体包括输入单元和输出单元，所述输入单元，用于用以接收所述待测试的微机继电保护装置输入的有源信号及无源空接点信号，并将所述有源信号及无源空接点信号输出给所述主控模块；所述输出单元，用于根据所述第二控制信号生成对应的开关量信号，并输出给所述待测试的微机继电保护装置。
64.其中，如图3所示，所述输入单元具体包括：与所述母线板的输出接口j1连接的电感l1，与所述母线板的输出接口j2连接的电感l2，所述电感l1的另一端连接电阻r2、二极管d4的第一端，所述电阻r2的另一端连接二极管d2，所述二极管d2另一端连接电阻r3、电阻r5，所述电阻r3另一端连接光耦u1的1脚，所述光耦u1的3脚连接场效管q2的第一端、场效管q1的第一端，所述场效管q2的第二端连接场效管q3的第一端、电容c2及电阻r5的另一端，所述场效管q2的第三端连接所述电容c2的另一端、所述场效管q3的第三端、所述场效管q1的第三端、电容c1、二极管d6、二极管d5、所述电感l2的另一端及二极管d4的第二端，所述场效管q1的第二端连接所述电容c1的另一端、所述二极管d6的另一端及电阻r7，所述电阻r7的另一端连接电阻r6，所述电阻r6的另一端连接二极管d3，所述二极管d3的另一端连接所述
二极管d4的第一端、电阻r8，所述电阻r8另一端连接电阻r9，所述电阻r9另一端连接所述场效管q3的第二端、所述二极管d6的另一端；所述光耦u1的6脚连接二极管d1、电阻r4，所述二极管d1的另一端连接电阻r1，所述光耦u1的4脚连接接地端。也就是，开关量输入要求可接受正向或反向输入有源信号以及无源空接点信号。
65.该电路分为4部分，光藕隔离部分：由元件u1、r4、d1、r1、r3组成。电阻r3为光藕u1的输入偏置电阻，提供u1工作必要的工作电流。电阻r1和二极管d1串联构成光藕u1输出端的输出偏置电阻，同时d1还实现信号指示的功能。r4为光藕u1输出限流电阻。
66.无源信号偏置供电：无源信号偏置电源由二极管d2和电阻r3构成。
67.正向输入回路：输入信号经端子j1，j2后经磁珠l1、l2输入，正极端连接稳压管d3(只有当外部输入信号电压超过稳压管击穿电压才会导通)，经限流电阻r6和r7后输入三极管q1，三极管q1驱动光藕rl1导通和关断。
68.反向输入回路：输入信号经端子j1，j2后经磁珠l1、l2输入，正极端经限流电阻r8和r9后输入三极管q3，三极管q3驱动三极管q2，三极管q2驱动光藕rl1导通和关断。在这里三极管q2和三机关q1组成线“与”的关系。
69.如图4所示，所述输出单元具体包括：与所述母线板的输出接口j1连接的二极管d1，所述二极管d1的另一端连接自恢复保险f1、光藕继电器rl1的4脚，所述自恢复保险f1另一端连接所述母线板的输出接口j2，所述光藕继电器rl1的3脚连接所述二极管d1，所述光藕继电器rl1的1脚连接电阻r1，所述光藕继电器rl1的2脚连接场效管q1的3脚，所述场效管q1的1脚连接电阻r2，所述场效管q1的2脚连接接地端。也就是，开关量输出实现方式可以是继电器输出也可以是晶体管输出，考虑成本及输出信号翻转速度，这里采用的是光藕继电器的形式。图中r1为限流电阻，rl1为光藕继电器。输入信号bp_ko1经电阻r2后输入到mosfet q1栅极用以驱动rl1。rl1输出端并接d1为tvs管，用以保护外部过电压信号，f1为自恢复保险，用来保护rl不会长时间超出其工作电流而导致器件损坏。j1和j2为面板输出端子。
70.本实施例中，所述电源模块具体包括数字系统电源、电流电源、电压电源、辅助直流电源；所述数字系统电源，用以为所述主控模块以及所述功率放大模块提供数字电路部分的供电电源；所述电流电源，用以为所述功率放大模块提供电流信号；所述电压电源，用以为所述功率放大模块提供电压信号；所述辅助直流电源，为受控输出电源，用以备用的固定电压。也就是，数字系统电源打开装置电源开关就直接输出，输出电压为+12vdc，主要为主控模块以及其他功能模块(电压功放、电流功放等)提供数字电路部分供电电源。电流电源主要为电流功率放大器功率元件提供电源，该电源是受控电源，只有当上位机正确连接，并受相应上位机软件控制时才有输出。在该系统中，输出电压为两路+20vdc和-20vdc。两路电源输出最大功率和高达1000w。主要用来满足不少于3路电流功率放大器最高150va输出功率的要求。电压电源主要为电压功率放大器功率元件提供电源，该电源是受控电源，只有当上位机正确连接，并受相应上位机软件控制时才有输出。在该系统中，输出电压为两路+200vdc和-200vdc。两路电源输出最大功率和高达300w。主要用来满足不少于3路电压功率放大器最高50va输出功率的要求。辅助直流电源为受控输出电源，输出电压为固定110vdc或220vdc。
71.具体的一个实施例，如图5所示，测试装置结构由，机箱本体100，第一电源101，第
二电源102，第一电压功率放大器103，第二电流功率放大器104，主控单元105，功能扩展单元106，风扇板107，母线板108，端子板109，通讯接口板110组成。
72.其中母线板108固定在机箱本体100内中横梁上，端子板109通过板间连接器连接到母线板108上，通讯接口板通过母线板连接器连接到母线板108上。
73.端子板109包含4路开关量输入、4路开关量输出、4路或7路电压输出、3路或6路电流输出。电源插座、电源开关也安装于端子板面板上。
74.通讯接口板110包含2路sma射频接口，分别是wifi天线接口和北斗/gps天线接口i；1路5芯圆形插拔自锁连接器接口，作为对时/同步脉冲输入/输出；2路usb接口；2路100/1000m以太网接口；1路rj45接口形式调试串口。
75.机箱后部板卡通过机箱本体100的导轨条连接到母线板108上，机箱本体100的导轨条起到导向和支撑固定的作用。
76.机箱后部板卡从左到右依次是第一电源101，第二电源102，第一电压功率放大器103，第二电流功率放大器104，主控单元105，功能扩展单元106。
77.主控单元105为测试装置的数字控制部分，同时该功能单元还集成了6路fc接口光纤以太网接口以及2路st接口850nm多模光纤输入接口和6路st接口850nm多模光纤输出接口，用来实现数字化继电保护测试功能。
78.功能扩展单元106可根据客户需求选装功能板卡，如模拟量输入、额外的开关量输入、开关量输出、以及模拟量小信号输出等。
79.第一电压功率放大器103和第二电流功率放大器104每个机箱本体可安装1块或2块。这两个模块单元经母线板108与主控单元间通过高速串行总线通讯。
80.第一电源101主要负责整机数字系统供电(+12v)和电流功率放大器供电(+-20v)。第二电源102从电源1取+-20v供电，转换为+-200v供电为电压功率放大器供电。
81.风扇板107安装有3个可控转速可控风扇。可根据机箱内温度自动控制风扇转速，减小测试装置运行时的噪音。
82.综上，实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：
83.本发明提供的微机继电保护测试装置，采用模块化背插式设计，减少组装生产工作量以及便于后续维护，减少机箱内部连线。拔插式只需要变更对应功能板卡，而整体结构不需要做出改变，节约新产品研发周期，加快产品发布进度。同时，功率放大模块采用数字通讯，控制部分与功放电路电气隔离，简化生产过程，提高抗干扰能力。
84.以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。