长期以来，继电保护测试技术都是继电保护领域研究的热点之一。文献[1-5]提出了新的继电保护自动测试平台；文献[6-9]设计了新的继电保护测试方案和自动测试系统。测试技术的不断进步促进了继电保护装置产品质量的持续提高，同时也提高了整机测试效率[10]。而继电保护装置是否带操作回路功能，其整机测试内容有所不同。不带操作回路的继电保护装置只要对装置输入故障模拟量，将测试仪的开入、开出与保护装置的开出、开入形成闭环，即可对保护装置的接点进行保障性测试验证；而带操作回路的继电保护装置需断路器配合才能测试，但通常都用模拟断路器装置来代替真实的断路器。不过，对于大批量继电保护装置工厂化测试而言，由于继电保护测试仪和模拟断路器无法通信，测试仪不能自动控制模拟断路器来配合保护装置功能接点测试，保护装置要分两部分独立测试，测试效率十分低下。
文献[11]对继电保护装置操作回路从单板测试的角度进行了阐述；文献[12-15]论述了独立式断路器模拟装置的设计方法；文献[16]设计了断路器回路电阻测试系统；文献[17]论述了带跳闸回路监视的断路器操作回路设计方法。以上文献对断路器的原理或者模拟断路器的设计进行了研究，但对继电保护测试仪嵌入式模拟断路器的研发与应用没有进行深入讨论，而对带操作回路继电保护装置的测试，使用嵌入式模拟断路器进行整机测试，能够将两个独立的测试过程合二为一，实现测试流程的自动化。
嵌入式模拟断路器是将常规模拟断路器整合到继电保护测试仪中的一种设计新方案，本文所提方案充分利用当前集成电路的优越性能，根据模拟断路器的原理进行模块化、小型化并与继电保护测试仪进行一体化设计。嵌入式模拟断路器能够接收整机测试仪的命令，实现双向通信；具有造价低、功耗小、工作可靠和抗干抗性好等优点，同时又能根据继电保护装置的测试需求灵活选配功能板卡数量，做到测试有的放矢，从而有效提高继电保护装置的整机测试效率。
1 测试需求分析
图 1 是典型的低压保护操作回路原理图，通常具备以下几个入口接点：保护合闸入口，保护跳闸入口，永跳入口，手动合闸入口和手动跳闸入口，有时还会衍生出遥控跳闸、合闸入口。对带有操作回路功能继电保护装置的测试，不外乎以上几个入口功能的测试及其相应位置出口测试。嵌入式模拟断路器的功能在满足继电保护装置跳合闸功率要求外，还应能与继电保护测试仪进行内部通信，接收测试仪命令，强制装置在上电的时候，处于合闸位置或跳闸位置，及跳闸合闸信息反馈给测试仪主控CPU 板卡。
继电保护装置整机检测的关注点在于保护装置各功能板卡的一致性检测，各功能板卡在做完单板功能检测后，主要进行和机箱背板连接情况及保护装置整体检测。图 1 中操作回路板卡检测主要关注继电保护装置的跳闸、重合闸等硬件逻辑检测。例如：变压器非电量保护装置具有高、中、低三个或四个操作回路，而对这类保护装置测试就同时需要三到四个断路器，如进行实际断路器接入测试，困难重重。但基于模块化的嵌入式模拟断路器则能解决这一难题。
图 1 中 220 V 操作电源 HWJ 和 TWJ 继电器内阻的取值一般在 10 K 到 25 K 之间，110 V 操作电源 HWJ 和 TWJ 继电器内阻取值一般在 4 K 到20 K 之间；常规操作回路板卡各项性能数据见表1。因此，对测试继电保护装置操作回路功能的模拟短路器关键元器件的选型要充分考虑以上数据。
2 嵌入式模拟断路器设计
断路器相当于一个双位置开关，其合闸延时和跳闸延时可以有微处理器进行控制,跳闸线圈和合闸线圈也可以用大容量电阻进行模拟[12-13]，在继电保护装置完成跳闸和合闸后，模拟电阻的电流会被控制开关切断。嵌入式模拟断路器板卡需满足以下两点基本要求：1. 模拟断路器板卡与测试仪主控CPU 板卡进行通信，实现数据互通。由于继电保护测试仪的开入板、开出板、模拟量输出板等均采用背板 CAN 总线与测试仪的 CPU 板进行通信，模拟断路器同样采样 CAN 通信方式。2.模拟断路器需同时满足 220V 和 110V 操作回路的整机测试需求。
2.1 系统设计
嵌入式模拟断路器是以 ARM 微处理器为核心，IGBT 绝缘栅双极晶体管 IRG4BC20S、场效应管BSS123LT1G、电阻、稳压二极管、各种光耦等元器件构成的检测与控制电路。
系统主控制器采用支持实时仿真和跟踪并带有高速 Flash 存储器的 32 位 ARM 芯片 LPC2119，其 128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 位代码能够在*大时钟速率下运行。图 2 中，TQ1_CHECK 是检测装置跳闸输入信号，TZ1 是跳位控制信号，可将装置置跳位；PWN_ON 是电源负控制信号，用于控制电源；HQ_CHECK 是检测装置合闸输入信号，HZ 是装置合位控制信号，可将装置置合位。CANRX 和 CANTX 与继电保护测试仪进行通信，传输测试数据。
2.2 核心电路设计
根据继电保护装置整机测试需求分析，嵌入式模拟断路器需有以下三部分子电路组成：断路器跳闸线圈和合闸线圈模拟电路；跳位、合位控制电路；跳位、合位信号检测电路，核心电路设计见图 3。其中，用于切断跳合闸回路的开关，选择 IGBT 绝缘栅 双 极 晶 体 管 IRG4BC20S。 该 电 路 充 分 利 用
IRG4BC20S 快速开关特性，将集电极和发射集接到回路上，通过栅极来控制回路的导通与断开特性。IRG4BC20S 集电极-发射极击穿电压 600 V，*大承受 19 A 的电流，可以同时满足低压保护和高压保护操作回路的模拟测试，当 UGE<=0 时，IGBT呈关断状态；当 UCE<0 时，IGBT 呈反向阻断状态；当 UCE>0&VGE>Vth 时，集电极和发射集导通状态；当 UCE>0 且 UCE<Uth 时，IGBT 呈正向阻断状态。通过 CPU 控制 UCE 之间的电压方向，达到接通回路与断开回路的目的。
2.3 电源控制保护电路
嵌入式模拟断路器在使用过程中，有模拟断路器和继电保护装置的操作回路板卡形成跳合闸回路。本系统在设计时，保护装置的电源负和操作回路电源负短接，并有模拟断路器来控制，当操作过程中，跳闸或合闸回路中的任何一个回路没有断开的时间超过*大设定断开时间后，系统有电源控制回路自动断开测试电源 220 V-，起到保护模拟断路器和继电保护装置的作用。
图 4 为电源控制电路图，其中 PWN_ON 置高电平时，继电器接点导通，装置上电。PWN_ON 置低电平时，继电器接点断开，装置断电。图中选择继电器开关电压为 250V DC，开关电流 8 A，满足对常规继电保护装置电源的控制要求。
2.4 系统软件流程
嵌入式模拟断路器根据测试仪主控 CPU 板卡发来的指令，完成装置跳位、合位的设置。系统通过实时监测继电保护装置的跳闸和合闸信号来切断电源，起到保护测试仪器和保护继电保护装置的双重作用。具体流程见图 5。
3 系统应用分析
基于嵌入式理念设计的模拟断路器模块作为继电保护测试仪的一个重要功能插件，实现了按照测试需求进行灵活选配，提高了继电保护装置的整机测试效率，尤其是像变压器非电量保护装置这种具备多个操作回路装置的整机测试效率。带单个操作回路的保护装置整机测试连线见图 6。其中，在保护装置侧，TWJ-和合闸线圈两个接点短接并与测试仪的 HQ 接点连接；HWJ-和跳闸线圈两个接点短接并与测试仪的 TQ 接点连接。操作回路的控制电源负与装置电源负短接并与测试仪模拟断路器板卡上的电源 OUT-连接；保护装置操作回路上的控制电源正与装置电源正同时接220 V 正或 110 V 正，实现整个电源有模拟断路器板卡的灵活控制。
带多个操作回路板卡的保护装置整机测试仅需在测试仪侧增加相应数量模拟断路器功能板卡，实现与保护装置操作回路板卡一对一连接即可，见图 7。多个操作回路板卡的控制电源负仅有一个模拟断路器板卡的接点控制，保护装置操作回路上的控制电源正与装置电源正同时接 220 V 正或110 V 正，多个模拟断路器板卡上的电源 IN 负，装置电源负与电源 220 V 负或 110 V 负连接。
下面结合图 1、图 3、图 6、图 7，综合分析下装置跳合位动作情况。装置上电置合位过程：装置跳位指示灯灭，合位指示灯亮。在图 3 中，TZ1 置高电
平，HZ 置低电平。在跳闸检测回路中，TZ1 高电平，N 沟道场效应管 V4 漏源集导通，光耦 U7 的 1、2管脚在正向电压驱动下，U7 的 6、8 引脚输出正电压，加在 U3 绝缘栅双极晶体管 IGBT 的栅极和发射集两端，U3 的集电极和发射集导通。图 1 中装置合位指示灯、HWJ 线圈、和图 3 中模拟断路器跳闸线圈的 R9-R12 导通，装置合位指示灯亮。由于控制回路电压大部分加在 HWJ 上，加在 R9-R12 上的电压不足以让光耦 U11 动作，因此 TQ1_CHECK
没有发生改变。相反，HZ 置低电平，场效应管 V2关闭，导致光耦 U6 不能输出，因此 U1 集电极和发射集关闭，图 1 中装置跳位指示灯，TWJ 线圈和图
3 模拟断路器合闸线圈的 R1-R4 断开，没有形成通路，装置跳位指示灯灭。装置跳闸跟踪分析：图 1 中保护跳闸接点 02与控制电源正导通，由于装置处于合位，图 1 中防跳继电器 TBJ 线圈，及 06、05 接点，图 3 中的 U3绝缘栅双极晶体管及电阻 R9-R12 形成回路，处于导通状态，防跳继电器 TBJ 励磁动作，TBJ 常开接点闭合。此时加在模拟跳闸线圈的 4 个电阻 R9-R12 上的电压加大，致使光耦 U11 的 1、2 引脚带正向电压，U11 导通，系统检测TQ1_CHECK 变位为1，装置发生了跳闸。此时装置合位指示灯亮，装置跳位指示灯灭，系统需要将装置合位指示灯所在回路断开，跳位指示灯所在回路接通。图 3 中的 TZ1置低电平，U3 绝缘栅双极晶体管 IGBT 关闭，装置合位指示灯灭。图 3 中的 HZ 置高电平，U1 绝缘栅双极晶体管 IGBT 导通，图 1 中跳位指示灯，TWJ线圈和图 3 中模拟断路器合闸线圈的 R1-R4 回路导通，装置跳位指示灯亮。
装置合闸过程分析：图 1 中保护合闸接点 09与控制电源正导通，由于装置处于跳位，图 1 中合闸保持继电器 HBJ 线圈，及 07、08 接点，图 3 中的U1 绝缘栅双极晶体管及电阻 R1-R4 形成回路，处于导通状态，合闸保持继电器 HBJ 励磁动作，HBJ常开接点闭合。此时加在模拟跳闸线圈的 4 个电阻R1-R4 上的电压加大，致使光耦 U9 的 1、2 引脚带正向电压，U9 导通，系统检测 HQ_CHECK 变位为1，判断装置发生了合闸。此时装置跳位指示灯亮，装置合位指示灯灭，系统需要将装置合位指示灯所在回路接通，跳位指示灯所在回路断开。图 3 中的HZ 置低电平，U3 绝缘栅双极晶体管 IGBT 断开，图1 中跳位指示灯，TWJ 线圈和图 3 中模拟断路器合闸线圈的 R1-R4 回路断开，装置跳位指示灯灭。图3 中的 TZ1 置高电平，U1 绝缘栅双极晶体管 IGBT导通，图 1 中装置合位指示灯、HWJ 线圈、和图 3中模拟断路器跳闸线圈的 R9-R12 形成回路导通，装置合位指示灯亮。
通过对装置上电置位，跳闸过程跟踪，合闸过程跟踪分析，可以看出所设计嵌入式模拟断路器能够正确地与装置的操作回路板卡进行配合，实现继电保护装置包含操作回路功能在内的各项功能全自动测试。测试仪按照需求进行配置嵌入式模拟断路器板卡，有效改变了以往测试带操作回路保护装置的整体测试环境和测试效果，整个测试环境变得更加简洁、紧凑，测试更加高效。嵌入式模拟断路器板卡的研制使保护装置操作回路板卡输入接点测试范围更广更全；对于操作回路板卡上的空节点输出，如控制回路断线，跳闸位置，合闸位置，手跳信号，事故总等节点也都能在逻辑测试过程中进行自动测试，使整机测试效率提高 50%以上，改进前后，测试效果对比见图 8。
5 结 论
提出了基于继电保护测试仪侧一体化嵌入式模拟断路器设计新方法。硬件设计上，将模拟断路器设计成独立功能模块板卡，根据测试需求灵活配置；软件设计上，ARM 微处理可以按测试仪的指令进行装置位置指定，满足了继电保护装置各项功能测试需求。提出的方案将两个原本独立的测试过程衔接起来，使保护装置整机测试自动化程度更高。长期应用表明，该方法为继电保护装置的整体功能连续自动测试提供了高效解决方案，具有一定推广价值。
