０ 引言
微机继电保护的开关量输入输出系统是微机继电保护硬件系统的重要组成部分，能完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入及人机对话等功能。福建省电网继电保护检验规程明确规定了不同电压等级各类型继电保护装置开入量、开出量接点项目的检验。开关量的检验也是继电保护人员必不可少的重要工作程序［１－３］。目 前，检修工作针对开入量的检验，大部分采用人工短接开入接点逐一检验的方 法，费 时、繁 琐 且 不 能 准 确 模 拟 ＳＯＥ 分 辨率试验，如南京南瑞、北京四方等厂家的装置技术说明书明确了各保护装置ＳＯＥ分辨率不大于２ｍｓ，其分辨率要求严格。而对于开出量的检验，目前大部分采用万用表直接测量继电保护出口电位的方法，但存在显示电位时间短、不易观察等缺点，且２２０ｋＶ 及以上电压等级的线路保护、主变保护等保护装置出口回路较多，需多次检验，大大降低工作效率。在现有的技术条件下，可采用继电保护测试仪测量出口时间，但需设置继保测试仪的状态序列并逐一检验各压板出口，相比之下较繁琐。针对以上情况，本文提出一种继电保护装置开关量测试仪。
１ 测试仪的硬件结构
测试仪硬件结构如图 １ 所 示， 由 ＰＬＣ、 ＨＩＭ 触 摸屏、开入量输 入 电 路、开 出 量 输 出 电 路、ＩＲＩＧ－Ｂ 解 码 电路及电源电路 等 构 成。ＰＬＣ 作 为 ＣＰＵ 模 块，其 输 入、输出端口分别与开关量输入、输出电路连接，用于检验继电保护装置开 出 量 及 开 入 量 接 点；ＰＬＣ 通过通信接口与ＨＩＭ 实现 数 据 交 互，ＨＩＭ 则可通过设置 相关参数控制ＰＬＣ输出并对测试过程进行记录，以便查看相应的测试报文。电源电路包括市电输入口、开关电源模块及多个 ＤＣ／ＤＣ模块，可提供电路所 需的多个电压。 本 文 主 要 介 绍ＰＬＣ、触摸屏、开关量输入输出电路及ＩＲＩＧ－Ｂ 解 码 电 路
的选择与设计。
１．１ＰＬＣ和触摸屏的选择
测试仪的设计要求为应能正常模拟开入量变位、ＳＯＥ分辨率试验和测试多路开出量接点，ＳＯＥ分辨率试验要求测试仪的输出精度满足要求，故时间上不应有较大偏差。综合考虑后选用台湾永宏高性能主机 ＦＢｓ－１４ＭＣＪ２－Ｄ２４型ＰＬＣ作 ＣＰＵ 模块。该 ＰＬＣ 工 作 电 压 为 ＤＣ２４Ｖ，平 均 执行时间为０．３３μｓ／顺 序 指 令，有８点 数 字 量 输 入、６点 数字量输出，采用单端共点晶体管输出，５组３２位元硬件高速计时器 ＨＳＣＡ、ＨＳＣ０～ＨＳＣ３的计数频率达２００ｋＨｚ，内置１个 ＲＳ－２３２（ＰＯＲＴ０）接 口；可通过外接通信扩展模块 ＦＢｓ－ＣＢ２２增加２个 ＲＳ－２３２接口（ＰＯＲＴ１、ＰＯＲＴ２）。触摸屏 ＨＭＩ选用步科 ＭＴ４０００系列的 ＭＴ４４１４ＴＥ全彩触摸屏，７" ，６５５２６色 ＴＦＴ真彩显示，分辨率为８００×４８０，具有编程简单、界面友好、与所选 ＰＬＣ兼容 性 好 的优点。ＰＬＣ 通 过 内 置 的 ＲＳ－２３２（ＰＯＲＴ０）接 口 与 触 摸 屏连接［４］。
１．２ 开关量输出电路
测试仪选用的 ＦＢｓ－１４ＭＣＪ２－Ｄ２４为永宏ＰＬＣ的单端共点晶体管ＳＲＣＥ输出型（数字量输出共点接至 ＤＣ２４Ｖ 电源的正端），由 ＣＰＵ 通过光耦合控制晶体管通断。该机型具备高速数字量输出点４个（即 Ｙ０～Ｙ３），*大输出时延为２００ｎｓ，响 应 时 间 极 快。ＰＬＣ 的数字量输出为有源接点，不适合直接接入继电保护装置的开入接点（按 电 压 等 级 分有 ＡＣ２２０Ｖ、ＡＣ１１０Ｖ、ＤＣ２４Ｖ 的 公 共 端）；若 ＰＬＣ 的数字量输出经普通的继电器转换为无源接点，则响应时间慢，且输出时延一般在几毫秒甚至几十毫秒，达不到设计要求。为此，设计 时 选 择 将 ＰＬＣ 的数字量输出经光 Ｐｈｏ－ｔｏＭＯＳ继电器 ＡＱＷ２１４ＥＨ 输出。该继电器输出适合接入正极公共端或负极公共端的继电保护装置开入接点，并具有双向导通、高灵敏度、无机械触点、寿命长等特点，负载电压为 ＤＣ４００Ｖ，典型导通电阻为３０Ω，典型开通时间为０．３１ｍｓ，典型关断时间为０．０５ｍｓ。开关量输 出 电 路 如 图 ２ 所 示。 设 计 选 用 ２ 块 ＡＱＷ－２１４ＥＨ 产生４路空接点输出，可满足要求。接地端为ＰＬＣ的 ＤＣ２４Ｖ 电源负端，测试时 ＯＵＴ＿ＣＯＭ 端连接至继电保护装置的开入 量 公 共 端，ＯＵＴ１～ＯＵＴ４可 分 别 连 接 至 所需测试的开入量位置。当 ＰＬＣ 的 ＤＯ 口 设 置 为 输 出 时，Ｙ０～Ｙ３与ＰＬＣ的共点 ＤＣ２４Ｖ 电源正端连通，使光 ＭＯＳ继电器导通。
１．３ 开关量输入电路
继电保护装置控制回路中跳闸接点 ＴＢＪ、保护合闸接点 ＨＢＪ等接点闭合时间过长或粘连易导致接点烧毁，进一步可能引起保护拒动或误动。结合图３（出口接点两端接线）和图４（出口压板下端和接地端接线）所示两种方案，介绍开关量输入电路的设计原理，该电路用于测试继电保护装置的开出接点。
图３中，测试接点选择在保护装置控制回路中的出口接点两端ａ、ｂ，测试时应断开控制电源 ＫＭ，将ａ和ｂ 分别接测试仪ＩＮ、ＣＯＭ 两端，当出口接点 ＴＢＪ闭合后，ＩＮ与 ＣＯＭ 等 电 位， 则ＩＮ 为 ＋２４Ｖ， 驱动光耦隔离电路导通，由ＰＬＣ采集出口接点的闭合时间。此方案ａ端在保护屏柜前，ｂ端常设置 在 屏 柜 后，测试人员需通过图纸查找屏后的端子排，不易测试且耗时长；另外当误合控制电源ＫＭ 时， ＋ＫＭ（＋１１０Ｖ）与 测 试 仪 ＣＯＭ 端 的 ＋２４Ｖ 连接，存在损坏电路风险。
图４中，测试接点为出口压板下端ｂ和接地端ａ，测试时合上控制电源 ＫＭ，测试仪的ＩＮ 接出口压板下端ｂ，ＣＯＭ 接接地端ａ。当 ＴＢＪ闭 合 后，ＩＮ 与 ＣＯＭ 间 产 生＋１１０Ｖ 直流电，驱动 电 路 导 通。此方案的测试点均在屏柜前面，接线简便，不存在损坏电路的风险，可代替使用万
用表测量跳合闸脉冲的常规方式。当保护装置动作时，其出口接点处会瞬时发出一个＋１１０Ｖ 左右电位的脉冲，经开关量输入电路至 ＰＬＣ的４路 ＤＩ口（设计４路：Ｘ０～Ｘ３）进行检测。每组开关量输入电路 均 有２个 分 压 电 阻，１个用于防止输入端因反偏电压过大而损坏的二极管，１个 用
于减少干扰信号的电容，１ 个作为开关元件的开关三极管，１个高速光耦隔离器等。
１．４ＩＲＩＧ－Ｂ解码电路
测试仪利用变电站内的 ＧＰＳ时钟同步装置实现对时功能，可设置参数定时输出开关量变位，与保护装置开入量动作时间进行比对。ＩＲＩＧ－Ｂ解码电路原理如图５所示，选用１块深圳云辰科技公司的ＩＲＩＧ－Ｂ解码芯片 ＹＣＢ４００１和１块用于 ＲＳ－４８５信号到 ＴＴＬ电平转换的 ＡＤＭ４８５芯片，对时采用 ＰＰＳ外 部 中 断 方 案。ＹＣＢ４００１ 的 ＴＸＤ 和 ＲＸＤ引脚为串行发送和接收端，与 ＰＬＣ的扩展串口 ＰＯＲＴ１连接，这样 ＰＬＣ根据所选解码芯片 ＹＣＢ４００１规定的 ＧＰＳ系统输出报文协议获取时间报文，解 码 芯 片 ＹＣＢ４００１的 秒脉冲（ＰＰＳ）经光耦隔离器与 ＰＬＣ的 ＤＩ端口 Ｘ４连接，ＰＬＣ接收到 ＰＰＳ信号后以上升沿捕捉方式在中断程序（已 分 配ＰＬＣ硬件高速计时器 ＨＳＣＡ 作为 ＤＩ端口 Ｘ４的硬件中断）中接收一次 ＧＰＳ时 间 报 文。ＩＲＩＧ－Ｂ解码电路中的外部接口包括ＩＲＩＧ－Ｂ（ＤＣ）４８５输入接口和ＩＲＩＧ－Ｂ（ＤＣ）ＴＴＬ输入接口，可与变电站内 ＧＰＳ时钟同步装置的 ＲＳ－４８５输出插件或 ＴＴＬ输出插件连接，连接方式二选一。
２ 测试仪的软件设计
２．１ 开入量变位及ＳＯＥ事件模拟
ＳＯＥ分辨率的 测 试 采 用 图 ６ 的表示方法设置脉冲输出。其中，脉冲 时 间 Ｐｅｒｉｏｄ、脉 冲 宽 度 Ｗｉｄｔｈ、脉 冲 同 步延 时 时 间 Ｄｅｌａｙ 和脉冲个数均可通过触摸 屏参数设置输出［５］。
ＳＯＥ事件的模拟需 设 置 ＰＬＣ 输 出 ＤＩ口 Ｙ０～Ｙ３为１或０的持续时间，其中 Ｙ０～Ｙ３分别分配了硬件高速计数器 ＨＳＴ０～ＨＳＴ３，独 立 进 行 计 数、比 较，发 出 中 断，不占用 ＣＰＵ 的时间，进一步提高了输出性能。ＰＬＣ 在 接 收到触摸屏发送的模拟 ＳＯＥ 事件命令后按图６所 示 输 出 脉冲，第２路脉冲延迟第１路脉冲１个 Ｄｅａｌｙ时间输出，依此类推。第１路脉冲输出的中断子程序流程如图７所示，其余３路脉冲输出的中断程序设计与此相同，当高速计数器中断开启后等待时间（ＰＶ－ＣＶ）×０．１ｍｓ进入中断程序。
需注意的是，当进入高速计数器中断程序后，应 设 置 Ｙ０的输出状态并使用Ｉ／Ｏ 更新指令立即更新 Ｙ０～Ｙ３输出口的状态，这样可获得实时快速的输出反应，否 则 ＰＬＣ 的输出信号更新通常是在全部程序扫描结束后才将所有输出结果送至输出点，将导致脉冲周期、脉冲宽度或延时时间不准确。光 ＭＯＳ继 电 器 ＡＱＷ２１４ＥＨ 本 身 存 在 一 定 的 导通时间和关断时间，测试结果显示各开出量输出不同步时间误差不大于０．２ｍｓ，通过触摸屏的测试界面手动设置立即输出或定时输出４路高速脉冲。
２．２ 开出量测试记录
ＰＬＣ记录出口接点动作产生的脉冲上升沿及下降沿事件，并将事件信息传送给触摸屏显示。程 序 首 先 开 启ＰＬＣ数 字 量 输 入 口 Ｘ０～Ｘ３ 的边沿翻转中断， 测 试 时ＰＬＣ经开关量输入电路检测输入口瞬时 ＋１１０Ｖ 电 位 脉冲，再通过捕捉各输入口脉冲上升沿和下降沿中断的计数值计算出口 接 点 的 动 作 时 间，并将该动作情况发送至ＨＭＩ显示。ＨＭＩ显示的内容为出口接点动作时间， 动作、复归报文，并可选择是否以内置蜂鸣器作为动作信号的提醒。
２．３ 触摸屏界面设计
触摸屏采用组态软件 ＫｉｎｃｏＨＭＩ进行界面的设计，其与 ＰＬＣ的通信遵循永宏 ＦＡＣＯＮＦＢ协议。ＨＭＩ通 过 设 置相关参数进行输出控制（如常规开入量接点变位），设 置４路高速脉冲 信 号 模 拟 ＳＯＥ 分 辨 率，并 具 备 记 录 开 出 量 测试过程、查看测试报文的功能。ＳＯＥ分辨率测试界面如图８所示。
３ 结语
本文从硬件结构和软件设计两方面介绍了继电保 护装置开关量测 试 仪 的 设 计，硬件部分在满足功能、性 能要求的同时对开关量测试电路进行优选，软 件 部 分 侧 重介绍ＳＯＥ事件模拟的程序设计。该测试仪可与继电保护测试仪配合，实现继电保护装置开入量、开出量接点的测试，可接 收 变 电 站 内 ＧＰＳ时钟同步装置的 Ｂ码 对 时，实现了常规开 入 量 变 位、模 拟 ＳＯＥ 分 辨 率 试 验 及 同 步 测 试多路出口接点。该测试仪具有精度高、操作简单、使用方便及运行稳定等优点，目前已在现场保护装置的调试工作中应用。
