０ 引言
继电保护装置测试仪通过专用的通道给继电保护装置传输电压、电流模拟量，完成一系列规定的测试项目，可检验继电保护装置的逻辑、信号和控制等功能，是测试继电保护装置功能正常与否的重要仪器。利用继电保护测试仪轮流对每个保护装置串行调试模式，越来越无法满足调试效率、工期甚至交叉作业场景的要求［１－３］。文献［４］通过对电源盘外接分布式接口的改造实现了多间隔同时调试智能柜，但在现场应用中还需将多个调试仪连接至扩展接口，该设计从原理上依旧无法达到并行工作的目的。文献［５］考虑使用两台测试仪串联输出的方法来应对无源电流保护整组试验下输出电流幅度不达标的问题，但过多的仪器和接线会对现场工作安全性和调试效率造成影响。文献［６］开发了基 于Ｊ２ＭＥ 的调试辅助软件，实现了在手机上运行Ｊａｖａ程序，完成定值校验工作，远程调试虽有效减小了现场空间占用，但只能执行定值调试单项工作，局限性较大且稳定性不高。
本文研制一种继电保护测试仪输出扩展装置，将继电保护测试仪输出的电气量通过分压、分流的方式扩展为多路电压、多路电流。继电保护测试仪连接该扩展装置，再通过多个电压电流输出接口扩展连接至多台保护装置，解决了原有 “一对一 ”串行调试面临的重复接线、搬运困难等问 题， 实 现 了 “一 对 多 ”的 并 行 调 试， 提 高 了 调 试效率。
１ 保护间隔二次作业现状分析
保护间隔二次作业重要工作内容为继电保护装置测试工作［７－８］。继电保护装置测试步骤分别为接线、计 算、输入加量、分析结果和拆线。通过现场调研，某地区６座变电站在检修期间继电保护装置 测试各过程用时占比见表１。
由表１可得，输入加量时间在继电保护装置测试时间中占比*大，而在实际工作中，接线、计算、分析、拆线过程精益化程度较高且难以缩短用时，因此提升保护间隔二次作业效率需减少测试过程中输入加量时间。
由于继电保护测试仪只有一组电压输出出口和一组电流输出出口，因此在调试过程中只能对一台保护装置进行输入加量［９］。在多保护间隔作业的场景中，需频繁地拆、接线以完成对多个保护装置的测试，增加了作业时间。另一方面，根据继电保护双重化及变电站典型设计要求，站内存在大量双重化和同型号的继电保护装置［１０］，在完成**台设备调试后，调试其他同型号的设备可看作是重复性工作。
对于该现象，通常的解决方法为增加多台继电保护测试仪，并需多人同时进行调试。但是该方法增加了间隔作业的人员数量，过多调试仪及其连接线增加了现场的杂乱程度，易导致发生事故伤害等危险。为此，本文针对因频繁拆、接线，重复调试等造成作业效率较低的问题，研制了一种可扩展装置，可实现对多台继电保护装置进行一次性输入加量，缩短继电保护装置测试工期，避免人员设备增加、接线杂乱、安全风险高等弊端。
２ 输出扩展装置原理
输出扩展装置的核心是对继电保护测试仪的电流和电压实现分接扩展输出，分为电压分接单元和电流分接单元部分。
２．１ 电压分接单元
电压分接单元主要是扩展电压回路，实现各相电压并输出功能。综合考虑变电站间隔数量及变电站内继电保护室内每排继电保护装置的数量，设计电压分解单元包含６条电压输出支路，如图１所示。
为节省现场校验人员量取接线端口处电压的步骤，在各输入输出接口设计电压指示模块，直观显示各接口处的电 压 幅 值。 电压指示模块可实现电压采集和显示功能。
为了 确 保 采 样 电 压 值 与 输 出 负 载 电 压值互不影响［１１］，利用 ＺＨＰＴ１０７ 型电压互感器将接口处 感应到的电压线性等比 例 转 换 为０～５Ｖ 电 压 值，再 经 ＳＴＭ３２微处理的 ＡＤ 采样模块采样保持后输入至 ＳＴＭ３２ 的 Ｉ／Ｏ口，转换 出 原 始 电 压 值 后， 通过并行口输入 ＬＣＤ１２８６４液晶屏显示。
上述电压分接回路仅以 Ａ 相为示例进行说明，Ｂ相、Ｃ相、Ｌ、Ｎ 与 Ａ 相一致，不再赘述。
２．２ 电流分接单元
电流分接单元主要是扩展电流回路，实现各相电流并联分流输出功能。同理，设计电流分解单元包含６条电流输出支路，如图２所示。
由于各支路负载无法完全一致，因此经铜排分接后的各支路电流大小将有所差异。在电流回路的每条支路串联接入可变的线性可调电阻ＲＡｉ、电感匹配模块ＬＡｉ，在误差允许范围内，不改变支路负载相位的前提下，灵活改变各支路电阻值和电感值，实现各支路电流相同。调整前需先测量得到各支路的阻抗值。
以单条负载支路为例，负载由电阻Ｒ 和电感Ｌ 构成。当流入负载的交流电源频率为ｆ１，在铜排上通过电压互感器测得有效值 为Ｕ１时，在支路上通过电流传感器测得支路电流为Ｉ１；当流入负载的交流电源频率为ｆ２，测得电压有效值为Ｕ２时，测得支路电流为Ｉ２。继电保护测试仪具
备输出不同频率电源的功能，故能较方便得到频率为ｆ１和ｆ２的电源。电阻Ｒ 和电感Ｌ 计算式为：
Ｌ ＝ １２Ｕ１（ ） Ｉ１２－ Ｕ２（ ） Ｉ２２ｆ２槡 １ －ｆ２２（１）
Ｒ ＝ Ｕ１（ ） Ｉ１２槡 － （２πｆ１Ｌ）２ （２）
测量计算得到的各支路负载阻抗值，分 别 记 为 Ｒ１、Ｌ１，Ｒ２、Ｌ２，Ｒ３、Ｌ３，Ｒ４、Ｌ４，Ｒ５、Ｌ５，Ｒ６、Ｌ６。调 节电路分为电阻值调节和电感值调节两部分，示 意 图 如 图３所示。
２．１ 电阻值调节
电阻值调节原理：以电阻值*大的支路电阻为参考，增大其他支路串联接入的线性可调电阻的电阻输出值，使支路电阻达到参考值。当步进电机驱动器接收到单片机发出的一个脉冲信号时转动一个步进角， 带动可调电阻转动，测量得到电阻增量Ｒ０。
**步：根据选择闭合的船型开关，确定参与分流的支路数。这里假设参与分流的支路数为 Ｎ（２≤Ｎ≤６），意味着船型开关 ＫＡ１、ＫＡ２、…、ＫＡＮ闭合。**步：比较 Ｎ 条支路负载的电阻值，得到的*大电阻值Ｒｍａｘ将作为电阻参考值，增大其他支路的电阻值，使各支路电阻值相同。第三步：计算第１条支路电阻与*大电阻值 Ｒｍａｘ之间的差值 ΔＲ１，得到需转动的步进角数量 Ｍ＝ΔＲ１／Ｒ０。第四步：由单片机向第１条支路的步进电机输出 Ｍ 个脉冲信号，实现调节电阻的功能。第五步：重复第三步、第四步，依次调节第２条到第Ｎ 条支路的电阻值。
２．２．２ 电感值调节
电感值调节 原 理：综合试验测量及继电保护电流采样线圈参数可知，负载电感值离散范围小于１ｍＨ，以 电感值*大的支 路 电 感 为 参 考，增大其他支路串联接入的电感 匹 配 模 块 的 电 感 输 出 值［１２］， 使支路电感趋近参考值。
电感匹配模块用于输出不同大小的电感，内部有８个电感值不同的贴片电感元器件，电感值分别为２．２、４．７、１０、２２、４７、１００、２２０、４７０μＨ，可组合输出２５５个不同电感值。工作原理如下：电感元器件接入或退出支路的单片机 ＰＡ４（２０ 号 引 脚）、ＰＡ５（２１ 号 引 脚）、ＰＡ６（２２ 号 引脚）分别与７４ＨＣ５９５移 位 寄 存 器 的１１号 引 脚、１２号 引 脚和１４号 引 脚 相 连。由 单 片 机 ＰＡ４（２０号 引 脚）和 ＰＡ５（２１号引脚）输出不同时序的高低电平，实 现 将 ＰＡ６（２２号 引脚）数据串行输入至７４ＨＣ５９５芯 片，控 制７４ＨＣ５９５芯 片的第１５引脚（数据 Ｑ０）、第１～７引脚（数据 Ｑ１～Ｑ７）输出高电平或低 电 平。 当 ７４ＨＣ５９５ 芯 片 第 １５ 引 脚、 第 １～７引脚中某引脚输出高电平时，连接该引脚的三极管导通，继电器线圈得电，常开辅助触点吸合，电感串联接入支路中；当７４ＨＣ５９５芯 片 第１５引 脚、第１～７引 脚 中 某 引 脚输出低电平时，连接该引脚的三极管截止，继电器线圈不得电，常闭辅助触点吸合，电感元器件短路，不接入支路中。电路图如图４所示。
将电感匹配 模 块 与７４ＨＣ５９５芯片数据位引脚用二进制关系对应，见表２。实施步骤同电阻调节类似，这 里 不再赘述。
为了直观显示各接口回路中流过的电流幅值，设 计电流指示模块，实现电流采集和显示功能。在 各 输 出 接口Ｉｉｘ处串接 ＷＳ１５２６型电流变送 器，将支路电流线性等比例转换为４～２０ｍＡ 标 准 信 号，再 经 ＳＴＭ３２微 处 理 的ＡＤ采样模块采样保持后输入 ＳＴＭ３２的Ｉ／Ｏ 口，转 换 出原 始 电 流 值 后， 通过并行口输入 ＬＣＤ１２８６４ 液 晶 屏显示。
上述电流分接回路仅以 Ａ 相为示例进行说明，Ｂ相、Ｃ相、Ｎ 与 Ａ 相一致，不再赘述。
３ 输出扩展装置模块设计
扩展装置分为电压调节模块、电流调节模块、逻辑控制模块、可 视 化 界 面 模 块、 数据通信模块和供电电源模块。各模块间的联系示意图如图５所示。
３．１ 电压调节模块
电压调节模块实现电压采集和显示功能，示意图如图６所示。
设计电压调节模块电路图并在 Ｐｒｏｔｅｌ仿真软件中进行仿真实验。测试通过后对电压互感器、运算放大器、微处理器、显示装置进行搭接，*后测试得到各输出支路的电压幅值误差不超过设定值的０．５％，见表３。
３．２ 电流调节模块
电流调节模块实现电流采集和显示功能示意图如图７所示。
同理，设计电流调节模块电路图并在 Ｐｒｏｔｅｌ仿真软件中进行仿 真 实 验。 测试通过后对电流传感器、 运 算 放 大器、电感、微处理器进行制作，*后测试得到各输出支路的电流幅值误差不超过设定值的０．５％，见表４。
３．３ 逻辑控制模块
考虑装置功能和需求设计的逻辑控制模块电路图如图８所示。其中，ＶＣＣ 为 正 电 源；ＰＡ 为模数转换器的模拟输入；ＰＢ、ＰＣ、ＰＤ分别为８位双向输入输出接口；Ｘ１、Ｘ２分别为反向振荡器的输入输出接口。
在 ＫｅｉｌｕＶｉｓｉｏｎ５平台中编写控制程序，测试是否可实现规定的输出要求。逻辑控制测试输出结果见表５。由 此可知，经过５０次的 测 试，逻辑控制模块可实现正确的逻辑判断。
３．４ 可视化界面模块
设计上位机可视化界面模块图，使用 Ｃ＃语言进行界面编程。输入相应数据及文字，测试从输入到输出值的正确率。扩展装置下位机模块采用的 ＬＣＤ１２８６４液晶屏电路图如图９所示。其中，ＶＬ为电压输入接口；ＣＳ为低电平选通；ＧＮＤ为接地端；Ｄ为数据总线接口。同 理，在 ＫｅｉｌｕＶｉｓｉｏｎ５平台测试输出的准确性见表６。由此可知，可视化界面可实现准确的显示功能。
３．５ 数据通信模块
通过以太通用网线（双绞线）连接扩展装置与计算机可实现人机交互［１３］。传输协议采用 ＴＣＰ／ＩＰ协议实现双方收发数据的可靠性。调试人员在计算机交互界面中输入需扩展的接口数量和电压电流要求，通过双绞线传输至扩展装置，经逻辑控制模块处理后输出目标值。通 过 约６０次 上下位机模拟调试，结果均满足传输要求，且测试输出电气量数据符合要求。
３．６ 供电电源模块
扩展装置专用的电源适配器可实现工频交流电源［１４］至５Ｖ／１Ａ 的输出转换，并在面板中制作开关按钮和电源接口。装置内置的锂电池可在无外接电源情况下连续供电３～４ｈ。
４ 现场实物测试
２０２０年４月至２０２１年３月，在某供电公司两座２２０ｋＶ 新建变电站和一座２２０ｋＶ 技改变电站中应用研制的继电保护测试仪输出扩展装置。为了更好地对比检验扩展装置应用效果，在各变电站分别进行相同的两次继电保护调试任务：一次采用传统方式， 即单人单台调试仪进行调试；另一次采用单人单台调试仪外接输出扩展装置进行调试。*后统计并对比输入加 量过程所用时间， 结 果 见表７。
由表７可知，采用继电保护输出扩展装置对继电保护仪进行扩展输出，可缩短输入加量过程４１．０％的用时，从而减少了继电保护装置测试的时间。
５ 结语
本文以传统继电保护调试过程中 “一对一 ”重复且低效的加量调试方式作为突破口，研究了继电保护测试仪输出扩展装置。基于扩展装置电压分接和电流分接原理，设计了６大模块并进行检验组装。现场实际应用证明，通过继电保护测试仪外接扩展装置，再输出扩展至多台待测设备的模式是可行的，实现了 “一对多 ”的同时测试，减少了重复加量过程，一定程度上缩短了作业时间。本文研制的继电保护测试仪输出装置可应用于不同电压等级变电站中的保护装置调试场景，有利于提升测试效率，减少设备和人力资源投入，保障人员安全，缩短检修工期。
