長期以來，繼電保護測試技術都是繼電保護領域研究的熱點之一。文獻[1-5]提出了新的繼電保護自動測試平臺；文獻[6-9]設計了新的繼電保護測試方案和自動測試系統。測試技術的不斷進步促進了繼電保護裝置產品質量的持續提高，同時也提高了整機測試效率[10]。而繼電保護裝置是否帶操作回路功能，其整機測試內容有所不同。不帶操作回路的繼電保護裝置只要對裝置輸入故障模擬量，將測試儀的開入、開出與保護裝置的開出、開入形成閉環，即可對保護裝置的接點進行保障性測試驗證；而帶操作回路的繼電保護裝置需斷路器配合才能測試，但通常都用模擬斷路器裝置來代替真實的斷路器。不過，對于大批量繼電保護裝置工廠化測試而言，由于繼電保護測試儀和模擬斷路器無法通信，測試儀不能自動控制模擬斷路器來配合保護裝置功能接點測試，保護裝置要分兩部分獨立測試，測試效率十分低下。

 文獻[11]對繼電保護裝置操作回路從單板測試的角度進行了闡述；文獻[12-15]論述了獨立式斷路器模擬裝置的設計方法；文獻[16]設計了斷路器回路電阻測試系統；文獻[17]論述了帶跳閘回路監視的斷路器操作回路設計方法。以上文獻對斷路器的原理或者模擬斷路器的設計進行了研究，但對繼電保護測試儀嵌入式模擬斷路器的研發與應用沒有進行深入討論，而對帶操作回路繼電保護裝置的測試，使用嵌入式模擬斷路器進行整機測試，能夠將兩個獨立的測試過程合二為一，實現測試流程的自動化。

 嵌入式模擬斷路器是將常規模擬斷路器整合到繼電保護測試儀中的一種設計新方案，本文所提方案充分利用當前集成電路的優越性能，根據模擬斷路器的原理進行模塊化、小型化并與繼電保護測試儀進行一體化設計。嵌入式模擬斷路器能夠接收整機測試儀的命令，實現雙向通信；具有造價低、功耗小、工作可靠和抗干抗性好等優點，同時又能根據繼電保護裝置的測試需求靈活選配功能板卡數量，做到測試有的放矢，從而有效提高繼電保護裝置的整機測試效率。

1 測試需求分析

 圖 1 是典型的低壓保護操作回路原理圖，通常具備以下幾個入口接點：保護合閘入口，保護跳閘入口，永跳入口，手動合閘入口和手動跳閘入口，有時還會衍生出遙控跳閘、合閘入口。對帶有操作回路功能繼電保護裝置的測試，不外乎以上幾個入口功能的測試及其相應位置出口測試。嵌入式模擬斷路器的功能在滿足繼電保護裝置跳合閘功率要求外，還應能與繼電保護測試儀進行內部通信，接收測試儀命令，強制裝置在上電的時候，處于合閘位置或跳閘位置，及跳閘合閘信息反饋給測試儀主控CPU 板卡。

 繼電保護裝置整機檢測的關注點在于保護裝置各功能板卡的一致性檢測，各功能板卡在做完單板功能檢測后，主要進行和機箱背板連接情況及保護裝置整體檢測。圖 1 中操作回路板卡檢測主要關注繼電保護裝置的跳閘、重合閘等硬件邏輯檢測。例如：變壓器非電量保護裝置具有高、中、低三個或四個操作回路，而對這類保護裝置測試就同時需要三到四個斷路器，如進行實際斷路器接入測試，困難重重。但基于模塊化的嵌入式模擬斷路器則能解決這一難題。

 圖 1 中 220 V 操作電源 HWJ 和 TWJ 繼電器內阻的取值一般在 10 K 到 25 K 之間，110 V 操作電源 HWJ 和 TWJ 繼電器內阻取值一般在 4 K 到20 K 之間；常規操作回路板卡各項性能數據見表1。因此，對測試繼電保護裝置操作回路功能的模擬短路器關鍵元器件的選型要充分考慮以上數據。

2 嵌入式模擬斷路器設計

 斷路器相當于一個雙位置開關，其合閘延時和跳閘延時可以有微處理器進行控制,跳閘線圈和合閘線圈也可以用大容量電阻進行模擬[12-13]，在繼電保護裝置完成跳閘和合閘后，模擬電阻的電流會被控制開關切斷。嵌入式模擬斷路器板卡需滿足以下兩點基本要求：1. 模擬斷路器板卡與測試儀主控CPU 板卡進行通信，實現數據互通。由于繼電保護測試儀的開入板、開出板、模擬量輸出板等均采用背板 CAN 總線與測試儀的 CPU 板進行通信，模擬斷路器同樣采樣 CAN 通信方式。2.模擬斷路器需同時滿足 220V 和 110V 操作回路的整機測試需求。

2.1 系統設計

 嵌入式模擬斷路器是以 ARM 微處理器為核心，IGBT 絕緣柵雙極晶體管 IRG4BC20S、場效應管BSS123LT1G、電阻、穩壓二極管、各種光耦等元器件構成的檢測與控制電路。

 系統主控制器采用支持實時仿真和跟蹤并帶有高速 Flash 存儲器的 32 位 ARM 芯片 LPC2119，其 128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32 位代碼能夠在*大時鐘速率下運行。圖 2 中，TQ1_CHECK 是檢測裝置跳閘輸入信號，TZ1 是跳位控制信號，可將裝置置跳位；PWN_ON 是電源負控制信號，用于控制電源；HQ_CHECK 是檢測裝置合閘輸入信號，HZ 是裝置合位控制信號，可將裝置置合位。CANRX 和 CANTX 與繼電保護測試儀進行通信，傳輸測試數據。

2.2 核心電路設計

 根據繼電保護裝置整機測試需求分析，嵌入式模擬斷路器需有以下三部分子電路組成：斷路器跳閘線圈和合閘線圈模擬電路；跳位、合位控制電路；跳位、合位信號檢測電路，核心電路設計見圖 3。其中，用于切斷跳合閘回路的開關，選擇 IGBT 絕緣柵 雙 極 晶 體 管 IRG4BC20S。 該 電 路 充 分 利 用

 IRG4BC20S 快速開關特性，將集電極和發射集接到回路上，通過柵極來控制回路的導通與斷開特性。IRG4BC20S 集電極-發射極擊穿電壓 600 V，*大承受 19 A 的電流，可以同時滿足低壓保護和高壓保護操作回路的模擬測試，當 UGE<=0 時，IGBT呈關斷狀態；當 UCE<0 時，IGBT 呈反向阻斷狀態；當 UCE>0&VGE>Vth 時，集電極和發射集導通狀態；當 UCE>0 且 UCE<Uth 時，IGBT 呈正向阻斷狀態。通過 CPU 控制 UCE 之間的電壓方向，達到接通回路與斷開回路的目的。

2.3 電源控制保護電路

 嵌入式模擬斷路器在使用過程中，有模擬斷路器和繼電保護裝置的操作回路板卡形成跳合閘回路。本系統在設計時，保護裝置的電源負和操作回路電源負短接，并有模擬斷路器來控制，當操作過程中，跳閘或合閘回路中的任何一個回路沒有斷開的時間超過*大設定斷開時間后，系統有電源控制回路自動斷開測試電源 220 V-，起到保護模擬斷路器和繼電保護裝置的作用。

 圖 4 為電源控制電路圖，其中 PWN_ON 置高電平時，繼電器接點導通，裝置上電。PWN_ON 置低電平時，繼電器接點斷開，裝置斷電。圖中選擇繼電器開關電壓為 250V DC，開關電流 8 A，滿足對常規繼電保護裝置電源的控制要求。

2.4 系統軟件流程

 嵌入式模擬斷路器根據測試儀主控 CPU 板卡發來的指令，完成裝置跳位、合位的設置。系統通過實時監測繼電保護裝置的跳閘和合閘信號來切斷電源，起到保護測試儀器和保護繼電保護裝置的雙重作用。具體流程見圖 5。

3 系統應用分析

 基于嵌入式理念設計的模擬斷路器模塊作為繼電保護測試儀的一個重要功能插件，實現了按照測試需求進行靈活選配，提高了繼電保護裝置的整機測試效率，尤其是像變壓器非電量保護裝置這種具備多個操作回路裝置的整機測試效率。帶單個操作回路的保護裝置整機測試連線見圖 6。其中，在保護裝置側，TWJ-和合閘線圈兩個接點短接并與測試儀的 HQ 接點連接；HWJ-和跳閘線圈兩個接點短接并與測試儀的 TQ 接點連接。操作回路的控制電源負與裝置電源負短接并與測試儀模擬斷路器板卡上的電源 OUT-連接；保護裝置操作回路上的控制電源正與裝置電源正同時接220 V 正或 110 V 正，實現整個電源有模擬斷路器板卡的靈活控制。

 帶多個操作回路板卡的保護裝置整機測試僅需在測試儀側增加相應數量模擬斷路器功能板卡，實現與保護裝置操作回路板卡一對一連接即可，見圖 7。多個操作回路板卡的控制電源負僅有一個模擬斷路器板卡的接點控制，保護裝置操作回路上的控制電源正與裝置電源正同時接 220 V 正或110 V 正，多個模擬斷路器板卡上的電源 IN 負，裝置電源負與電源 220 V 負或 110 V 負連接。

 下面結合圖 1、圖 3、圖 6、圖 7，綜合分析下裝置跳合位動作情況。裝置上電置合位過程：裝置跳位指示燈滅，合位指示燈亮。在圖 3 中，TZ1 置高電

 平，HZ 置低電平。在跳閘檢測回路中，TZ1 高電平，N 溝道場效應管 V4 漏源集導通，光耦 U7 的 1、2管腳在正向電壓驅動下，U7 的 6、8 引腳輸出正電壓，加在 U3 絕緣柵雙極晶體管 IGBT 的柵極和發射集兩端，U3 的集電極和發射集導通。圖 1 中裝置合位指示燈、HWJ 線圈、和圖 3 中模擬斷路器跳閘線圈的 R9-R12 導通，裝置合位指示燈亮。由于控制回路電壓大部分加在 HWJ 上，加在 R9-R12 上的電壓不足以讓光耦 U11 動作，因此 TQ1_CHECK

 沒有發生改變。相反，HZ 置低電平，場效應管 V2關閉，導致光耦 U6 不能輸出，因此 U1 集電極和發射集關閉，圖 1 中裝置跳位指示燈，TWJ 線圈和圖

 3 模擬斷路器合閘線圈的 R1-R4 斷開，沒有形成通路，裝置跳位指示燈滅。裝置跳閘跟蹤分析：圖 1 中保護跳閘接點 02與控制電源正導通，由于裝置處于合位，圖 1 中防跳繼電器 TBJ 線圈，及 06、05 接點，圖 3 中的 U3絕緣柵雙極晶體管及電阻 R9-R12 形成回路，處于導通狀態，防跳繼電器 TBJ 勵磁動作，TBJ 常開接點閉合。此時加在模擬跳閘線圈的 4 個電阻 R9-R12 上的電壓加大，致使光耦 U11 的 1、2 引腳帶正向電壓，U11 導通，系統檢測TQ1_CHECK 變位為1，裝置發生了跳閘。此時裝置合位指示燈亮，裝置跳位指示燈滅，系統需要將裝置合位指示燈所在回路斷開，跳位指示燈所在回路接通。圖 3 中的 TZ1置低電平，U3 絕緣柵雙極晶體管 IGBT 關閉，裝置合位指示燈滅。圖 3 中的 HZ 置高電平，U1 絕緣柵雙極晶體管 IGBT 導通，圖 1 中跳位指示燈，TWJ線圈和圖 3 中模擬斷路器合閘線圈的 R1-R4 回路導通，裝置跳位指示燈亮。

 裝置合閘過程分析：圖 1 中保護合閘接點 09與控制電源正導通，由于裝置處于跳位，圖 1 中合閘保持繼電器 HBJ 線圈，及 07、08 接點，圖 3 中的U1 絕緣柵雙極晶體管及電阻 R1-R4 形成回路，處于導通狀態，合閘保持繼電器 HBJ 勵磁動作，HBJ常開接點閉合。此時加在模擬跳閘線圈的 4 個電阻R1-R4 上的電壓加大，致使光耦 U9 的 1、2 引腳帶正向電壓，U9 導通，系統檢測 HQ_CHECK 變位為1，判斷裝置發生了合閘。此時裝置跳位指示燈亮，裝置合位指示燈滅，系統需要將裝置合位指示燈所在回路接通，跳位指示燈所在回路斷開。圖 3 中的HZ 置低電平，U3 絕緣柵雙極晶體管 IGBT 斷開，圖1 中跳位指示燈，TWJ 線圈和圖 3 中模擬斷路器合閘線圈的 R1-R4 回路斷開，裝置跳位指示燈滅。圖3 中的 TZ1 置高電平，U1 絕緣柵雙極晶體管 IGBT導通，圖 1 中裝置合位指示燈、HWJ 線圈、和圖 3中模擬斷路器跳閘線圈的 R9-R12 形成回路導通，裝置合位指示燈亮。

 通過對裝置上電置位，跳閘過程跟蹤，合閘過程跟蹤分析，可以看出所設計嵌入式模擬斷路器能夠正確地與裝置的操作回路板卡進行配合，實現繼電保護裝置包含操作回路功能在內的各項功能全自動測試。測試儀按照需求進行配置嵌入式模擬斷路器板卡，有效改變了以往測試帶操作回路保護裝置的整體測試環境和測試效果，整個測試環境變得更加簡潔、緊湊，測試更加高效。嵌入式模擬斷路器板卡的研制使保護裝置操作回路板卡輸入接點測試范圍更廣更全；對于操作回路板卡上的空節點輸出，如控制回路斷線，跳閘位置，合閘位置，手跳信號，事故總等節點也都能在邏輯測試過程中進行自動測試，使整機測試效率提高 50%以上，改進前后，測試效果對比見圖 8。

5 結 論

 提出了基于繼電保護測試儀側一體化嵌入式模擬斷路器設計新方法。硬件設計上，將模擬斷路器設計成獨立功能模塊板卡，根據測試需求靈活配置；軟件設計上，ARM 微處理可以按測試儀的指令進行裝置位置指定，滿足了繼電保護裝置各項功能測試需求。提出的方案將兩個原本獨立的測試過程銜接起來，使保護裝置整機測試自動化程度更高。長期應用表明，該方法為繼電保護裝置的整體功能連續自動測試提供了高效解決方案，具有一定推廣價值。