专利名称：电力工程直流电源设备核心技术参数自动测试系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力工程的自动测试，特别是电力工程中被测充电装置的直流电 源设备的核心技术参数的自动测试。包括稳流精度、稳压精度、纹波系数等参数测 试、蓄电池组的容量核定性试验等。
背景技术：
目前电力系统直流电源充电装置及变电站直流电源设备评价参数测试方法均以 DL/T459-2000、 DL/T724-2000 、 DL/T781-2001等标准和国家电网生[2004]634 号文件为依据。国内进行直流电源装置的质检机构及充电装置或直流屏生产厂 家的检测设备大多为体积大、重量大的固定式，检测分析为常规的电压表、电 流表、示波器等，接线复杂，使用不便，非常不适合在变电站、机站等现场使 用。其检测方法和测量参数的定义与标准GB/T19826-2005《电力工程直流电 源设备通用技术条件及安全要求》都存在较大差异，不适用于电力系统。为了 严格执行国家电网公司十八项反措、运行规范、技术监督管理及设备评价等相 关规定要求，为直流电源设备实施标准化作业，需要有效而简便的符合国家、 行业标准要求的直流电源特性参数测试系统。实用新型内容本实用新型的目的是提供一种有效而简便的符合国家标准GB/T19826-2005 《电力工程直流电源设备通用技术条件及安全要求》核心技术参数测试要求的测 试系统，该系统体积小、重量轻，计算机全程程序控制，适合在变电站、机站 等现场使用。本实用新型的目的是这样达到的 一种电力工程直流电源设备核心技术参 数自动测试系统，含程控调压器、计算机、虚拟示波器、电气参数测控仪和程 控电阻负载。电气参数测控仪、程控电阻负载和虚拟示波器组成一体化设备， 程控调压器与电气参数测控仪之间，电气参数测控仪与被测充电装置、计算机 之间分别通过通信接口连接，程控电阻负载与电气参数测控仪通过1/0端口和 0-5V可调隔离电压连接，程控调压器对被测充电装置提供电压，被测充电装置 的输出电压分别加在程控电阻负载和电气参数测控仪上，虚拟示波器与计算机 连接，所述电气参数测控仪包括信号隔离、调理、A/D转换、DSP数字信号处理系统；可编程控制器CPLD;CPU单片机；LCD键盘以及铁电存储器；负载 I/O 0-5V输出；CPU ， CPLD， USB通信接口；时钟几部分。所述电气参数测控仪通过信号隔离、调理、A/D转换、DSP数字信号处理 系统实现直流电压、直流电流的测定，在测量电路中，采用了电压隔离放大器 AD202JY与CPU隔离，采用了霍尔电流传感器作电流隔离电路，A/D、数字处理 器实现直流电压、直流电流的测量，采用的数字处理芯片是CS5460A，CPU通过 SPI总线读取测量数据。所述程控电阻负载是由负载控制器和真空电阻管构成的电力工程高压电阻负载, 负载控制器是移相控制全桥型零电压开关-脉冲调制变换电路和继电器组控制电路， 在负载控制器上分别连接两组真空电阻， 一组为固定真空电阻R2，另一组为继电器 组DL2控制的真空电阻组合R1，直流电压加在两组电阻上；采用的全桥开关相位移 动控制芯片是UC3875。当UC3875的EA+上电压在DC0 5V线性变化时，改变脉 宽调制器的占空比，开关电源输出就从DC0 200V变化。所述负载I/O 0-5V输出是采用数字/模拟变换电路，输出电压经电压隔离 放大器后输出到负载控制器。所述程控电阻负载是由负载控制器和真空电阻管构成的电力工程高压电阻负 载，负载控制器是移相控制全桥型零电压开关-脉冲调制变换电路，在负载控制器上 分别连接两组真空电阻， 一组为固定真空电阻R2，另一组为继电器组DL2控制的真 空电阻组合Rl，直流电压加在两组电阻上。采用的全桥开关相位移动控制芯片是 UC3875 。所述程控调压器是为被测充电装置提供交流电压的调压器，在程控调压器上 安装有多功能表，多功能表是网络电力仪表，通过RS485数字接口实现仪表组网 通讯功能，采用可视度高的LED来显示仪表测量参数和电网系统的运行信息。 所述虚拟示波器是60 MHz采样频率，20 MHz带宽的虚拟示波器。 所述可编程控制器是逻辑控制器，采用型号XC95144的芯片，CPU单片机 是78E516。所述采用电压隔离放大器与CPU隔离，是采用了 AD202JY电压隔离芯片。 所述采用数字处理器实现直流电压、直流电流的测定采用的数字处理芯片 是CS5460A。所述时钟是FM31256芯片，所述铁电存储器是256kB。所述电气参数测控仪上还带有温度传感器，采用数字式温度传感器DSB18B20。本实用新型的积极效果是实现了全自动电力系统直流电源充电装置的核心 指标的现场一体化测试.对于试验及操作中的高准确度、高效率、高可靠性、高 安全性具有重要意义。表现在以下几个方面1. 采用隔离，高速数字采样技术采集电流、电压的瞬时值，采用DSP数字 信号处理器进行数字滤波和有效值计算，真实地反映了充电装置的输出特性。2. 完全符合GB/T19826-2005规程规范的稳流精度、稳压精度和纹波系数 的测试方法和计算公式即被测充电装置的每个整定值都进行全范围不少于12 个测量点的全自动测试、记录、计算和判断，并自动生成测试报告。测量数据 除可直接打印报告、数据查询外，还能直接用EXCEL格式给未安装本系统的用 户发送数据。3. 高压程控负载采用移相控制全桥变换脉宽调制技术达到程控电阻负载 全范围无缝调节，使程控电阻负载实现0 300V， 0 30A的全范围连续可变， 具有效率高、体积小、重量轻的特点。配有可扩充固定电阻负载，实现0 50A 的全范围连续测试。从而实现符合规程规范的稳流精度、稳压精度、纹波系数、 效率测试和限流试验、限压试验。4. 采用60MHz采样频率的虚拟示波器，在20MHz带宽下，按同轴电缆和匹配阻抗的测试法进行纹波现场测试，更能直观显示测试效果。5. 通过RS232接口与充电装置通讯，利用充电装置的程控AT命令，实现充电装置的参数设置的程控操作。6. 系统还可同时作为蓄电池组的容量核定性试验(容量测试)的智能负载， 自动完成蓄电池组的放电试验。7. 计算机全自动控制测试、调压、调负载、计算、判断，并生成测试报告。测量 数据除可直接打印报告、数据查询外，还能直接用EXCEL格式给未安装本系统的用户 发送数据。8. 电气参数测控仪，程控电阻负载，虚拟示波器组成一体化设备，体积 �。亓壳幔褂贸绦蚧奖憧煽浚藜虻�。
图1是本自动测试系统总体结构方框图。图2是测控仪、程控电阻负载一体化的结构原理示意图。图中，CPLD是可 编程控制器，CPU是单片计算机，LCD是液晶显示器，EEPR0M是铁电存储器，CLOCK是时钟，RS232, RS485， USB均为通信接口。 图3是直流电压、直流电流测量电路图。 图4是直流电压0-5V输出的输出电路图。 图5是CPU ，存储，USB接口原理图。 图6是虚拟示波器纹波测试接线图。 图7是程控负载控制器电路原理图。 图8是负载控制芯片UC3875的结构图。 图9是将本测试系统用于蓄电池组容量测试时的连接图。
具体实施方式
附图给出了本实用新型的具体实施例。本测试系统用于电力工程中被测充电装置的直流电源设备的核心技术参数的自 动测试。包括稳流精度、稳压精度、纹波系数等参数测试、蓄电池组的容量核定 性试验等。参见图1。本测试系统通过RS232接口与充电装置通信，利用充电装置的 程控AT命令，实现充电装置的参数设置的程控操作。能够对充电装置的稳流、 稳压精度和纹波系数，以及限流、限压等特性参数进行自动测量，生成测试报 告。主要针对运行的电站直流电源进行现场测试，验证充电装置的上述特性有 无发生变化。系统由电器参数测控仪，程控电阻负载、程控调压器、计算机、 虛拟示波器构成。电器参数测控仪、程控电阻负载和虚拟示波器组成一体化设 备，这是测试系统的核心。程控调压器提供交流输出对充电装置提供交流输入。釆用三相四线制，电压 380V/220V，且在+ 15% 一10%间变化。采用程控电动调压装置，输入端有过 流保护等保护。调压装置的功率》13kVA .绝缘耐受电压2kV/lmin。多功能 表为网络电力仪表，它能高精度的测量所有常用的电力参数，如三相电压、三相电流、 有功功率、无功功率、频率、功率因数、四象限电能等；RS485的数字接口可实现 仪表组网通讯功能；采用可视度高的LED来显示仪表测量参数和电网系统的运行信 息，仪表面板带有四个编程按键，用户可现场方便的实现显示切换、仪表参数编程设 置，具有很强的灵活性。参见图7、图8。程控电阻负载是由负载控制器和真空电阻管构成的电力工程 高压电阻负载，负载控制器是移相控制全桥型零电压开关-脉冲调制变换电路，负载 控制器是负载的技术核心，采用美国的全桥开关相位移动控制芯片UC3875 。负载控制器上连接的真空管采用合金丝制成的真空电阻管作负载电阻，而不是TPC—正 温度系数热敏电阻，具有伏安特性稳定、安全、长寿命的特点。采用移相控制电路实现的高压电阻负载具有非常重要的意义。传统的全桥变换电 路开关元件在电压很高或电流很大的条件下，在门极的控制下开通或关断，开关过程 中电压、电流均不为零，出现重叠，导致了开关损耗。开关损耗随开关频率增加而急 剧上升，使电路效率下降，阻碍了开关频率的提高。在移相控制技术的基础上，利用 功率管的输出电容和输出变压器的漏电感作为谐振元件，使全桥变换器四个开关管依次在零电压下导通，实现恒频软开关。由于减少了开关过程损耗，变换效率可达 80%-90%，并且不会发生开关应力过大。所以选用移相控制全桥型零电压开关脉宽调 制(PSCFBZVS-PWM)变换电路。当UC3875的EA+上电压在DC0 5V线性变化时， 改变脉宽调制器的占空比，开关电源输出就从DC0 200V变化，由于负载电阻 30Q固定，输出电流就在0-7A变化，调节细度达到了O. 1%。参见附图2。本系统中测控仪，程控电阻负载组成一体化装置的结构图。图 中，DL1是断路器，DL2是直流继电器组，Rl是真空电阻管组成的电阻组合， Rl由RA=30 Q , RB=30 Q , RC=30 Q , RD=30 Q , RE=30 Q , RF=34 Q ， RG=75 Q ， RH=140 Q,R^270Q系列电阻并联而成。通过继电器组DL2控制改变Rl系列电阻并联 组合改变电阻值。R2:为一固定真空电阻，本例采用R2=30Q。通过改变R2 端电压来改变功率。通过上述Rl， R2电阻的组合，实现了电流0-50A连续调 节。CPLD可编程控制器对负载控制和数字信号处理进行信息交换并与CPU单片 计算机进行数据交换。这样电气参数测量仪、程控负载、计算机、可编程控制 器和北侧充电设备之间构成了闭环控制环路，由计算机全程控制测试过程。参见图3。在直流电压电流测量中采用了直流电压隔离、直流电流隔离电 路。U9， U2为运放op-07; U14为AD202JY; Ul为CSM050CG; U15为CS5460A。电压隔离电路为了保证测试系统的安全可靠，直流电压经电阻分压后， 通过电压隔离放大器U14 (AD202JY)与CPU隔离。该放大器的线性度〈0. 05%。电流隔离电路为了保证测试系统的安全可靠，保证测量的线性度，采用 了霍尔电流传感器U1，该传感器绝缘强度高，能进行交、直流电流的测量。线性度〈0.2%;量程土0 50A。A/D转换，DSP系统用CS5460A控制芯片实现直流电流、直流电压测量， CPU通过SPI总线读取数据，测量线性度〈0. 1%。参见附图4。 0-5V直流电压输出用于控制电阻负载的连续变化。设计使用数字-模拟(D/A) AD7542变换电路，分辨率〈0. 1%，输出电压经隔离放大器U6-l 控制负载控制器。本例U6-1为AD202JY; U5， U7-1 ， U17为运放0P-07; U16 为LM399; U18为AD7542。参见图5。 CPU ,存储，USB接口原理。本例的CPU是UIO，它是测控仪 的控制核心，采用型号为78E516的单片机，CPLD可编程逻辑控制器，产生数 据总线，地址总线，控制总线，实现LCD显示，键盘、USB接口，存储的数据 传输等功能，型号为XC95144, U7: USB接口芯片，型号为CH375A ， U12: 存储器，型号为62512图6是虚拟示波器纹波测试接线图。采用60 MHz采样频率，20 MHz带宽 的虚拟示波器，按同轴电缆和匹配阻抗的测试法进行纹波测试。时钟与数据存储器中，时钟采用FM31256芯片，该芯片具有以下功能具 有512Hz的方波，用于时钟误差的数字微调，调节细度5PPM;铁电存储器具 有256kB，读写次数千万次以上，用于存储校准系数数据。本自动测试系统还具有输入输出控制；温度测量；设备的测量参数准确度 的校准功能。输入输出控制具有TTL电平的8路隔离输出，8路输入，实现程控电阻负 载，风机的控制。设备的测量参数的准确度的校准。为了保证该系统的所有测试准确度的定期 校准的方便，设计时考虑了标准校准信号加入的方便性，可靠性。对直流电压， 电流输入分别接入接线端，方便了校准，同时减小了稳压精度测量误差。直流电 流，校准时，断开内部电阻，短接扩充固定电阻负载箱的输出端，保证了测量回 路电阻最小。除了对被测充电装置进行测试外，本测试系统还可用于蓄电池组容量的试验系 统，用蓄电池巡检仪与电气参数测控仪连接后对被测蓄电池组进行容量实验。连接方 式参见图7。在蓄电池容量的试验中，需要测量温度。在电气参数测控仪上加装温度 传感器进行温度测量。采用的是数字温度传感器DSB18B20，测量的准确度0.5°C。本系统可以完成直流电压，电流，交流电压，纹波测量，可调负载控制，交 流调压控制，实现稳流精度、稳压精度，限流试验，限压试验，效率试验，蓄电 池的核容和活化等功能的现场测试。自动测试系统的指标可达到1、提供充电装置输入的交流输出a.三相四线制，电压380V/220V，且在+ 15%--10%间变化。b. 采用程控电动调压装置，输入端有过流保护等保护。c. 调压装置的功率》13kVA。d. 绝缘耐受电压2kV/lmin。2、 程控直流电阻负载a. 在充电装置输出直流电流20% 100%In (In=30A)间的某恒定电流时，程 控直流负载的直流电压能在90% 130%Un范围内变化(2V最高为125%Un)。b. 在充电装置输出90% 130%Un间的某恒定电压时(2V最高为125%Un)， 直流负载的直流电流能在0 100%范围内变化。c. 测量完成某点后，程控直流负载应能自动调整到DC 220 V电压状态下， 以便进行充电装置的整定。d. 直流负载的功率》12000 W。e. 满容量(即电压230 V电流50 A)连续工作时间不小于12 h。f. 直流负载纹波干扰量《0. 1% (但不能吸收充电装置的纹波干扰量)。g. 具备多组并联扩大电流的功能；h.绝缘耐受电压2kV/lmin。3、 充电装置特性测量误差及量程a. 直流电流测量准确度〈0.2%;量程为士0 50 A。b. 直流电压及纹波测量电压测量准确度〈0. 1%，量程为士0 300 V。纹波测量准 确度〈3% 。量程为士0 20V。c. 交流电压测量准确度〈1%;量程为0 260V。d. 交流功率测量准确度<0.5%;量程为0 500V， 0~20A。e. 效率测试准确度〈l呢f. 温度测量选用数字温度传感器。测量的准确度0.5'C，量程-10 85'C。g. 时间测量ls/day，具有时钟误差的数字微调功能，调节细度5PPM。
权利要求1、一种电力工程直流电源设备核心技术参数自动测试系统，测试系统含程控调压器、计算机、虚拟示波器、电气参数测控仪和程控电阻负载，其特征在于电气参数测控仪、程控电阻负载和虚拟示波器组成一体化设备；程控调压器与电气参数测控仪之间，电气参数测控仪与被测充电装置、计算机之间分别通过通信接口连接，程控电阻负载与电气参数测控仪通过I/O和0-5V端口连接，程控调压器对被测充电装置提供电压，被测充电装置的输出电压分别加在程控电阻负载和电气参数测控仪上，虚拟示波器与计算机连接；所述电气参数测控仪包括信号隔离、调理、A/D转换、DSP数字信号处理系统、可编程控制器CPLD、负载I/O控制、0-5V输出、CPU单片机、LCD键盘、铁电存储器、CPLD、RS232、USB通信接口、温度测量和时钟几部分。
2、 如权利要求l所述的自动测试系统，其特征在于所述电气参数测控 仪通过信号隔离、调理、A/D转换、DSP数字信号处理系统实现直流电压、直 流电流的测定，在测量电路中，采用了电压隔离放大器AD202JY与CPU隔离， 采用了霍尔电流传感器作电流隔离电路，A/D、数字处理器实现直流电压、直 流电流的测量，采用的数字处理芯片是CS5460A， CPU通过SPI总线读取测量 数据。
3、 如权利要求l所述的自动测试系统，其特征在于所述程控电阻负载 是由负载控制器和真空电阻管构成的电力工程高压电阻负载，负载控制器是移相控 制全桥型零电压开关-脉冲调制变换电路和继电器组控制电路，在负载控制器上分 别连接两组真空电阻， 一组为固定真空电阻R2，另一组为继电器组DL2控制的真 空电阻组合Rl,直流电压加在两组电阻上；采用的全桥开关相位移动控制芯片是 UC3875，当UC3875的EA+上电压在DC0 5V线性变化时，改变脉宽调制器的占 空比，开关电源输出就从DC0 200V变化。
4、 如权利要求l所述的自动测试系统，其特征在于所述负载控制的0-5V 电压是采用数字/模拟变换电路，输出电压经电压隔离放大器后输出到负载控 制器。
5、如权利要求1所述的自动测试系统，其特征在于所述程控调压器是 为被测充电装置提供交流电压的调压器，在程控调压器上安装有多功能表，多功能表是网络电力仪表，通过RS485数字接口实现仪表组网通讯功能，釆用可视 度高的LED来显示仪表测量参数和电网系统的运行信息;所述虚拟示波器是60 MHz 采样频率，20MHz带宽的虚拟示波器，按同轴电缆和匹配阻抗的测试法进行 纹波现场测试。
6、 如权利要求1所述的自动测试系统，其特征在于所述可编程控制器 是逻辑控制器，采用型号XC95144的芯片，CPU单片机是78E516;所述时钟是 FM31256芯片，所述铁电存储器是256kB。
7、 如权利要求l或所述的自动测试系统，其特征在于所述电气参数测 控仪上还带有温度传感器，采用数字式温度传感器DSB18B20。
专利摘要本新型涉及电力工程的检测自动化装置。由程控调压器、计算机、虚拟示波器、电气参数测控仪和程控电阻负载组成。电气参数测控仪、程控电阻负载和虚拟示波器组成一体化设备。电路采用电压隔离放大器与CPU隔离，采用霍尔电流传感器作电流隔离电路。通过A/D转换，数字处理器实现直流电压、直流电流的测量，程控电阻负载包括负载控制器和电阻。负载控制器采用UC3875控制芯片，控制电阻负载的连续变化，计算机全程控制自动完成试验。完成直流充电电源设备核心技术参数稳流精度、稳压精度，限流试验，限压试验，效率试验等现场测试；可作为蓄电池组容量测试的智能负载，自动完成蓄电池组的放电试验。系统结构合理、测试数据可靠，体积小，适用于各种场合。
文档编号G01R31/36GK201173965SQ20082006182
公开日2008年12月31日 申请日期2008年9月1日 优先权日2008年9月1日
发明者丁丹一, 平 刘, 曹永兴, 晶 李, 灿 胡, 陈贤顺 申请人:四川电力试验研究院
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