PCS-912繼電保護(hù)專用收發(fā)信機(jī)工作原理和工程調(diào)試

PCS-912繼電保護(hù)專用收發(fā)信機(jī)工作原理和工程調(diào)試報(bào)告人：朱繼紅2009年2月2/4/20231報(bào)告內(nèi)容立項(xiàng)背景裝置的關(guān)鍵技術(shù)功能比較試驗(yàn)工程調(diào)試總結(jié)2/4/20232立項(xiàng)背景

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，整個(gè)電力系統(tǒng)也進(jìn)行了大幅度的升級(jí)和改造。收發(fā)信機(jī)作為高頻保護(hù)中的重要裝置，也面臨著迫切的更新?lián)Q代要求。這是因?yàn)殡S著時(shí)間推移，半導(dǎo)體技術(shù)和信息技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)收發(fā)信機(jī)的一些弊端也逐漸顯露出來(lái)，已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2/4/20233立項(xiàng)背景（1）缺乏事故分析功能

保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)，用戶往往需要分析造成事故的原因是由于通道、收發(fā)信機(jī)、還是其它因素。傳統(tǒng)收發(fā)信機(jī)不具有通道詳細(xì)錄波和開關(guān)變位錄波功能，也不具有事件報(bào)文記錄功能，當(dāng)裝置出現(xiàn)異常的時(shí)候不能記錄下來(lái)相關(guān)信息，為事后故障分析增加了難度，擁有記錄功能的收發(fā)信機(jī)也是收發(fā)信機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。

2/4/20234立項(xiàng)背景（2）抗雷電浪涌電流破壞的性能需要進(jìn)一步加強(qiáng)

收發(fā)信機(jī)由于直接和一次通道相連，工作條件相對(duì)惡劣，比較容易受到雷擊和干擾的影響，各個(gè)廠家每年都有由于雷擊造成的收發(fā)信機(jī)損壞，造成保護(hù)誤動(dòng)的事故也時(shí)有發(fā)生。因此，提高收發(fā)信機(jī)抗雷擊和抗干擾能力的需求非常迫切。2/4/20235立項(xiàng)背景（3）模擬式收發(fā)信機(jī)不便于生產(chǎn)和調(diào)試

模擬方式的收發(fā)信機(jī)集成度低，依賴于大量分立的模擬電路和少量數(shù)字電路，其電路構(gòu)成比較復(fù)雜，加上阻容器件存在一致性的問題，所以裝置在生產(chǎn)和維護(hù)過程中需要進(jìn)行大量調(diào)試或者調(diào)整，加重了生產(chǎn)、運(yùn)行和維護(hù)人員的工作量；依賴于模擬電路的設(shè)計(jì)模式也導(dǎo)致了裝置成本昂貴，升級(jí)困難等問題，所以需要采用數(shù)字式收發(fā)信機(jī)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬式收發(fā)信機(jī)。2/4/20236立項(xiàng)背景（4）傳統(tǒng)收發(fā)信機(jī)頻率合成復(fù)雜

傳統(tǒng)收發(fā)信機(jī)中使用鎖相環(huán)頻率合成和加權(quán)式正弦信號(hào)合成的方法產(chǎn)生正弦信號(hào),這種方法電路復(fù)雜成本較高，鎖相環(huán)的穩(wěn)定性不易保證，頻率調(diào)整不方便。 隨著高精度高頻率低價(jià)格直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)的出現(xiàn)，使得從很低的頻率到上百兆的正弦波信號(hào)在一個(gè)芯片中就可以直接輸出。DDS技術(shù)以其優(yōu)良的性能可以產(chǎn)生高精度正弦波，使傳統(tǒng)收發(fā)信機(jī)中使用的加權(quán)式正弦信號(hào)合成的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和價(jià)格優(yōu)勢(shì)都不再存在。

2/4/20237立項(xiàng)背景（5）操作的方便性不能滿足用戶需求

隨著變電站自動(dòng)化、微機(jī)保護(hù)的持續(xù)應(yīng)用和發(fā)展，追求人性化、操作方便快捷已成為變電站二次設(shè)備發(fā)展的必然趨勢(shì)。 能夠方便地看到裝置內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)和狀態(tài)信息將能給用戶的運(yùn)行和維護(hù)帶來(lái)很大方便，傳統(tǒng)收發(fā)信機(jī)已經(jīng)不再能夠滿足這些要求。2/4/20238報(bào)告內(nèi)容立項(xiàng)背景裝置的關(guān)鍵技術(shù)功能比較試驗(yàn)工程調(diào)試總結(jié)2/4/20239工作原理收發(fā)信機(jī)工作原理阻止收發(fā)信機(jī)信號(hào)，讓工頻信號(hào)通過阻止工頻信號(hào)，同時(shí)讓收發(fā)信機(jī)信號(hào)通過干擾，雷電流2/4/202310工作原理裝置原理框圖2/4/202311工作原理CPU板工作原理完成監(jiān)測(cè)，控制，人機(jī)界面，通信處理獨(dú)立于DSP，完成收發(fā)信機(jī)邏輯控制2/4/202312工作原理收信回路

收信檢測(cè)采用了外差向上頻譜搬移解調(diào)方式。提供收信防衛(wèi)度的關(guān)鍵2/4/202313工作原理收信原理

設(shè)通道信號(hào)頻率為fx，本地參考頻率信號(hào)為fy=1MHz-fset，兩個(gè)信號(hào)混頻后有：

如果fx=fset，則fx+fy=1Mhz，因此混頻后的信號(hào)將包含有頻率為1Mhz的信號(hào)分量。

優(yōu)點(diǎn)：可以使用一個(gè)中心頻率為1Mhz窄帶濾波器完成不同頻率信號(hào)的解調(diào)工作，簡(jiǎn)化了濾波器的設(shè)計(jì)。2/4/202314工作原理收信原理

混頻信號(hào)通過中心頻率為１ＭＨz的窄帶濾波器后，低頻項(xiàng)被濾除，有：將濾波后的信號(hào)進(jìn)行峰值提取得到Vp，則輸入信號(hào)幅值2/4/202315工作原理收信插件2/4/202316工作原理發(fā)信回路

有的廠家的做法是使用DSP來(lái)控制DDS達(dá)到發(fā)信和停信的目的，一旦DSP出現(xiàn)異常，則裝置完全癱瘓。我們則使用獨(dú)立于DSP的FPGA來(lái)控制。Good!!2/4/202317工作原理DDS頻率合成的原理

直接數(shù)字頻率合成（DDS）是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種新的頻率合成方法。它應(yīng)用了正弦信號(hào)相位連續(xù)的特性。 首先將一個(gè)正弦信號(hào)取樣、量化和編碼，形成一個(gè)正弦函數(shù)表存在ROM中。合成時(shí)改變相位增量，由于相位增量不同，一個(gè)周期內(nèi)取樣的點(diǎn)數(shù)也不同，產(chǎn)生的正弦信號(hào)頻率也就不同。

2/4/202318工作原理DDS頻率合成的原理

設(shè)每隔一個(gè)時(shí)鐘周期ΔT，輸出相位變化為ΔФ，則有

ΔФ=ω·ΔT=2πf·ΔT

則有f=ΔФ/(2π·ΔT)，因此通過設(shè)定每個(gè)時(shí)鐘周期的相位增量就可以得到不同頻率的正弦波信號(hào)2/4/202319工作原理頻率合成原理DDS內(nèi)部結(jié)構(gòu)頻率控制只需修改此寄存器2/4/202320工作原理DDS諧波分析

由于收發(fā)信機(jī)對(duì)二、三次諧波的要求很高，小于-66dB,所以對(duì)信號(hào)源的要求也非常高。-63-66對(duì)于同一個(gè)Ｄ／Ａ，量化噪聲是一定的量化噪聲被展寬信噪比提高2/4/202321工作原理功放原理

功放的分類

2/4/202322工作原理功放原理A類的線性度良好，但功耗較大，不常見于功率放大，大多使用于小信號(hào)放大器。B類的集極電流只流通半周期，會(huì)產(chǎn)生波形失真。由于效率較高，在含有經(jīng)過調(diào)制的高頻信號(hào)的信號(hào)放大場(chǎng)合，常使用到此類的放大電路。C類的集極電流流通時(shí)間比半周期還短，因此失真更大，不要求線性的場(chǎng)合可以使用此類放大。AB類為介于A類與B類中間，兼顧了線性度和功耗，集電極電流的流通此半周期長(zhǎng)一些，故意將工作點(diǎn)提高一點(diǎn)，主要是為了減少失真。

2/4/202323工作原理功放原理放大級(jí)采用了AB類變壓器耦合的輸出方式變壓器耦合上半周放大下半周放大引入負(fù)反饋，使功放更加穩(wěn)定2/4/202324工作原理功放插件2/4/202325工作原理線路濾波器原理

濾波器主要提供發(fā)信諧波抑制，線路阻抗匹配和同相并機(jī)的隔離能力。

我們采用了“電容耦合諧振式帶通濾波器”的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方式比較適合于設(shè)計(jì)Q值較高的窄帶濾波器。2/4/202326工作原理線路濾波器原理

其中K12和K23為耦合系數(shù)2/4/202327工作原理線路濾波器原理

由于耦合系數(shù)不能直接成為耦合元件來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器，所以需要將耦合系數(shù)換為耦合電容，所以諧振器變?yōu)椋褐C振頻率點(diǎn)選取和阻抗匹配都是通過修改L和C的值來(lái)完成。2/4/202328工作原理線路濾波器插件2/4/202329關(guān)鍵技術(shù)功率估計(jì)功能

功率估計(jì)功能是在信號(hào)解調(diào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，1MHz的信號(hào)經(jīng)過精密整流和峰值提取后送往DSP中進(jìn)行信號(hào)補(bǔ)償，然后實(shí)現(xiàn)功率估計(jì)。2/4/202330關(guān)鍵技術(shù)功率估計(jì)功能

功率估計(jì)實(shí)現(xiàn)原理圖

2/4/202331關(guān)鍵技術(shù)頻率估計(jì)功能

頻率估計(jì)采用了分頻測(cè)量的方法進(jìn)行。原理思想是將頻率為X(KHz)的正弦波整形得到一個(gè)同頻率方波信號(hào)，而后經(jīng)過分頻器產(chǎn)生低頻率的方波，然后對(duì)其進(jìn)行精確時(shí)間測(cè)量，通過測(cè)量低頻率方波周期得到的時(shí)間和分頻器分頻的倍數(shù)還原正弦波頻率。 這種方法的特點(diǎn)是速度快，精度高。

2/4/202332關(guān)鍵技術(shù)頻率估計(jì)功能

在正弦波整形過程中，由于噪聲引起的整形抖動(dòng)往往使頻率估計(jì)不準(zhǔn)，我們采取了遲滯比較的方法來(lái)解決這個(gè)問題。2/4/202333關(guān)鍵技術(shù)頻率估計(jì)功能

在進(jìn)行低頻率方波測(cè)量的過程中，由圖看出引入的測(cè)量誤差是△t，其最大值近似為T。T越小，測(cè)量的精度越高。我們采用主頻為400MHz的計(jì)數(shù)器對(duì)方波進(jìn)行測(cè)量，得到了很好的精度。500KHz的信號(hào)估計(jì)誤差小于4Hz。2/4/202334關(guān)鍵技術(shù)智能通道交換試驗(yàn)判斷

標(biāo)準(zhǔn)的通道交換試驗(yàn)時(shí)序圖如下2/4/202335關(guān)鍵技術(shù)智能通道交換試驗(yàn)判斷

DSP在進(jìn)行實(shí)時(shí)功率估計(jì)監(jiān)測(cè)信道功率的同時(shí)，采樣收信和發(fā)信開關(guān)變量，并和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序圖做比較。如果一致則判通道交換試驗(yàn)成功，否則判失敗，判斷完成后在液晶上顯示判決結(jié)果及相關(guān)波形。2/4/202336關(guān)鍵技術(shù)智能通道交換試驗(yàn)判斷2/4/202337關(guān)鍵技術(shù)目前正在申請(qǐng)的專利有：1）CN2007200400902 “實(shí)用新型” 申請(qǐng)內(nèi)容：智能通道試驗(yàn)判斷裝置2）CN200710025357.5“發(fā)明專利” 申請(qǐng)內(nèi)容：收發(fā)信機(jī)裝置頻率測(cè)量方法3）CN200710025358x “發(fā)明專利” 申請(qǐng)內(nèi)容：收發(fā)信機(jī)裝置功率測(cè)量方法2/4/202338裝置特點(diǎn)

PCS-912型數(shù)字式收發(fā)信機(jī)是南瑞繼保電氣有限公司新一代的收發(fā)信機(jī)，它吸收了LFX-912和國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，使用了最新的產(chǎn)品工藝和設(shè)計(jì)思想。主要特點(diǎn)有：數(shù)字化智能化友好的操作方式完整事件記錄功能完善的自檢監(jiān)測(cè)功能突出的穩(wěn)定設(shè)計(jì)思想良好的接口設(shè)計(jì)增強(qiáng)的電磁兼容性能2/4/202339裝置特點(diǎn)數(shù)字化智能化(1)裝置采用了DSP+FPGA的架構(gòu),保證了裝置在數(shù)據(jù)處理上的實(shí)時(shí)性。頻率產(chǎn)生采用了直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是可以輸出高精度的載波頻率信號(hào)，并且頻率可以通過軟件任意調(diào)整。2/4/202340裝置特點(diǎn)數(shù)字化智能化(2)由于采用數(shù)字電路，簡(jiǎn)化了模擬電路，延時(shí)和閾值準(zhǔn)確，便于生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。由于具有CPU，裝置具有靈活的控制功能、完善的自檢功能和事件記錄功能。裝置能夠自動(dòng)識(shí)別通道交換試驗(yàn)的結(jié)果，改變了人工判斷的傳統(tǒng)方法。2/4/202341裝置特點(diǎn)友好操作方式用戶和工程調(diào)試人員可以直接使用鍵盤完成發(fā)信頻率整定、3dB告警電平整定和遠(yuǎn)方起動(dòng)邏輯投入、通道試驗(yàn)等。通過人機(jī)界面可以監(jiān)視裝置內(nèi)部各個(gè)參數(shù)，通過狀態(tài)查詢查看裝置的各項(xiàng)功能是否正常，加上完整的報(bào)告機(jī)制，這一切使得裝置調(diào)試簡(jiǎn)單，維護(hù)使用方便，性能可靠。2/4/202342裝置特點(diǎn)完整事件記錄功能可以存儲(chǔ)64次動(dòng)作報(bào)文，每次報(bào)文帶有超長(zhǎng)時(shí)間的通道錄波（18秒）。256次變位報(bào)文。256次自檢報(bào)文。

為現(xiàn)場(chǎng)人員提供第一手資料，便于故障分析。記錄報(bào)告掉電不丟失。2/4/202343裝置特點(diǎn)完善的自檢監(jiān)測(cè)功能內(nèi)部具有高精度的頻率估計(jì)功能，隨時(shí)監(jiān)視發(fā)信頻率和載波頻率，異常情況下能及時(shí)恢復(fù)頻率,保證了裝置可靠工作。內(nèi)部具有完善的收信和發(fā)信功率估計(jì)功能，并且收發(fā)功率低于閾值時(shí)，會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生事件記錄。功率放大器放大回路檢測(cè)收信回路檢測(cè)這些功能既能有效地監(jiān)視裝置的工作，又能方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。裝置可以將這些信息存儲(chǔ)，便于事后故障分析。2/4/202344裝置特點(diǎn)突出的穩(wěn)定設(shè)計(jì)思想

由于采用了模塊化設(shè)計(jì)的思想,DSP和FPGA在運(yùn)行中分擔(dān)不同的任務(wù)。當(dāng)特殊情況下，DSP故障沒有辦法工作時(shí)，裝置收發(fā)信回路不受任何影響依然正常工作，這樣收發(fā)信機(jī)發(fā)送的高頻閉鎖信號(hào)就不會(huì)丟失，最大限度地防止了保護(hù)誤動(dòng)。2/4/202345裝置特點(diǎn)良好的接口設(shè)計(jì)裝置可以通過調(diào)試口進(jìn)行數(shù)據(jù)查看,波形下載和現(xiàn)場(chǎng)程序升級(jí)等。裝置支持本地打印，GPS對(duì)時(shí)等功能。需要的情況下可以對(duì)外使用CAN和RS-485接口進(jìn)行通信。接口板可以根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)DC24V，DC110V，DC220V開入。2/4/202346裝置特點(diǎn)增強(qiáng)的電磁兼容性能(1)裝置采用背插式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)弱電空間分離，盡可能避免了輸入輸出信號(hào)對(duì)內(nèi)部插件的干擾。快速瞬變干擾試驗(yàn)IV級(jí)靜電放電試驗(yàn)IV級(jí)脈沖群干擾試驗(yàn)III級(jí)傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)III級(jí)裝置電源浪涌（沖擊）抗擾度IV級(jí)高頻通道口浪涌（沖擊）抗擾度IV級(jí)2/4/202347裝置特點(diǎn)增強(qiáng)的電磁兼容性能(2)

考慮到收發(fā)信機(jī)直接和一次設(shè)備相連，易于遭受雷擊而損壞，我公司對(duì)PCS-912高頻通道輸入進(jìn)行了更為嚴(yán)酷的大雷電流試驗(yàn)，在雷電流達(dá)到15000安培時(shí)，裝置依然正常運(yùn)行，試驗(yàn)過程中無(wú)死機(jī)和復(fù)位現(xiàn)象。 這一特性為惡劣天氣下收發(fā)信機(jī)正常運(yùn)行提供了保障。2/4/202348報(bào)告內(nèi)容立項(xiàng)背景裝置的關(guān)鍵技術(shù)功能比較試驗(yàn)工程調(diào)試總結(jié)2/4/202349功能比較

功能型號(hào)/廠家智能通道試驗(yàn)判斷頻率估計(jì)功能功率估計(jì)功能頻率恢復(fù)功能PCS-912南瑞繼保有有有有GSF-9宏圖高科

無(wú)無(wú)有無(wú)PSF-630國(guó)電南自

無(wú)無(wú)有無(wú)SF-960許繼昌南通信

無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)2/4/202350功能比較

功能型號(hào)/廠家DSP和FPGA分離式穩(wěn)定設(shè)計(jì)超長(zhǎng)時(shí)間通道錄波功能（18秒）事件記錄功能GPS對(duì)時(shí)功能PCS-912南瑞繼保有有有(全)有GSF-9宏圖高科

無(wú)有,時(shí)間短120ms有無(wú)PSF-630國(guó)電南自

無(wú)無(wú)有無(wú)SF-960許繼昌南通信

無(wú)無(wú)有有2/4/202351功能比較

功能型號(hào)/廠家DDS技術(shù)波形圖形化顯示功能本地打印功能PCS-912南瑞繼保有有有GSF-9宏圖高科

有無(wú)無(wú)PSF-630國(guó)電南自

無(wú)無(wú)無(wú)SF-960許繼昌南通信

有無(wú)無(wú)2/4/202352功能比較外觀對(duì)比PCS-912/南瑞繼保GSF-9/宏圖高科PSF-630/國(guó)電南自SF-960/許繼昌南通信

2/4/202353報(bào)告內(nèi)容立項(xiàng)背景裝置的關(guān)鍵技術(shù)功能比較試驗(yàn)工程調(diào)試總結(jié)2/4/202354試驗(yàn)試驗(yàn)情況PCS-912通過了1）國(guó)家電網(wǎng)公司自動(dòng)化設(shè)備電磁兼容實(shí)驗(yàn)室的委托型式檢驗(yàn)2）電力工業(yè)通信設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心的委托型式檢驗(yàn)3）國(guó)內(nèi)著名防雷器廠家上海深凱電子有限公司

大雷電流試驗(yàn)2/4/202355試驗(yàn)2/4/202356報(bào)告內(nèi)容立項(xiàng)背景裝置的關(guān)鍵技術(shù)功能比較試驗(yàn)工程調(diào)試總結(jié)2/4/202357工程調(diào)試主要的調(diào)試內(nèi)容定值整定收信起動(dòng)電平發(fā)信功率通道交換試驗(yàn)2/4/202358工程調(diào)試定值序號(hào)

定值名稱

定值范圍

１發(fā)信頻率42~400(KHz)２3dB告警電平0.00~31.00(dBv)３3dB跌落電平3~6(dBv)４通道衰減損耗0,3,6,10,14(dB)５遠(yuǎn)方起動(dòng)投入0,1６打印口校驗(yàn)方式0(無(wú)),1(偶),2(奇)７打印口波特率4800,9600,19200,38400,576002/4/202359工程調(diào)試3dB告警的產(chǎn)生方法

設(shè)定值3dB告警電平為X，3dB跌落電平為Y，而通道收信電平為Z，則當(dāng)Z<X-Y時(shí)，3dB告警產(chǎn)生。2/4/202360工程調(diào)試通道衰減損耗

通道衰減損耗決定了裝置起動(dòng)電平．所以當(dāng)收信板上有衰耗投入時(shí)，務(wù)必要整定定值中的通道衰減損耗

值和實(shí)際投入的值一致．2/4/202361工程調(diào)試通道衰減損耗和收信起動(dòng)電平關(guān)系

跳線衰減數(shù)(dB)／起動(dòng)電平（dBv）Ｊ１３／－２Ｊ２６／１Ｊ３１０／５Ｊ４１４／９Ｊ５０／－５2/4/202362工程調(diào)試通道衰減損耗和裕度燈關(guān)系2/4/202363工程調(diào)試通道衰減損耗和噪聲容限關(guān)系

通常情況下，在現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)裝置的時(shí)候，收信裕度最好維持在１２～１５dB之間．達(dá)到這個(gè)目的往往是通過投入通道衰減損耗來(lái)完成的． 隨著通道衰減損耗的增加，收信起動(dòng)電平也逐漸變高．2/4/202364工程調(diào)試通道衰減損耗和噪聲容限關(guān)系2/4/202365工程調(diào)試遠(yuǎn)方起動(dòng)投入

１： 收發(fā)信機(jī)內(nèi)部遠(yuǎn)方起動(dòng)邏輯投入使 用。 ０： 收發(fā)信機(jī)內(nèi)部遠(yuǎn)方起動(dòng)邏輯被屏 蔽。和900系列保護(hù)裝置配合使用 時(shí)，此定值必須整定為‘0’。

2/4/202366工程調(diào)試打印口校驗(yàn)方式

此校驗(yàn)方式為裝置和打印機(jī)通信的串口校驗(yàn)方式，可以整定為0（無(wú)校驗(yàn)）、1（偶校驗(yàn)）或2（奇校驗(yàn)），停止位為1位。2/4/202367工程調(diào)試打印口波特率 此波特率為裝置和打印機(jī)通信的串口波特率，可以整定為4800、9600、19200、38400或者57600bits/S。2/4/202368工程調(diào)試發(fā)信電平，起動(dòng)電平裕度燈檢測(cè)2/4/2