為滿足微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)的要求，開發(fā)了微機(jī)繼電保護(hù)電壓電流發(fā)生裝置。 該裝置由上、下位機(jī)構(gòu)成。 上位機(jī)利用 Visual C++ 開發(fā)上位機(jī)接口軟件，以EMTDC ／ PSCAD 為后臺，提供各種電力線路和變壓器模型的波形數(shù)據(jù)。 用戶不需要了解 PSCAD 的操作原理，只要通過接口軟件就可以觀察線路模型和變壓器模型的基本參數(shù)、各種控制方式、仿真時間、故障類型及故障位置等，并且只需通過串口程序?qū)⒉ㄐ螖?shù)據(jù)傳到下位機(jī)；下位機(jī)以低功耗控制器MSP430F149為控制芯片，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、模數(shù)轉(zhuǎn)換、故障時間的控制等，外圍 8 路數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片同時輸出三相電壓、電流和零序電壓、電流離散信號，離散波形通過低通濾波、功率線性放大，得到模擬電網(wǎng)二次側(cè)的電壓量和電流量。
1 硬件設(shè)計
下位機(jī)分為數(shù)字電路和模擬電路 2 個部分。 數(shù)字電路部分將上位機(jī)發(fā)送的波形數(shù)據(jù)存儲到存儲器中，配合 LCD 和按鍵將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量輸出；模擬電路將數(shù)字電路 DAC 輸出的階梯形波形通過低通濾波進(jìn)行平滑處理，接入功率放大電路線性放大。
1.1 數(shù)字電路部分
數(shù)字電路部分以 TI 公司的 MSP430F149 為控制芯片，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、存儲、DAC 輸出以及各種外圍器件的控制。 DAC 電路采用 1 片性能優(yōu)異的 8路串行 D ／ A 轉(zhuǎn)換器 MAX5307，配合 1 片電壓基準(zhǔn)芯片，由上位機(jī)通信下傳的離散數(shù)據(jù)通過 DAC 的 SPI串行口傳入 D ／ A 轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)三相電壓、電流以及零序電壓、電流 8 路同時輸出。 SRAM 采用 IDT（Integrated Device Technology）公司生產(chǎn)的 IDT71V256SA，其容量為 32 KByte，存儲 8 個通道 12 個周期的數(shù)據(jù)。 讀取數(shù)據(jù)時采用軟件校驗(yàn)，根據(jù)波形數(shù)據(jù)的特點(diǎn)看，數(shù)值范圍在 0x0000～0x1000 之間，如果出現(xiàn)個別數(shù)據(jù)讀取錯誤，可以根據(jù)相鄰 2 點(diǎn)的值進(jìn)
1.2 模擬電路部分
模擬電路包括有源二階低通濾波器和功率放大模塊。 功率放大模塊設(shè)計 4 塊電壓放大電路、4 塊電流放大電路，將 DAC 的 8 路輸出線性放大。 D ／ A 轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的模擬量是一種階梯形的離散數(shù)字點(diǎn)，本文采用二階有源低通濾波器可以有效地濾除波形中的高頻分量，使波形平滑。 濾波電容采用高精度的獨(dú)石電容，其具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：電容量大、體積小、可靠性高、電容量穩(wěn)定、絕緣性好且耐高溫，可以有效防止由于功放電路發(fā)熱而引起的電容漏電現(xiàn)象。 如圖 2
（a）所示，電壓放大電路采用三級乙類推挽放大，大功率精密電阻負(fù)反饋控制，第三級推挽電路加入限流電阻，對電路進(jìn)行短路保護(hù)。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電路可實(shí)現(xiàn) 0 ~ 100 V 線性輸出，誤差≤1 %。 如圖 2（b）所示，電流放大電路采用 MOSFET 對管推挽放大，大功率精密無感小電阻采樣，差分比較電路作為負(fù)反饋。對管與電路板分離，防止功率管發(fā)熱影響電路工作，4路電流功放電源采用分離式開關(guān)電源，隔離性好。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電路可實(shí)現(xiàn) 0～6 A 線性輸出，誤差≤1 %。
2 下位機(jī)軟件設(shè)計
微機(jī)繼電保護(hù)電壓電流發(fā)生裝置下位機(jī)軟件設(shè)計采用 IAR 公司的集成開發(fā)環(huán)境———IAR Em-beddedWorkbench 嵌 入 式 工 作 臺 以 及 調(diào) 試 器 C-SPY，采用C 語言編寫，基于模塊化思想，分為主程序、液晶顯示程序、存儲器讀寫程序、串口中斷程序、按鍵處理程序、定時中斷程序。 主函數(shù)開始關(guān)看門狗，初始化時鐘，初始化液晶程序，調(diào)用液晶顯示程序，在畫面上出現(xiàn)“歡迎使用電壓電流發(fā)生器”字樣，等待 5 s 后，出現(xiàn)選擇工作方式提示，若按下按鍵 S1，則進(jìn)入測試模式，目的是輸出下位機(jī)自行計算的正弦波，驗(yàn)證裝置的正確性。 此時程序直接進(jìn)入定時中斷程序，輸出工頻為 50 Hz 的電壓信號，每周期輸出 32 點(diǎn)數(shù)據(jù)，這樣定時器定時 0.625 ms，每 0.625 ms向 DAC 串行輸出 1 點(diǎn)數(shù)據(jù)，8 路同時輸出，即同時向 DAC 8 路寄存器各串行輸出 1 點(diǎn)數(shù)據(jù)。 若在菜單下選擇按鍵 S2，程序則轉(zhuǎn)到等待串口通信程序，此時通過上位機(jī)發(fā)送波形數(shù)據(jù)，下位機(jī)檢測到串口中斷，進(jìn)入串口中斷子程序，將上位機(jī)發(fā)來的 24 包，每包128 點(diǎn)的數(shù)據(jù)直接存儲到外部 SRAM 中，24 包數(shù)據(jù)接收完畢，向上位機(jī)發(fā)出結(jié)束信號，程序關(guān)閉串口中斷，進(jìn)入定時中斷程序，此時將輸出上位機(jī)發(fā)送過來的正常波形數(shù)據(jù)，代表線路模型或者元件模型正常運(yùn)行。 按下按鍵 S3，模擬線路模型或者元件模型發(fā)生故障，程序?qū)⑤敵錾衔粰C(jī)發(fā)送過來的故障波形數(shù)據(jù)。
3 上位機(jī)軟件設(shè)計
3．1 PSCAD ／ EMTDC 介紹
EMTDC 是目前世界上應(yīng)用*廣泛的電磁暫態(tài)仿真程序之一，既可以研究交直流電力系統(tǒng)問題，又可以完成電力電子及非線性控制的仿真。 PSCAD 是EMTDC 的前端圖形化操作界面，利用軟件提供的完整而**的元件模型庫，用戶通過簡單的操作即可
建立適用于不同系統(tǒng)的**模型。 利用 PSCAD 的友好界面，用戶能更方便地使用 EMTDC 進(jìn)行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)中復(fù)雜部分的可視化成為可能。
使用 PSCAD 時，用戶在 schematic 中構(gòu)建電路、運(yùn)行計算、分析結(jié)果，并在完全集成的圖形環(huán)境中管理數(shù)據(jù)，同時也具有在線繪圖、控制、測量等功能。 在仿真運(yùn)行時，用戶也可以任意改變系統(tǒng)參數(shù)，并直接觀察結(jié)果。
3．2 接口軟件原理介紹
除以上功能外，PSCAD ／ EMTDC 還可以將仿真結(jié)果以文本格式輸出，用戶通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到仿真系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)。 PSCAD ／ EMTDC
輸出的波形數(shù)據(jù)是以 .out 為后綴的文件格式保存在以 .emt 為后綴的文件夾中，這些文件的所有數(shù)據(jù)都以列形式保存，每個文件里有 11 個通道，第 1 列通道是 EMTDC 的仿真時間，其余通道的標(biāo)號保存在同名字下的 .inf 文件里，例如，對于 abc.out 文件中通道 3，在 abc.inf 里有：PGB（2） Output Desc = “V2a”，
Group= “Main”，Max = 2.0，Min = - 2.0，Units = “kV”，
這代表通道 3 的數(shù)據(jù)是斷路器 2 處的 A 相電壓，顯示范圍為 －2~2，單位為 kV。 信息文件中的輸出通道數(shù)和仿真模型中的輸出通道數(shù)相匹配，換言之，如果仿真模型中有 30 個輸出通道，在數(shù)據(jù)文件中也相應(yīng)有 30 個輸出通道，但一個單一的輸出文件只有 11個輸出通道，剩下的則按照順序存儲在多個輸出文件中。
利用 PSCAD 提供的這些功能，開發(fā)了微機(jī)保護(hù)電壓電流發(fā)生器的上位機(jī)接口軟件。 該軟件可以將實(shí)驗(yàn)管理員事先在 PSCAD 界面組建好的電力系統(tǒng)模型以列表的形式顯示出來，對于以掌握繼電保護(hù)原理為目的的學(xué)習(xí)者不需要去掌握 PSCAD 的操作原理，直接點(diǎn)擊自己想要的模型，然后運(yùn)行它生成輸出文件。 在接口軟件界面中可以直接觀察到數(shù)據(jù)波形，查看模擬系統(tǒng)的參數(shù)，這樣就相當(dāng)于通過接口軟件看到了一個真實(shí)的電力系統(tǒng)，也看到了一次側(cè)觀察點(diǎn)的電壓、電流動態(tài)變化特性。 以 RS - 232 為通信接口，將波形數(shù)據(jù)傳給下位機(jī)，下位機(jī)的硬件模擬電力系統(tǒng)二次設(shè)備，輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流，接入繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置。
上位機(jī)軟件采用 VC++6.0 為開發(fā)工具，其*大優(yōu)點(diǎn)就是提供了功能強(qiáng)大的 MFC 類庫，利用 MFC 的文檔類和控件類開發(fā)了模型管理界面，利用文件類實(shí)現(xiàn)對 PSCAD 輸出文件的讀取和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，利用串口類進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 實(shí)驗(yàn)員操作時，首先要在 PSCAD軟件中利用已有的模型搭建系統(tǒng)，設(shè)置步長，選擇文件輸出模式。 接口軟件運(yùn)行以后，實(shí)驗(yàn)員要將搭建好的模型加載到“管理模型界面”，構(gòu)成模型庫。 用戶使用接口軟件時，先運(yùn)行已選擇的模型，在接口軟件中加載生成的數(shù)據(jù)。 此時就可以通過接口軟件觀察到波形、系統(tǒng)參數(shù)等，也可以通過串口程序和下位機(jī)通信進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
由 PSCAD ／ EMTDC 仿真模型得到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過處理，才能提供給下位機(jī)使用。
4．1 數(shù)據(jù)類型變換
首先，由仿真得到的原始數(shù)據(jù)是以字符的形式存在 .out 文件中，利用 MFC 的 CFile 類將字符讀到事先定義的 Buffer 中，空格為結(jié)束符號，這樣就得到了一個采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，編寫子函數(shù) CSTringToDouble（）
將字符串轉(zhuǎn)換成雙精度型。 所有需要的數(shù)據(jù)都通過此子函數(shù)轉(zhuǎn)換為雙精度型，存儲在事先定義的數(shù)組中。
4．2 采樣率轉(zhuǎn)換
PSCAD ／ EMTDC 在計算仿真模型時，是由后臺軟件 EMTDC 進(jìn)行計算，計算步長默認(rèn)值為 50 μs。
對于大多數(shù)模型，這是*有利于 EMTDC 計算的步長 。 界 面 軟 件 PSCAD 的 采 樣 步 長 是 PSCAD 對EMTDC 計 算 的 數(shù) 據(jù) 點(diǎn) 的 采 樣 間 隔 時 間 ， 總 是 取EMTDC 計算步長的倍數(shù)，即 N×50 μs。 這些點(diǎn)用來繪制波形圖和向輸出文件寫入數(shù)據(jù)。 PSCAD 高速率的采樣可以保證輸出波形與 EMTDC 計算保持一致，但是下位機(jī) DAC 輸出為每周期 32 點(diǎn)，即采樣周期為 625 μs。 假設(shè) PSCAD 采樣率為 2 000 Hz（每周期 50 點(diǎn)），根據(jù)采樣定理， fs≥fm，為保證信號不重疊，信號*高頻率為 1000 Hz，而 DAC 采樣率為 1600 Hz，信號*高頻率為 800 Hz，所以要先對信號進(jìn)行低通數(shù)字濾波處理。 PSCAD 的采樣率（400 fm ／ N）和 DAC的采樣率（32 fm）不是整數(shù)倍關(guān)系，不能通過抽點(diǎn)方式進(jìn)行采樣率轉(zhuǎn)換，需要通過插值方式進(jìn)行信號抽取。 本文采用線性 Lagrange 插值方法，通過對相鄰2 個采樣點(diǎn)（n，n + 1）進(jìn)行線性插值得到點(diǎn) y（i），公式如下：
n=int（i×400 f ／ （N×32））
u=i×400 ／ （N×32）
y（i）=x（n）（n+1-u）+x（n+1）（u-n）
4．3 DAC 數(shù)據(jù)輸出格式轉(zhuǎn)換
經(jīng)過以上處理，得到了可以用作模擬一次側(cè)電壓、電流的數(shù)據(jù)。 為了符合下位機(jī) DAC 芯片轉(zhuǎn)換格式的要求，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)制變換。 下位機(jī)采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是單極性 12 位高精度的 MAX5307，輸入數(shù)字量范圍 0～4095，對應(yīng)輸出模擬量電壓范圍0 ～ 2 V。 經(jīng)數(shù)字濾波后得到的是帶有符號的雙精度型數(shù)據(jù)，利用下面公式進(jìn)行數(shù)據(jù)變換：
U=（unsigned int）4096.0×（U′+MAX_U） ／ （2×MAX_U）I= （unsigned int）4096.0×（I′+MAX_I） ／ （2×MAX_I）其中，U′為原始電壓數(shù)據(jù)；MAX_U 為原始電壓峰值；
U 為轉(zhuǎn)換后的電壓數(shù)據(jù)；I′為原始電流數(shù)據(jù)；MAX為原始電流峰值；I 為轉(zhuǎn)換后的電流數(shù)據(jù)。
接口軟件與 PSCAD 軟件波形顯示一致，數(shù)據(jù)讀取正確，運(yùn)行硬件裝置，配合微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示。
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，裝置的軟件算法選擇正確，下位機(jī)硬件精度達(dá)到設(shè)計要求，滿足配合微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)儀的要求。
經(jīng)過以上處理的數(shù)據(jù)，滿足下位機(jī)硬件的要求，通過串口通信傳給下位機(jī)控制器。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
本文以 PSCAD 建立的單電源線路模型為例：
220 kV 等級下，負(fù)載容量 100 MV·A，工頻 50 Hz，輸送線路 100 km，在線路末端三相短路。 運(yùn)行接口軟件，顯示信號波形。6 結(jié)語
本文所研制的基于 PSCAD 的繼電保護(hù)電壓電
流發(fā)生器采用高性能的微控制器和外設(shè)芯片，可以
**地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)波形數(shù)據(jù)的模擬輸出。 上位機(jī)接
口軟件界面友好，操作簡單，實(shí)驗(yàn)人員不需要掌握
PSCAD 的操作原理，就能利用 PSCAD 中的系統(tǒng)模
型進(jìn)行微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)，針對性強(qiáng)。 本裝置已經(jīng)通
過實(shí)驗(yàn)室檢測，達(dá)到設(shè)計要求。
6 結(jié)語
本文所研制的基于 PSCAD 的繼電保護(hù)電壓電流發(fā)生器采用高性能的微控制器和外設(shè)芯片，可以**地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)波形數(shù)據(jù)的模擬輸出。 上位機(jī)接口軟件界面友好，操作簡單，實(shí)驗(yàn)人員不需要掌握PSCAD 的操作原理，就能利用 PSCAD 中的系統(tǒng)模型進(jìn)行微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)，針對性強(qiáng)。 本裝置已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)室檢測，達(dá)到設(shè)計要求。
