PCS-912继电保护专用收发信机工作原理和工程调试

PCS-912继电保护专用收发信机工作原理和工程调试报告人：朱继红2009年2月7/27/20241报告内容立项背景装置的关键技术功能比较试验工程调试总结7/27/20242立项背景

随着我国国民经济的快速增长，整个电力系统也进行了大幅度的升级和改造。收发信机作为高频保护中的重要装置，也面临着迫切的更新换代要求。这是因为随着时间推移，半导体技术和信息技术得到了迅猛发展，传统收发信机的一些弊端也逐渐显露出来，已经不能适应现代电力系统的发展，主要体现在以下几个方面：

7/27/20243立项背景（1）缺乏事故分析功能

保护发生误动，用户往往需要分析造成事故的原因是由于通道、收发信机、还是其它因素。传统收发信机不具有通道详细录波和开关变位录波功能，也不具有事件报文记录功能，当装置出现异常的时候不能记录下来相关信息，为事后故障分析增加了难度，拥有记录功能的收发信机也是收发信机发展的趋势。

7/27/20244立项背景（2）抗雷电浪涌电流破坏的性能需要进一步加强

收发信机由于直接和一次通道相连，工作条件相对恶劣，比较容易受到雷击和干扰的影响，各个厂家每年都有由于雷击造成的收发信机损坏，造成保护误动的事故也时有发生。因此，提高收发信机抗雷击和抗干扰能力的需求非常迫切。7/27/20245立项背景（3）模拟式收发信机不便于生产和调试

模拟方式的收发信机集成度低，依赖于大量分立的模拟电路和少量数字电路，其电路构成比较复杂，加上阻容器件存在一致性的问题，所以装置在生产和维护过程中需要进行大量调试或者调整，加重了生产、运行和维护人员的工作量；依赖于模拟电路的设计模式也导致了装置成本昂贵，升级困难等问题，所以需要采用数字式收发信机来代替传统的模拟式收发信机。7/27/20246立项背景（4）传统收发信机频率合成复杂

传统收发信机中使用锁相环频率合成和加权式正弦信号合成的方法产生正弦信号,这种方法电路复杂成本较高，锁相环的稳定性不易保证，频率调整不方便。 随着高精度高频率低价格直接数字频率合成（DDS）技术的出现，使得从很低的频率到上百兆的正弦波信号在一个芯片中就可以直接输出。DDS技术以其优良的性能可以产生高精度正弦波，使传统收发信机中使用的加权式正弦信号合成的技术优势和价格优势都不再存在。

7/27/20247立项背景（5）操作的方便性不能满足用户需求

随着变电站自动化、微机保护的持续应用和发展，追求人性化、操作方便快捷已成为变电站二次设备发展的必然趋势。 能够方便地看到装置内部的各个参数和状态信息将能给用户的运行和维护带来很大方便，传统收发信机已经不再能够满足这些要求。7/27/20248报告内容立项背景装置的关键技术功能比较试验工程调试总结7/27/20249工作原理收发信机工作原理阻止收发信机信号，让工频信号通过阻止工频信号，同时让收发信机信号通过干扰，雷电流7/27/202410工作原理装置原理框图7/27/202411工作原理CPU板工作原理完成监测，控制，人机界面，通信处理独立于DSP，完成收发信机逻辑控制7/27/202412工作原理收信回路

收信检测采用了外差向上频谱搬移解调方式。提供收信防卫度的关键7/27/202413工作原理收信原理

设通道信号频率为fx，本地参考频率信号为fy=1MHz-fset，两个信号混频后有：

如果fx=fset，则fx+fy=1Mhz，因此混频后的信号将包含有频率为1Mhz的信号分量。

优点：可以使用一个中心频率为1Mhz窄带滤波器完成不同频率信号的解调工作，简化了滤波器的设计。7/27/202414工作原理收信原理

混频信号通过中心频率为１ＭＨz的窄带滤波器后，低频项被滤除，有：将滤波后的信号进行峰值提取得到Vp，则输入信号幅值7/27/202415工作原理收信插件7/27/202416工作原理发信回路

有的厂家的做法是使用DSP来控制DDS达到发信和停信的目的，一旦DSP出现异常，则装置完全瘫痪。我们则使用独立于DSP的FPGA来控制。Good!!7/27/202417工作原理DDS频率合成的原理

直接数字频率合成（DDS）是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法。它应用了正弦信号相位连续的特性。 首先将一个正弦信号取样、量化和编码，形成一个正弦函数表存在ROM中。合成时改变相位增量，由于相位增量不同，一个周期内取样的点数也不同，产生的正弦信号频率也就不同。

7/27/202418工作原理DDS频率合成的原理

设每隔一个时钟周期ΔT，输出相位变化为ΔФ，则有

ΔФ=ω·ΔT=2πf·ΔT

则有f=ΔФ/(2π·ΔT)，因此通过设定每个时钟周期的相位增量就可以得到不同频率的正弦波信号7/27/202419工作原理频率合成原理DDS内部结构频率控制只需修改此寄存器7/27/202420工作原理DDS谐波分析

由于收发信机对二、三次谐波的要求很高，小于-66dB,所以对信号源的要求也非常高。-63-66对于同一个Ｄ／Ａ，量化噪声是一定的量化噪声被展宽信噪比提高7/27/202421工作原理功放原理

功放的分类

7/27/202422工作原理功放原理A类的线性度良好，但功耗较大，不常见于功率放大，大多使用于小信号放大器。B类的集极电流只流通半周期，会产生波形失真。由于效率较高，在含有经过调制的高频信号的信号放大场合，常使用到此类的放大电路。C类的集极电流流通时间比半周期还短，因此失真更大，不要求线性的场合可以使用此类放大。AB类为介于A类与B类中间，兼顾了线性度和功耗，集电极电流的流通此半周期长一些，故意将工作点提高一点，主要是为了减少失真。

7/27/202423工作原理功放原理放大级采用了AB类变压器耦合的输出方式变压器耦合上半周放大下半周放大引入负反馈，使功放更加稳定7/27/202424工作原理功放插件7/27/202425工作原理线路滤波器原理

滤波器主要提供发信谐波抑制，线路阻抗匹配和同相并机的隔离能力。

我们采用了“电容耦合谐振式带通滤波器”的设计，这种设计方式比较适合于设计Q值较高的窄带滤波器。7/27/202426工作原理线路滤波器原理

其中K12和K23为耦合系数7/27/202427工作原理线路滤波器原理

由于耦合系数不能直接成为耦合元件来实现滤波器，所以需要将耦合系数换为耦合电容，所以谐振器变为：谐振频率点选取和阻抗匹配都是通过修改L和C的值来完成。7/27/202428工作原理线路滤波器插件7/27/202429关键技术功率估计功能

功率估计功能是在信号解调的基础上进行的，1MHz的信号经过精密整流和峰值提取后送往DSP中进行信号补偿，然后实现功率估计。7/27/202430关键技术功率估计功能

功率估计实现原理图

7/27/202431关键技术频率估计功能

频率估计采用了分频测量的方法进行。原理思想是将频率为X(KHz)的正弦波整形得到一个同频率方波信号，而后经过分频器产生低频率的方波，然后对其进行精确时间测量，通过测量低频率方波周期得到的时间和分频器分频的倍数还原正弦波频率。 这种方法的特点是速度快，精度高。

7/27/202432关键技术频率估计功能

在正弦波整形过程中，由于噪声引起的整形抖动往往使频率估计不准，我们采取了迟滞比较的方法来解决这个问题。7/27/202433关键技术频率估计功能

在进行低频率方波测量的过程中，由图看出引入的测量误差是△t，其最大值近似为T。T越小，测量的精度越高。我们采用主频为400MHz的计数器对方波进行测量，得到了很好的精度。500KHz的信号估计误差小于4Hz。7/27/202434关键技术智能通道交换试验判断

标准的通道交换试验时序图如下7/27/202435关键技术智能通道交换试验判断

DSP在进行实时功率估计监测信道功率的同时，采样收信和发信开关变量，并和标准时序图做比较。如果一致则判通道交换试验成功，否则判失败，判断完成后在液晶上显示判决结果及相关波形。7/27/202436关键技术智能通道交换试验判断7/27/202437关键技术目前正在申请的专利有：1）CN2007200400902 “实用新型” 申请内容：智能通道试验判断装置2）CN200710025357.5“发明专利” 申请内容：收发信机装置频率测量方法3）CN200710025358x “发明专利” 申请内容：收发信机装置功率测量方法7/27/202438装置特点

PCS-912型数字式收发信机是南瑞继保电气有限公司新一代的收发信机，它吸收了LFX-912和国内外同类产品的优点，使用了最新的产品工艺和设计思想。主要特点有：数字化智能化友好的操作方式完整事件记录功能完善的自检监测功能突出的稳定设计思想良好的接口设计增强的电磁兼容性能7/27/202439装置特点数字化智能化(1)装置采用了DSP+FPGA的架构,保证了装置在数据处理上的实时性。频率产生采用了直接数字频率合成（DDS）技术，这项技术的特点是可以输出高精度的载波频率信号，并且频率可以通过软件任意调整。7/27/202440装置特点数字化智能化(2)由于采用数字电路，简化了模拟电路，延时和阈值准确，便于生产和现场调试。由于具有CPU，装置具有灵活的控制功能、完善的自检功能和事件记录功能。装置能够自动识别通道交换试验的结果，改变了人工判断的传统方法。7/27/202441装置特点友好操作方式用户和工程调试人员可以直接使用键盘完成发信频率整定、3dB告警电平整定和远方起动逻辑投入、通道试验等。通过人机界面可以监视装置内部各个参数，通过状态查询查看装置的各项功能是否正常，加上完整的报告机制，这一切使得装置调试简单，维护使用方便，性能可靠。7/27/202442装置特点完整事件记录功能可以存储64次动作报文，每次报文带有超长时间的通道录波（18秒）。256次变位报文。256次自检报文。

为现场人员提供第一手资料，便于故障分析。记录报告掉电不丢失。7/27/202443装置特点完善的自检监测功能内部具有高精度的频率估计功能，随时监视发信频率和载波频率，异常情况下能及时恢复频率,保证了装置可靠工作。内部具有完善的收信和发信功率估计功能，并且收发功率低于阈值时，会自动产生事件记录。功率放大器放大回路检测收信回路检测这些功能既能有效地监视装置的工作，又能方便现场调试。装置可以将这些信息存储，便于事后故障分析。7/27/202444装置特点突出的稳定设计思想

由于采用了模块化设计的思想,DSP和FPGA在运行中分担不同的任务。当特殊情况下，DSP故障没有办法工作时，装置收发信回路不受任何影响依然正常工作，这样收发信机发送的高频闭锁信号就不会丢失，最大限度地防止了保护误动。7/27/202445装置特点良好的接口设计装置可以通过调试口进行数据查看,波形下载和现场程序升级等。装置支持本地打印，GPS对时等功能。需要的情况下可以对外使用CAN和RS-485接口进行通信。接口板可以根据用户需求实现DC24V，DC110V，DC220V开入。7/27/202446装置特点增强的电磁兼容性能(1)装置采用背插式结构，强弱电空间分离，尽可能避免了输入输出信号对内部插件的干扰。快速瞬变干扰试验IV级静电放电试验IV级脉冲群干扰试验III级传导骚扰抗扰度试验III级装置电源浪涌（冲击）抗扰度IV级高频通道口浪涌（冲击）抗扰度IV级7/27/202447装置特点增强的电磁兼容性能(2)

考虑到收发信机直接和一次设备相连，易于遭受雷击而损坏，我公司对PCS-912高频通道输入进行了更为严酷的大雷电流试验，在雷电流达到15000安培时，装置依然正常运行，试验过程中无死机和复位现象。 这一特性为恶劣天气下收发信机正常运行提供了保障。7/27/202448报告内容立项背景装置的关键技术功能比较试验工程调试总结7/27/202449功能比较

功能型号/厂家智能通道试验判断频率估计功能功率估计功能频率恢复功能PCS-912南瑞继保有有有有GSF-9宏图高科

无无有无PSF-630国电南自

无无有无SF-960许继昌南通信

无无无无7/27/202450功能比较

功能型号/厂家DSP和FPGA分离式稳定设计超长时间通道录波功能（18秒）事件记录功能GPS对时功能PCS-912南瑞继保有有有(全)有GSF-9宏图高科

无有,时间短120ms有无PSF-630国电南自

无无有无SF-960许继昌南通信

无无有有7/27/202451功能比较

功能型号/厂家DDS技术波形图形化显示功能本地打印功能PCS-912南瑞继保有有有GSF-9宏图高科

有无无PSF-630国电南自

无无无SF-960许继昌南通信

有无无7/27/202452功能比较外观对比PCS-912/南瑞继保GSF-9/宏图高科PSF-630/国电南自SF-960/许继昌南通信

7/27/202453报告内容立项背景装置的关键技术功能比较试验工程调试总结7/27/202454试验试验情况PCS-912通过了1）国家电网公司自动化设备电磁兼容实验室的委托型式检验2）电力工业通信设备质量检验测试中心的委托型式检验3）国内著名防雷器厂家上海深凯电子有限公司

大雷电流试验7/27/202455试验7/27/202456报告内容立项背景装置的关键技术功能比较试验工程调试总结7/27/202457工程调试主要的调试内容定值整定收信起动电平发信功率通道交换试验7/27/202458工程调试定值序号

定值名称

定值范围

１发信频率42~400(KHz)２3dB告警电平0.00~31.00(dBv)３3dB跌落电平3~6(dBv)４通道衰减损耗0,3,6,10,14(dB)５远方起动投入0,1６打印口校验方式0(无),1(偶),2(奇)７打印口波特率4800,9600,19200,38400,576007/27/202459工程调试3dB告警的产生方法

设定值3dB告警电平为X，3dB跌落电平为Y，而通道收信电平为Z，则当Z<X-Y时，3dB告警产生。7/27/202460工程调试通道衰减损耗

通道衰减损耗决定了装置起动电平．所以当收信板上有衰耗投入时，务必要整定定值中的通道衰减损耗

值和实际投入的值一致．7/27/202461工程调试通道衰减损耗和收信起动电平关系

跳线衰减数(dB)／起动电平（dBv）Ｊ１３／－２Ｊ２６／１Ｊ３１０／５Ｊ４１４／９Ｊ５０／－５7/27/202462工程调试通道衰减损耗和裕度灯关系7/27/202463工程调试通道衰减损耗和噪声容限关系

通常情况下，在现场投运装置的时候，收信裕度最好维持在１２～１５dB之间．达到这个目的往往是通过投入通道衰减损耗来完成的． 随着通道衰减损耗的增加，收信起动电平也逐渐变高．7/27/202464工程调试通道衰减损耗和噪声容限关系7/27/202465工程调试远方起动投入

１： 收发信机内部远方起动逻辑投入使 用。 ０： 收发信机内部远方起动逻辑被屏 蔽。和900系列保护装置配合使用 时，此定值必须整定为‘0’。

7/27/202466工程调试打印口校验方式

此校验方式为装置和打印机通信的串口校验方式，可以整定为0（无校验）、1（偶校验）或2（奇校验），停止位为1位。7/27/202467工程调试打印口波特率 此波特率为装置和打印机通信的串口波特率，可以整定为4800、9600、19200、38400或者57600bits/S。7/27/202468工程调试发信电平，起动电平裕度灯检测7/27/2