近年來，智能電網概念的興起極大促進了智能變電站的建設，就地化保護的新思路應運而生。由于就地化保護裝置的測試方法和通信形式發生變化，大量檢測工作需要在工廠進行，常規檢測方法無法滿足工廠化大規模檢測需求，這一問題給就地化保護測試工作帶來了新的挑戰。針對上述問題，本文設計一種就地化保護自動檢測平臺，以解決就地化保護裝置檢測方法不成熟、效率低等問題。

1 就地化保護檢測系統硬件架構

就地化保護檢測平臺整體架構如圖1所示，該平臺采用模塊化設計、流水線式檢測方式，主要部件包括掃描模塊、測試模塊、流水線裝置、檢測控制臺。

1）掃描模塊

掃描模塊的作用是對被測繼電保護裝置的智能標簽進行掃描，讀取其基本參數信息，并將該信息反饋給檢測控制臺。

圖1 就地化保護檢測平臺整體架構

2）測試模塊

測試模塊的作用是接收檢測控制臺發送的檢測功能指令，向被測繼電保護裝置輸入相應的開關量和電壓、電流值，并將被測繼電保護裝置的反饋量回傳至檢測控制臺。測試模塊的輸入、輸出信號，既可以是模擬信號，也可以是數字信號，一個測試平臺通常包括多個測試模塊，與流水線裝置的檢測工位對應，可以根據測試需要投入或投出。

3）流水線裝置

流水線裝置用于運輸及投卸被測繼電保護裝置。檢測控制臺將指令下達給流水線裝置，電動臺依次將被測繼電保護裝置傳輸到檢測工位進行連接。為了能夠適應多種測試方案，真正體現流水線技術的優越性，流水線平臺可以設置多個檢測工位供測試模塊使用，檢測工位通過光纜與測試模塊通信，通過航插接插件與被測繼電保護裝置連接。

4）檢測控制臺

檢測控制臺是整個測試平臺系統的核心樞紐，通過對各部分模塊進行合理調度來實現被測裝置的運輸、測試方案的生成與下達和測試數據分析整個自動閉環檢測過程。

2 就地化保護檢測系統硬件工作原理

2.1 自動傳輸裝載設計

就地化保護在裝置尺寸、通信協議和應用模型方面實現高度標準化，輔以預制航插接口的應用，為測試過程中自動定位和對接創造了條件。就地化保護測試可采用流水線自動傳輸和裝載方式，將被測裝置接入測試系統指定工位，減少人為干預。

流水線測試平臺的流水線裝置采用電動滑臺的設計，主要由定位工裝件、標準航插接插件、X、Y二軸滑軌組成，具體結構如圖2所示。

圖2 電動滑臺示意圖

1）滑軌

滑軌采用X、Y二軸滑軌，X軸滑軌進行橫向移動，用于被測裝置與測試模塊的工位定位，Y軸滑軌進行縱向移動，用于被測裝置與測試模塊的航插接插件對接。當滑軌在300mm范圍內移動時，精度誤差小于0.03mm，當滑軌在1000mm范圍內移動時，精度誤差最大不超過0.1mm。

2）定位工裝件

定位工裝件用于固定被測裝置，對被測裝置縱向移動時的精度起決定性作用。由于不同類型的被測裝置的接口位置尺寸不盡相同，因此在安裝被測裝置前，需要對定位工裝件進行調整以滿足測試需求。

3）標準航插接插件

標準航插接插件的作用是與被測裝置進行對接，向被測裝置傳入開關量和電壓、電流值，并將反饋信號回傳至檢測控制臺。由于不能保證不同類型的被測裝置在接口設計上絕對一致，因此標準航插接插件在設計上需要留有裕度，采用柔性設計，使標準航插接插件在橫向上可以進行小范圍移動，柔性接插件示意圖如圖3所示。

同時，為了保證接插件的穩定性，需要采用定位彈簧對接插件進行固定。當被測裝置的接口被Y軸滑軌推入導向槽時，X軸滑軌開始工作，使航插接口移動，最終實現被測裝置和測試模塊穩定銜接。

4）位置傳感器

本文設計的流水線檢測系統使用光電位置傳感器與磁性位置傳感器。光電位置傳感器用于感應被測保護裝置在電動滑臺上的實際位置，并將位置數據傳輸給測試系統，實現對被測裝置的實際定位。

磁性位置傳感器安裝在電動滑臺的氣缸上，其作用是檢測測試時接插件的實際位置。當接插件發生機械故障而未處于初始位置時，電動滑臺開始運轉，會對接插件造成損害。因此，安裝磁性位置傳感器可以感應接插件的實際位置，當接插件沒有回歸至初始位置時，測試系統將暫停電動滑臺運行，從而保護接插件。

圖3 柔性接插件示意圖

2.2 流水線檢測設計

流水線檢測單元控制系統的硬件架構如圖4所示，包括主控單元模塊、傳感器模塊、電磁閥驅動模塊、伺服電動機驅動模塊、通信接口模塊和輔助電源模塊六個部分。

圖4 檢測單元控制系統的硬件架構

主控單元的作用是對各工控單元進行合理調度以完成流水線檢測；傳感器模塊的作用是對光電傳感器和磁傳感器的信號采樣處理；電磁閥驅動模塊用于驅動電動滑臺氣缸運行；伺服電動機驅動模塊用于驅動伺服電動機帶動平臺運行；通信接口模塊為主控單元和其他模塊提供通信服務，其中控制器局域網絡（controller area network, CAN）通信用于主控端與各測試接口進行通信，RS 485用于主控端和交流伺服電動機通信以控制電動滑臺的運行速度；輔助電源模塊為各部分提供所需電能。

被測繼電保護裝置在通過標簽檢驗后，由電動滑臺運至流水線系統指定的檢測環節工位，在被測繼電保護裝置進入對應的工位前，流水線檢測系統通過CAN總線發送工位狀態，隨后流水線檢測系統根據當前工位的運行狀態判斷是否將被測繼電保護裝置投入，電動滑臺推動裝置與測試儀完成對接進行檢測，檢測的結果及對應的工位編號通過CAN總線回傳至測試控制臺。

3 就地化保護檢測系統硬件選型與設計

3.1 氣缸及其控制電磁閥選型

因為設計的流水線平臺主要進行重復性的水平運動，運動過程較為簡單穩定，若采用電缸作為動力執行器，成本較高，且電缸在平臺運行受阻時容易被損壞，故選用亞德客公司生產的雙軸氣缸作為動力執行器，型號為TN32，如圖5所示。該型雙軸氣缸可以適應多種復雜的工作環境，能在承受大負載的同時保持動作靈敏，輸出轉矩線性穩定，保證電動滑臺的平穩運行。

圖5 亞德客TN32型雙軸氣缸

電磁閥用于控制氣缸動作，當電磁閥內部的電磁線圈通電或者斷電時，其產生的電磁力將會控制閥門通斷進而控制氣缸的開閉。因為流水線的電動滑臺僅當運載被測繼電保護裝置時才會工作，其靜止時間遠大于運行時間，對應的電磁閥閉合時間遠大于開啟時間，故采用亞德客公司生產的常閉式直流電磁閥，型號為4V210—08，如圖6所示。該型電磁閥采用24V直流供電，最大能夠提供0.8MPa壓強，具備耐久性好、動作勻速的優點。

圖6 亞德客常閉式直流電磁閥

3.2 控制芯片選型

控制板實物如圖7所示，控制芯片采用數字信號處理器（digital signal processor, DSP）及復雜可編程邏輯器件（complex programmable logic device, CPLD）的雙控制核心架構。DSP芯片選用德州儀器公司的TMSF28377s型，該型DSP作為最新一代的控制處理器，具備最高200MHz的工作頻率和400MIPS（million instruction per second）的處理速度。

CPLD芯片選用阿爾特拉公司的EPM1270T144型，該型CPLD具備最高333MHz的工作主頻，可以并行執行多個任務程序。本文采用DSP負責處理模擬量采樣、通信接收發送任務及控制算法的計算任務，采用CPLD負責處理同步回放延時產生的計算任務和驅動波形的輸出任務。

圖7 控制板實物

3.3 傳感器采樣電路設計

本文設計的傳感器采樣電路采用歐姆龍公司PNP輸出型光電傳感器作為待測保護裝置的位置傳感器，具體型號為E3Z—LS86，該型光電傳感器對干擾信號抑制能力強，動作響應迅速可靠，因此適用于檢測被測保護裝置的實際位置。

設計的光電傳感器的采樣調理電路如圖8所示，光電傳感器采樣電路通過端口4接收采樣信號，經過主回路處理后輸出至后級調理電路，再經過運算放大器后送入DSP處理。

運算放大器采用±12V供電，光電傳感器采用12V供電，當光電傳感器工作正常時，傳感器綠色發光二極管LED2常亮，當光電傳感器接收到采樣信號時，傳感器橙色發光二極管LED1閃爍。在光電傳感器的1端和4端并聯瞬態二極管TVS1用于抑制浪涌電壓，防止光電傳感器和后級調理電路因瞬時高壓而損壞。

圖8 光電傳感器采樣調理電路

磁性位置傳感器采用亞德客公司生產的磁性傳感器，具體型號為AL—20R，該型傳感器控制精度高，靈活性好，適用于偵測氣缸實際位置。磁性開關傳感器采樣調理電路如圖9所示，磁性位置傳感器采用12V供電，當磁性開關傳感器未檢測到氣缸靠近時，開關處于斷開狀態，此時輸入采樣電壓被瞬態二極管TVS1鉗位至2.8V，DSP檢測為高電平。

當磁性開關傳感器檢測到氣缸靠近時，開關處于閉合狀態，回路導通，磁性開關傳感器的藍色發光二極管LED1和后級采樣調理電路的紅色發光二極管LED2同時被點亮，由于回路存在導通內阻，此時輸入采樣電壓約為0.5V，DSP檢測為低電平。

圖9 磁性開關傳感器采樣調理電路

3.4 電磁閥驅動電路設計

電磁閥驅動電路如圖10所示，采用光耦將控制信號和功率信號進行電氣隔離，光耦采用安華高公司的HCPL—3120型。金屬氧化物半導體場效應晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transi- stor, MOSFET）采用威世公司生產的SI7738DP—T1—GE3 MOS管，該型MOS管最大可承受150V電壓及30A的持續電流。

電磁閥驅動電路工作原理具體為：當DSP輸入光耦3腳的PWM信號為高電平時，光耦原邊發光二極管截止，進而光耦副邊截止，光耦1腳輸出低電平，開關管S1驅動信號為低電平，電磁閥停止工作；當DSP輸入光耦3腳的PWM信號為低電平時，光耦原邊發光二極管導通，使光耦副邊同樣導通，光耦1腳輸出高電平，開關管S1驅動信號為高電平，驅動電磁閥開始運行。

為了在電磁閥關閉期間為功率模塊提供續流回路，在MOS管的漏極和電源之間并聯一個續流二極管VD1。紅色發光二極管LED1用于顯示電磁閥的工作狀態，當電磁閥正常工作時，LED1被點亮。

圖10 電磁閥驅動電路

3.5 通信電路設計

1）CAN總線通信電路設計

本文設計的檢測系統采用CAN總線實現各模塊通信功能，控制器局域網絡CAN總線起源于博世公司為汽車開發的通信協議，可以實現由點對點或由點對多的通信方式。得益于成本低廉、對干擾抑制能力好、可以實現遠距離實時通信的特點，目前CAN總線已經發展為工業界嵌入式控制局域網的規范現場總線，本文設計的CAN總線通信電路如圖11所示。

由于DSP本身具有CAN總線數據處理模塊，因此只需設計CAN收發器電路即可，本文采用恩智浦PCA82C251型CAN收發器芯片，該型CAN收發器芯片具有最大1Mbit/s的總線差分發射能力和CAN控制器差分接收能力，抗電磁干擾能力高，因此適用于大部分場景。

流水線系統一般安裝于工廠，廠內不同設備裝置會產生干擾，因此需要對CAN總線電路做干擾抑制處理。采用安華高HCPL—3120型光耦對CAN總線接收端和發送端進行電氣隔離。瞬態二極管TVS1和TVS2可以有效地抑制接收發送時突然產生的浪涌電壓，防止芯片損壞。圖11中紅色發光二極管LED1和綠色發光二極管LED2用于指示CAN通信信號的發送與接收。

圖11 CAN總線通信電路

2）RS 485總線通信電路設計

RS 485協議廣泛用于表征數字系統的驅動器和接收器的電氣特性，為了對電動滑臺的交流伺服電動機進行速度控制，需要在主控和交流伺服電動機之間建立RS 485通信，以傳輸電機的速度數據和指令信號。RS 485通信電路如圖12所示，由于伺服交流電動機處于高功率回路，因此需要進行電氣隔離。

本文采用德州儀器ISO3082型全雙工RS 485收發器，該型收發器自帶隔離，無需外置光耦芯片，可以簡化通信電路。通信電路使用隔離的5V電源供電以保證通信不受外界信號干擾，使通信信號與電源信號有效隔離。

圖12 RS 485通信電路

通信芯片的接收使能端和發送使能端由同一個DSP驅動信號控制，通過程序判斷進行通信數據接收和發送的模式選通。將RS 485總線的輸出端A上拉電阻到隔離的5V，輸出端B下拉電阻至隔離地，可以有效避免噪聲信號的干擾，同時使芯片未工作時A、B輸出端之間的電壓差能保持在200mV以上，設置兩個解耦電容以吸收總線上的高頻干擾信號。

設置瞬態二極管用于抑制RS 485總線上的浪涌電壓，防止芯片損壞。為了適應高速、長距離的信號傳輸，在伺服電動機設置120 的線路匹配阻抗，紅色的發光二極管LED1和綠色發光二極管LED2分別為信號的發送與接收指示燈，控制板采用DB9母頭的RS 485總線輸出接口以匹配交流伺服電動機的通信端口。

4 自動檢測平臺應用

本文采用搭建的自動測試平臺對南瑞繼保公司生產的220kV就地化線路保護裝置PCS—931A—JG—G進行實際測試。

自動檢測平臺俯視圖如圖13所示，底部臺面布置二維運動滑軌，工件固定工裝安裝于運動滑軌頂部。編號1為Y軸滑軌，編號2為X軸滑軌，編號3為定位工裝件，編號4為掃描器，編號5為標準航插接插件，編號6為被測繼電保護裝置PCS—931A—JG—G。

圖13 自動檢測平臺俯視圖

定位工裝件俯視圖如圖14所示，編號1為工位的線束固定夾具，編號2為4個航插，可在設定調節范圍內左右移動，以滿足不同廠家裝置尺寸結構的微調。

圖14 定位工裝件俯視圖

平臺首先通過掃描模塊掃描PCS—931A—JG—G裝置智能標簽獲取裝置基本參數信息，然后平臺將PCS—931A—JG—G裝置運載至對應檢測模塊的工位進行測試。測試結果正確后可進行下一項測試，最后自動生成測試報告。本平臺通過二維碼識別讀取保護裝置基本參數信息的方式替代人工輸入，通過流水線運輸測試裝置至指定工位替代人工安裝，將原有約30min的測試時長縮短到約15min，測試效率提升50%。

5 結論

本文設計了一種就地化保護自動測試平臺，對于就地化保護裝置如何實現流水線自動化式的運輸、投卸技術進行了分析研究，給出測試平臺的整體架構，闡述了各部分模塊的具體功能，對硬件平臺主要模塊進行選型，并設計了硬件平臺的采樣調理電路、電磁閥驅動電路、通信電路，為就地化保護自動檢測提供了一個高效的檢測途徑。

本文編自2021年第12期《電氣技術》，論文標題為“一種就地化保護自動檢測平臺硬件設計與應用”，作者為李涵、宋宇。