PCS-912繼電保護專用收發信機工作原理和工程調試報告人：朱繼紅2009年2月2/4/20231報告內容立項背景裝置的關鍵技術功能比較試驗工程調試總結2/4/20232立項背景

隨著我國國民經濟的快速增長，整個電力系統也進行了大幅度的升級和改造。收發信機作為高頻保護中的重要裝置，也面臨著迫切的更新換代要求。這是因為隨著時間推移，半導體技術和信息技術得到了迅猛發展，傳統收發信機的一些弊端也逐漸顯露出來，已經不能適應現代電力系統的發展，主要體現在以下幾個方面：

2/4/20233立項背景（1）缺乏事故分析功能

保護發生誤動，用戶往往需要分析造成事故的原因是由于通道、收發信機、還是其它因素。傳統收發信機不具有通道詳細錄波和開關變位錄波功能，也不具有事件報文記錄功能，當裝置出現異常的時候不能記錄下來相關信息，為事后故障分析增加了難度，擁有記錄功能的收發信機也是收發信機發展的趨勢。

2/4/20234立項背景（2）抗雷電浪涌電流破壞的性能需要進一步加強

收發信機由于直接和一次通道相連，工作條件相對惡劣，比較容易受到雷擊和干擾的影響，各個廠家每年都有由于雷擊造成的收發信機損壞，造成保護誤動的事故也時有發生。因此，提高收發信機抗雷擊和抗干擾能力的需求非常迫切。2/4/20235立項背景（3）模擬式收發信機不便于生產和調試

模擬方式的收發信機集成度低，依賴于大量分立的模擬電路和少量數字電路，其電路構成比較復雜，加上阻容器件存在一致性的問題，所以裝置在生產和維護過程中需要進行大量調試或者調整，加重了生產、運行和維護人員的工作量；依賴于模擬電路的設計模式也導致了裝置成本昂貴，升級困難等問題，所以需要采用數字式收發信機來代替傳統的模擬式收發信機。2/4/20236立項背景（4）傳統收發信機頻率合成復雜

傳統收發信機中使用鎖相環頻率合成和加權式正弦信號合成的方法產生正弦信號,這種方法電路復雜成本較高，鎖相環的穩定性不易保證，頻率調整不方便。 隨著高精度高頻率低價格直接數字頻率合成（DDS）技術的出現，使得從很低的頻率到上百兆的正弦波信號在一個芯片中就可以直接輸出。DDS技術以其優良的性能可以產生高精度正弦波，使傳統收發信機中使用的加權式正弦信號合成的技術優勢和價格優勢都不再存在。

2/4/20237立項背景（5）操作的方便性不能滿足用戶需求

隨著變電站自動化、微機保護的持續應用和發展，追求人性化、操作方便快捷已成為變電站二次設備發展的必然趨勢。 能夠方便地看到裝置內部的各個參數和狀態信息將能給用戶的運行和維護帶來很大方便，傳統收發信機已經不再能夠滿足這些要求。2/4/20238報告內容立項背景裝置的關鍵技術功能比較試驗工程調試總結2/4/20239工作原理收發信機工作原理阻止收發信機信號，讓工頻信號通過阻止工頻信號，同時讓收發信機信號通過干擾，雷電流2/4/202310工作原理裝置原理框圖2/4/202311工作原理CPU板工作原理完成監測，控制，人機界面，通信處理獨立于DSP，完成收發信機邏輯控制2/4/202312工作原理收信回路

收信檢測采用了外差向上頻譜搬移解調方式。提供收信防衛度的關鍵2/4/202313工作原理收信原理

設通道信號頻率為fx，本地參考頻率信號為fy=1MHz-fset，兩個信號混頻后有：

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

優點：可以使用一個中心頻率為1Mhz窄帶濾波器完成不同頻率信號的解調工作，簡化了濾波器的設計。2/4/202314工作原理收信原理

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

有的廠家的做法是使用DSP來控制DDS達到發信和停信的目的，一旦DSP出現異常，則裝置完全癱瘓。我們則使用獨立于DSP的FPGA來控制。Good!!2/4/202317工作原理DDS頻率合成的原理

直接數字頻率合成（DDS）是近年來迅速發展起來的一種新的頻率合成方法。它應用了正弦信號相位連續的特性。 首先將一個正弦信號取樣、量化和編碼，形成一個正弦函數表存在ROM中。合成時改變相位增量，由于相位增量不同，一個周期內取樣的點數也不同，產生的正弦信號頻率也就不同。

2/4/202318工作原理DDS頻率合成的原理

設每隔一個時鐘周期ΔT，輸出相位變化為ΔФ，則有

ΔФ=ω·ΔT=2πf·ΔT

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

由于收發信機對二、三次諧波的要求很高，小于-66dB,所以對信號源的要求也非常高。-63-66對于同一個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，大多使用于小信號放大器。B類的集極電流只流通半周期，會產生波形失真。由于效率較高，在含有經過調制的高頻信號的信號放大場合，常使用到此類的放大電路。C類的集極電流流通時間比半周期還短，因此失真更大，不要求線性的場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一些，故意將工作點提高一點，主要是為了減少失真。

2/4/202323工作原理功放原理放大級采用了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反饋，使功放更加穩定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

濾波器主要提供發信諧波抑制，線路阻抗匹配和同相并機的隔離能力。

我們采用了“電容耦合諧振式帶通濾波器”的設計，這種設計方式比較適合于設計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2/4/202327工作原理線路濾波器原理

由于耦合系數不能直接成為耦合元件來實現濾波器，所以需要將耦合系數換為耦合電容，所以諧振器變為：諧振頻率點選取和阻抗匹配都是通過修改L和C的值來完成。2/4/202328工作原理線路濾波器插件2/4/202329關鍵技術功率估計功能

功率估計功能是在信號解調的基礎上進行的，1MHz的信號經過精密整流和峰值提取后送往DSP中進行信號補償，然后實現功率估計。2/4/202330關鍵技術功率估計功能

功率估計實現原理圖

2/4/202331關鍵技術頻率估計功能

頻率估計采用了分頻測量的方法進行。原理思想是將頻率為X(KHz)的正弦波整形得到一個同頻率方波信號，而后經過分頻器產生低頻率的方波，然后對其進行精確時間測量，通過測量低頻率方波周期得到的時間和分頻器分頻的倍數還原正弦波頻率。 這種方法的特點是速度快，精度高。

2/4/202332關鍵技術頻率估計功能

在正弦波整形過程中，由于噪聲引起的整形抖動往往使頻率估計不準，我們采取了遲滯比較的方法來解決這個問題。2/4/202333關鍵技術頻率估計功能

在進行低頻率方波測量的過程中，由圖看出引入的測量誤差是△t，其最大值近似為T。T越小，測量的精度越高。我們采用主頻為400MHz的計數器對方波進行測量，得到了很好的精度。500KHz的信號估計誤差小于4Hz。2/4/202334關鍵技術智能通道交換試驗判斷

標準的通道交換試驗時序圖如下2/4/202335關鍵技術智能通道交換試驗判斷

DSP在進行實時功率估計監測信道功率的同時，采樣收信和發信開關變量，并和標準時序圖做比較。如果一致則判通道交換試驗成功，否則判失敗，判斷完成后在液晶上顯示判決結果及相關波形。2/4/202336關鍵技術智能通道交換試驗判斷2/4/202337關鍵技術目前正在申請的專利有：1）CN2007200400902 “實用新型” 申請內容：智能通道試驗判斷裝置2）CN200710025357.5“發明專利” 申請內容：收發信機裝置頻率測量方法3）CN200710025358x “發明專利” 申請內容：收發信機裝置功率測量方法2/4/202338裝置特點

PCS-912型數字式收發信機是南瑞繼保電氣有限公司新一代的收發信機，它吸收了LFX-912和國內外同類產品的優點，使用了最新的產品工藝和設計思想。主要特點有：數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測功能突出的穩定設計思想良好的接口設計增強的電磁兼容性能2/4/202339裝置特點數字化智能化(1)裝置采用了DSP+FPGA的架構,保證了裝置在數據處理上的實時性。頻率產生采用了直接數字頻率合成（DDS）技術，這項技術的特點是可以輸出高精度的載波頻率信號，并且頻率可以通過軟件任意調整。2/4/202340裝置特點數字化智能化(2)由于采用數字電路，簡化了模擬電路，延時和閾值準確，便于生產和現場調試。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。裝置能夠自動識別通道交換試驗的結果，改變了人工判斷的傳統方法。2/4/202341裝置特點友好操作方式用戶和工程調試人員可以直接使用鍵盤完成發信頻率整定、3dB告警電平整定和遠方起動邏輯投入、通道試驗等。通過人機界面可以監視裝置內部各個參數，通過狀態查詢查看裝置的各項功能是否正常，加上完整的報告機制，這一切使得裝置調試簡單，維護使用方便，性能可靠。2/4/202342裝置特點完整事件記錄功能可以存儲64次動作報文，每次報文帶有超長時間的通道錄波（18秒）。256次變位報文。256次自檢報文。

為現場人員提供第一手資料，便于故障分析。記錄報告掉電不丟失。2/4/202343裝置特點完善的自檢監測功能內部具有高精度的頻率估計功能，隨時監視發信頻率和載波頻率，異常情況下能及時恢復頻率,保證了裝置可靠工作。內部具有完善的收信和發信功率估計功能，并且收發功率低于閾值時，會自動產生事件記錄。功率放大器放大回路檢測收信回路檢測這些功能既能有效地監視裝置的工作，又能方便現場調試。裝置可以將這些信息存儲，便于事后故障分析。2/4/202344裝置特點突出的穩定設計思想

由于采用了模塊化設計的思想,DSP和FPGA在運行中分擔不同的任務。當特殊情況下，DSP故障沒有辦法工作時，裝置收發信回路不受任何影響依然正常工作，這樣收發信機發送的高頻閉鎖信號就不會丟失，最大限度地防止了保護誤動。2/4/202345裝置特點良好的接口設計裝置可以通過調試口進行數據查看,波形下載和現場程序升級等。裝置支持本地打印，GPS對時等功能。需要的情況下可以對外使用CAN和RS-485接口進行通信。接口板可以根據用戶需求實現DC24V，DC110V，DC220V開入。2/4/202346裝置特點增強的電磁兼容性能(1)裝置采用背插式結構，強弱電空間分離，盡可能避免了輸入輸出信號對內部插件的干擾。快速瞬變干擾試驗IV級靜電放電試驗IV級脈沖群干擾試驗III級傳導騷擾抗擾度試驗III級裝置電源浪涌（沖擊）抗擾度IV級高頻通道口浪涌（沖擊）抗擾度IV級2/4/202347裝置特點增強的電磁兼容性能(2)

考慮到收發信機直接和一次設備相連，易于遭受雷擊而損壞，我公司對PCS-912高頻通道輸入進行了更為嚴酷的大雷電流試驗，在雷電流達到15000安培時，裝置依然正常運行，試驗過程中無死機和復位現象。 這一特性為惡劣天氣下收發信機正常運行提供了保障。2/4/202348報告內容立項背景裝置的關鍵技術功能比較試驗工程調試總結2/4/202349功能比較

功能型號/廠家智能通道試驗判斷頻率估計功能功率估計功能頻率恢復功能PCS-912南瑞繼保有有有有GSF-9宏圖高科

無無有無PSF-630國電南自

無無有無SF-960許繼昌南通信

無無無無2/4/202350功能比較

功能型號/廠家DSP和FPGA分離式穩定設計超長時間通道錄波功能（18秒）事件記錄功能GPS對時功能PCS-912南瑞繼保有有有(全)有GSF-9宏圖高科

無有,時間短120ms有無PSF-630國電南自

無無有無SF-960許繼昌南通信

無無有有2/4/202351功能比較

功能型號/廠家DDS技術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

有無無PSF-630國電南自

無無無SF-960許繼昌南通信

有無無2/4/202352功能比較外觀對比PCS-912/南瑞繼保GSF-9/宏圖高科PSF-630/國電南自SF-960/許繼昌南通信

2/4/202353報告內容立項背景裝置的關鍵技術功能比較試驗工程調試總結2/4/202354試驗試驗情況PCS-912通過了1）國家電網公司自動化設備電磁兼容實驗室的委托型式檢驗2）電力工業通信設備質量檢驗測試中心的委托型式檢驗3）國內著名防雷器廠家上海深凱電子有限公司

大雷電流試驗2/4/202355試驗2/4/202356報告內容立項背景裝置的關鍵技術功能比較試驗工程調試總結2/4/202357工程調試主要的調試內容定值整定收信起動電平發信功率通道交換試驗2/4/202358工程調試定值序號

定值名稱

定值范圍

１發信頻率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遠方起動投入0,1６打印口校驗方式0(無),1(偶),2(奇)７打印口波特率4800,9600,19200,38400,576002/4/202359工程調試3dB告警的產生方法

設定值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Z<X-Y時，3dB告警產生。2/4/202360工程調試通道衰減損耗

通道衰減損耗決定了裝置起動電平．所以當收信板上有衰耗投入時，務必要整定定值中的通道衰減損耗

值和實際投入的值一致．2/4/202361工程調試通道衰減損耗和收信起動電平關系

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

通常情況下，在現場投運裝置的時候，收信裕度最好維持在１２～１５dB之間．達到這個目的往往是通過投入通道衰減損耗來完成的． 隨著通道衰減損耗的增加，收信起動電平也逐漸變高．2/4/202364工程調試通道衰減損耗和噪聲容限關系2/4/202365工程調試遠方起動投入

１： 收發信機內部遠方起動邏輯投入使 用。 ０： 收發信機內部遠方起動邏輯被屏 蔽。和900系列保護裝置配合使用 時，此定值必須整定為‘0’。

2/4/202366工程調試打印口校驗方式

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