随着继电保护测试仪的大规模应用，对其进行出厂前检测和定期检测成为一项非常重要的工作。目前，国内对于继电保护测试仪校准装置的研究仍处于起步阶段，大部分校准装置只能做到常规检测，如电压、电流幅值特性、相位检测等，而涉及暂态特性参数的检测仍无法完成。
由于使用暂态特性参数作为合格判据的继电保护装置逐渐增多，急需在检测中对电压响应速率 du /dt，电流响应速率 di /dt 等参数进行检测。现阶段，除采用高速数字存储示波器测量外，没有其它更有效、更方便的检测方法。本文所述的继电保护测试仪暂态特性参数测量方法，通过高速数据采集系统，采用数字插值分析手段，结合 FFT滤波平滑算法来完成继电保护测试仪暂态特性参数检测。
暂态是由于某种作用发生变化，电路从一个瞬间状态进入到一个稳定状态的过渡过程。本文涉及的暂态特性主要针对继电保护测试仪电压和电流上升时间、下降时间、响应速率及其模拟故障电压电流同步性的检测。
1 高速数据采集系统分析
本方法主要分两部分: 数据采集部分和上位机的数据处理部分。其中数据采集要求高速，采用 TMS320F281X 系列 DSP 为信号控制处理芯片。该系列 DSP 有着 32 位精度和 150 M 的处理能力，在数字信号处理控制领域得到广泛应用。A/D 转换芯片采用 TI 公司推出的 ADS930 高速模数转换芯片，该款芯片 3 ～ 5 V 电源供电，8 位分辨率，采样速率达 30 MHz，信号输入幅度低，抗干扰能力强，适用于采样速率较高的场合。考虑到一个周期内采样数据点数达 4 000 多点，即 1μs 采样一个数据，同时，鉴于 ＲS232 接口简单和通用性强的特点，本方法采用串行口与 PC 机进行数据通信。
上位机软件采用 Borland 公司可视化编程环境 Delphi 方法人机交互界面，负责对采集系统数据分析处理、显示、保存等操作。其系统框图如图 1 所示。结合《继电保护微机型试验装置技术条件》，采用插值算法和 FFT 滤波平滑方法对采集数据进行处理，以达到检测准确度要求。
2 数字插值算法分析
数字插值法是在离散的采样点之间补充一些数据，使这组离散数据能更**显示采样波形曲线。插值方法是数值分析中常用的手段，是函数逼近理论值的重要方法。利用插值方法可以提高采样速率，进而提高信号处理的精度。继电保护测试仪的暂态特性响应快，要求准确检测其响应速率，尽可能在瞬态过程中捕捉到足够多的点，从而**进行参数计算。上升时间与采样间隔关系如图 2 所示
2. 1 线性插值法
线性插值方法简单，计算速度快，适用于方波、三角波等信号的重建或恢复。*常用的是拉格朗日插值法。
2. 2 正弦插值法
正弦插值法 sinx /x 是利用正弦曲线连接采样点，广泛应用于信号处理领域，借助数学处理，在实际采样数据点间运算出结果。基于采样定理，通过时域卷积而推出取样函数插值公式为:
3 滤波平滑算法
为了消除高速数据采集干扰及电子线路布局等产生的干扰，本方法插值前对数据采用滤波平滑方法来光滑测试曲线，以**计算相应参数，评估其性能。该方法通过傅里叶变换计算数据平滑小窗内的数据频率成分，将频率大于 1 /( nΔt) 的成分滤除来达到平滑曲线目的。其中，n 是所选窗口内的数据点数，Δt 是相邻数据点间的时间差。该方法实际使用了一个局部低通滤波器对窗口内的数据进行处理，实现数据平滑而不改变测试响应曲线。
4 检测原理与方法
4. 1 上升时间测量
继电保护测试仪测量方波信号获得的波形曲线示意图如图 3 所示。采用众数法获得方波信号上升曲线的顶 xt 和底 xb 的测量值。上升、下降时间指响应曲线从初始时刻到**达到稳态值的时间。理论上到达稳态值时间无穷大，因此，通常将上升时间定义为响应曲线从稳态值 10% 上升到稳态值 90% 所需的时间。而下降时间定义为响应曲线从稳态值 90% 下降到稳态值 10% 所需的时间。
4. 2 电压电流同步性
同步性指电压电流响应曲线是否按同一规律变化，检测其不同步时间。本文指的同步性是针对继保测试仪模拟短路故障时，电流值瞬间增大，而电压值迅速下降过程中的电压电流响应时间。检测过程中，设定故障前交流电压相位为 90°，电流相位为 － 90°，设定模拟故障电压值和电流值，故障前电压值大于故障后电压值。当发生模拟故障时，电流值上升，电压值下降，求得此过程的电流上升时间和电压下降时间。不同步时间即电压电流响应时间之差。同步性测试响应曲线如图 4所示。
5 检测结果分析
5. 1 电压电流响应速率检测
被检设备: TEST － 3330A 型微机型继电保护测试系统
由于该试验检测的微机型继电保护测试系统没有方波信号输出，所以检测中借助函数信号发生器输出频率为 50 Hz，幅度为 20 VPP，占空比为0. 5 的方波电压信号至继电保护测试仪输入端，测其阻性负载方波电压信号上升、下降时间及响应速率。其响应曲线通过了滤波平滑处理。方波电压响应速率测试曲线如图 5 所示。
检测时，因为输入为方波信号，所以对采样数据采用线性插值方法，考虑到 A/D 采样间隔为 1μs，分辨率为 8 位，因此检测时两采样点间内插一个数据点，从而提高采样速率，采样间隔提高至0. 5 μs。通过表 1 方波电压响应速率检测结果比较插值前、插值后数据，插值后方波电压信号上升时间**到 0. 5 μs。达到本方法的*低分辨率，符合理想方波上升、下降时间。
考虑到有些继电保护测试仪没有方波信号而只有正弦波信号输出，可通过测正弦波信号上升、下降时间而测其响应速率。正弦波信号上升时间是信号从零值**到达峰值时间，而下降时间是信号从零值**到达谷值时间。通过 TEST －3330A 型微机型继电保护测试系统输出 50 Hz 正弦波电压信号至继电保护测试仪输入端，测其阻性负载正弦电压信号上升、下降时间及其响应速率。如果检测正弦信号上升时间，则设置其初始相位为 90°，幅值为 80 V; 相反，如果检测该信号下降时间，则设置初始相位为 － 90°，幅值为 80V。其响应曲线通过了滤波平滑处理，检测响应波形如图 6、图 7 所示。
因为输入为正弦信号，所以对采样数据采用正弦插值方法，提高检测精度。依据文献〔4〕，输出 50 Hz 的 120 V 电压，应测得电压上升和下降时间不大于 200 μs，其变化速率不小于 0. 5 V/μs。从表 2 检测结果可以看出，TEST － 3330A 型微机型继电保护测试系统的电压响应速率检测结果满足检测要求。
5. 2 同步性检测
检测电压电流同步性时，设定模拟短路故障，使待检测的 TEST － 3330A 型微机型继电保护测试系统输出频率为 50 Hz 的正弦电压信号至继保试验装置输入端。检测前，设定模拟故障电流值为 1. 5 A，相位为 － 90°; 模拟故障前电压值为 10V，模拟故障后电压值为 0 V，相位设定 90°。图 8为电压电流同步性检测曲线图。
同步性检测时，由于输入信号为正弦信号，所以采用正弦插值方法，对采样数据进行插补。A/D 采样间隔为 1 μs，考虑其分辨率为 8 位，检测时两采样点间插一正弦值，从而进行同步性参数计算。依据文献〔4〕，继电保护测试系统在模拟短路故障时，电压与电流输出的不同步时间应不大于 100 μs。由表 3 检测结果数据可以看出，检测不同步时间在误差允许的范围内，符合检测要求。
6 结束语
通过介绍基于 ADS930 的高速数据采集系统，利用信号处理中的插值算法，分析常用插值算法对提高测试精度的影响，结合滤波平滑方法去除干扰，从而达到准确测试继电保护测试仪暂态特性参数的目的。并通过继电保护测试仪暂态性能检测试验，证明了本方法的可行性，为准确、方便地解决继电保护测试仪暂态特性检测提供了参考依据。
