为满足微机继电保护实验的要求，开发了微机继电保护电压电流发生装置。 该装置由上、下位机构成。 上位机利用 Visual C++ 开发上位机接口软件，以EMTDC ／ PSCAD 为后台，提供各种电力线路和变压器模型的波形数据。 用户不需要了解 PSCAD 的操作原理，只要通过接口软件就可以观察线路模型和变压器模型的基本参数、各种控制方式、仿真时间、故障类型及故障位置等，并且只需通过串口程序将波形数据传到下位机；下位机以低功耗控制器MSP430F149为控制芯片，它负责数据的存储、模数转换、故障时间的控制等，外围 8 路数模转换芯片同时输出三相电压、电流和零序电压、电流离散信号，离散波形通过低通滤波、功率线性放大，得到模拟电网二次侧的电压量和电流量。
1 硬件设计
下位机分为数字电路和模拟电路 2 个部分。 数字电路部分将上位机发送的波形数据存储到存储器中，配合 LCD 和按键将数据转换为模拟量输出；模拟电路将数字电路 DAC 输出的阶梯形波形通过低通滤波进行平滑处理，接入功率放大电路线性放大。
1.1 数字电路部分
数字电路部分以 TI 公司的 MSP430F149 为控制芯片，负责数据的接收、存储、DAC 输出以及各种外围器件的控制。 DAC 电路采用 1 片性能优异的 8路串行 D ／ A 转换器 MAX5307，配合 1 片电压基准芯片，由上位机通信下传的离散数据通过 DAC 的 SPI串行口传入 D ／ A 转换器，可实现三相电压、电流以及零序电压、电流 8 路同时输出。 SRAM 采用 IDT（Integrated Device Technology）公司生产的 IDT71V256SA，其容量为 32 KByte，存储 8 个通道 12 个周期的数据。 读取数据时采用软件校验，根据波形数据的特点看，数值范围在 0x0000～0x1000 之间，如果出现个别数据读取错误，可以根据相邻 2 点的值进
1.2 模拟电路部分
模拟电路包括有源二阶低通滤波器和功率放大模块。 功率放大模块设计 4 块电压放大电路、4 块电流放大电路，将 DAC 的 8 路输出线性放大。 D ／ A 转换产生的模拟量是一种阶梯形的离散数字点，本文采用二阶有源低通滤波器可以有效地滤除波形中的高频分量，使波形平滑。 滤波电容采用高精度的独石电容，其具有多项优点：电容量大、体积小、可靠性高、电容量稳定、绝缘性好且耐高温，可以有效防止由于功放电路发热而引起的电容漏电现象。 如图 2
（a）所示，电压放大电路采用三级乙类推挽放大，大功率精密电阻负反馈控制，第三级推挽电路加入限流电阻，对电路进行短路保护。 经实验验证，电路可实现 0 ~ 100 V 线性输出，误差≤1 %。 如图 2（b）所示，电流放大电路采用 MOSFET 对管推挽放大，大功率精密无感小电阻采样，差分比较电路作为负反馈。对管与电路板分离，防止功率管发热影响电路工作，4路电流功放电源采用分离式开关电源，隔离性好。 经实验验证，电路可实现 0～6 A 线性输出，误差≤1 %。
2 下位机软件设计
微机继电保护电压电流发生装置下位机软件设计采用 IAR 公司的集成开发环境———IAR Em-beddedWorkbench 嵌 入 式 工 作 台 以 及 调 试 器 C-SPY，采用C 语言编写，基于模块化思想，分为主程序、液晶显示程序、存储器读写程序、串口中断程序、按键处理程序、定时中断程序。 主函数开始关看门狗，初始化时钟，初始化液晶程序，调用液晶显示程序，在画面上出现“欢迎使用电压电流发生器”字样，等待 5 s 后，出现选择工作方式提示，若按下按键 S1，则进入测试模式，目的是输出下位机自行计算的正弦波，验证装置的正确性。 此时程序直接进入定时中断程序，输出工频为 50 Hz 的电压信号，每周期输出 32 点数据，这样定时器定时 0.625 ms，每 0.625 ms向 DAC 串行输出 1 点数据，8 路同时输出，即同时向 DAC 8 路寄存器各串行输出 1 点数据。 若在菜单下选择按键 S2，程序则转到等待串口通信程序，此时通过上位机发送波形数据，下位机检测到串口中断，进入串口中断子程序，将上位机发来的 24 包，每包128 点的数据直接存储到外部 SRAM 中，24 包数据接收完毕，向上位机发出结束信号，程序关闭串口中断，进入定时中断程序，此时将输出上位机发送过来的正常波形数据，代表线路模型或者元件模型正常运行。 按下按键 S3，模拟线路模型或者元件模型发生故障，程序将输出上位机发送过来的故障波形数据。
3 上位机软件设计
3．1 PSCAD ／ EMTDC 介绍
EMTDC 是目前世界上应用*广泛的电磁暂态仿真程序之一，既可以研究交直流电力系统问题，又可以完成电力电子及非线性控制的仿真。 PSCAD 是EMTDC 的前端图形化操作界面，利用软件提供的完整而**的元件模型库，用户通过简单的操作即可
建立适用于不同系统的**模型。 利用 PSCAD 的友好界面，用户能更方便地使用 EMTDC 进行电力系统分析，使电力系统中复杂部分的可视化成为可能。
使用 PSCAD 时，用户在 schematic 中构建电路、运行计算、分析结果，并在完全集成的图形环境中管理数据，同时也具有在线绘图、控制、测量等功能。 在仿真运行时，用户也可以任意改变系统参数，并直接观察结果。
3．2 接口软件原理介绍
除以上功能外，PSCAD ／ EMTDC 还可以将仿真结果以文本格式输出，用户通过对这些数据进行分析，得到仿真系统的动态性能指标。 PSCAD ／ EMTDC
输出的波形数据是以 .out 为后缀的文件格式保存在以 .emt 为后缀的文件夹中，这些文件的所有数据都以列形式保存，每个文件里有 11 个通道，第 1 列通道是 EMTDC 的仿真时间，其余通道的标号保存在同名字下的 .inf 文件里，例如，对于 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”，
这代表通道 3 的数据是断路器 2 处的 A 相电压，显示范围为 －2~2，单位为 kV。 信息文件中的输出通道数和仿真模型中的输出通道数相匹配，换言之，如果仿真模型中有 30 个输出通道，在数据文件中也相应有 30 个输出通道，但一个单一的输出文件只有 11个输出通道，剩下的则按照顺序存储在多个输出文件中。
利用 PSCAD 提供的这些功能，开发了微机保护电压电流发生器的上位机接口软件。 该软件可以将实验管理员事先在 PSCAD 界面组建好的电力系统模型以列表的形式显示出来，对于以掌握继电保护原理为目的的学习者不需要去掌握 PSCAD 的操作原理，直接点击自己想要的模型，然后运行它生成输出文件。 在接口软件界面中可以直接观察到数据波形，查看模拟系统的参数，这样就相当于通过接口软件看到了一个真实的电力系统，也看到了一次侧观察点的电压、电流动态变化特性。 以 RS - 232 为通信接口，将波形数据传给下位机，下位机的硬件模拟电力系统二次设备，输出标准电压、电流，接入继电保护实验装置。
上位机软件采用 VC++6.0 为开发工具，其*大优点就是提供了功能强大的 MFC 类库，利用 MFC 的文档类和控件类开发了模型管理界面，利用文件类实现对 PSCAD 输出文件的读取和数据转换，利用串口类进行数据通信。 实验员操作时，首先要在 PSCAD软件中利用已有的模型搭建系统，设置步长，选择文件输出模式。 接口软件运行以后，实验员要将搭建好的模型加载到“管理模型界面”，构成模型库。 用户使用接口软件时，先运行已选择的模型，在接口软件中加载生成的数据。 此时就可以通过接口软件观察到波形、系统参数等，也可以通过串口程序和下位机通信进行实验。
4 数据转换
由 PSCAD ／ EMTDC 仿真模型得到的数据必须经过处理，才能提供给下位机使用。
4．1 数据类型变换
首先，由仿真得到的原始数据是以字符的形式存在 .out 文件中，利用 MFC 的 CFile 类将字符读到事先定义的 Buffer 中，空格为结束符号，这样就得到了一个采样点的数据，编写子函数 CSTringToDouble（）
将字符串转换成双精度型。 所有需要的数据都通过此子函数转换为双精度型，存储在事先定义的数组中。
4．2 采样率转换
PSCAD ／ EMTDC 在计算仿真模型时，是由后台软件 EMTDC 进行计算，计算步长默认值为 50 μs。
对于大多数模型，这是*有利于 EMTDC 计算的步长 。 界 面 软 件 PSCAD 的 采 样 步 长 是 PSCAD 对EMTDC 计 算 的 数 据 点 的 采 样 间 隔 时 间 ， 总 是 取EMTDC 计算步长的倍数，即 N×50 μs。 这些点用来绘制波形图和向输出文件写入数据。 PSCAD 高速率的采样可以保证输出波形与 EMTDC 计算保持一致，但是下位机 DAC 输出为每周期 32 点，即采样周期为 625 μs。 假设 PSCAD 采样率为 2 000 Hz（每周期 50 点），根据采样定理， fs≥fm，为保证信号不重叠，信号*高频率为 1000 Hz，而 DAC 采样率为 1600 Hz，信号*高频率为 800 Hz，所以要先对信号进行低通数字滤波处理。 PSCAD 的采样率（400 fm ／ N）和 DAC的采样率（32 fm）不是整数倍关系，不能通过抽点方式进行采样率转换，需要通过插值方式进行信号抽取。 本文采用线性 Lagrange 插值方法，通过对相邻2 个采样点（n，n + 1）进行线性插值得到点 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 数据输出格式转换
经过以上处理，得到了可以用作模拟一次侧电压、电流的数据。 为了符合下位机 DAC 芯片转换格式的要求，需要将数据进行二进制变换。 下位机采用的模数转换芯片是单极性 12 位高精度的 MAX5307，输入数字量范围 0～4095，对应输出模拟量电压范围0 ～ 2 V。 经数字滤波后得到的是带有符号的双精度型数据，利用下面公式进行数据变换：
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′为原始电压数据；MAX_U 为原始电压峰值；
U 为转换后的电压数据；I′为原始电流数据；MAX为原始电流峰值；I 为转换后的电流数据。
接口软件与 PSCAD 软件波形显示一致，数据读取正确，运行硬件装置，配合微机继电保护实验仪进行试验，试验结果如表 1 所示。
经过实验验证，装置的软件算法选择正确，下位机硬件精度达到设计要求，满足配合微机继电保护实验仪的要求。
经过以上处理的数据，满足下位机硬件的要求，通过串口通信传给下位机控制器。
5 实验结果分析
本文以 PSCAD 建立的单电源线路模型为例：
220 kV 等级下，负载容量 100 MV·A，工频 50 Hz，输送线路 100 km，在线路末端三相短路。 运行接口软件，显示信号波形。6 结语
本文所研制的基于 PSCAD 的继电保护电压电
流发生器采用高性能的微控制器和外设芯片，可以
**地实现上位机波形数据的模拟输出。 上位机接
口软件界面友好，操作简单，实验人员不需要掌握
PSCAD 的操作原理，就能利用 PSCAD 中的系统模
型进行微机继电保护实验，针对性强。 本装置已经通
过实验室检测，达到设计要求。
6 结语
本文所研制的基于 PSCAD 的继电保护电压电流发生器采用高性能的微控制器和外设芯片，可以**地实现上位机波形数据的模拟输出。 上位机接口软件界面友好，操作简单，实验人员不需要掌握PSCAD 的操作原理，就能利用 PSCAD 中的系统模型进行微机继电保护实验，针对性强。 本装置已经通过实验室检测，达到设计要求。
