0 引言

繼電保護(hù)設(shè)備[1]作為變電所的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電力系統(tǒng)能否正常工作有直接影響，因此，繼電保護(hù)設(shè)備測(cè)試技術(shù)在電力工業(yè)的高速發(fā)展中迅速崛起。

國(guó)外的相關(guān)研究起步較早，發(fā)展較快，尤其是美國(guó)AVO國(guó)際公司獨(dú)立生產(chǎn)的PULSAR繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)，不僅在一定程度上實(shí)現(xiàn)了人工智能，而且大幅提升了資源的利用率。Betancourt R J等[2]通過使用低成本的電壓和電流傳感器，測(cè)量和保護(hù)設(shè)備的相關(guān)變量被減少到適合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的值。使用LabVIEW環(huán)境處理電壓和電流信號(hào)，并開發(fā)功率計(jì)量算法和常見的繼電器實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)；而我國(guó)則在上世紀(jì)八、九十年代開始關(guān)注到繼電保護(hù)設(shè)備的測(cè)試技術(shù)，并對(duì)保障繼電保護(hù)設(shè)備正確動(dòng)作與電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行起著重要的推動(dòng)作用，近幾年，劉大偉等[3]通過將云存儲(chǔ)與物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽技術(shù)融入測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)合微軟媒體服務(wù)器協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了智能變電站繼電保護(hù)設(shè)備的自動(dòng)測(cè)試。

牽引變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)上述測(cè)試方法提出了要求的新高度，因此，本文面向牽引變電所，設(shè)計(jì)繼電保護(hù)設(shè)備的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)中應(yīng)用的各類組件均有助于強(qiáng)化系統(tǒng)通用性，其中，測(cè)試信號(hào)編碼器既能用于多種設(shè)備測(cè)試，還能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全自動(dòng)操作；利用可編程邏輯控制器自動(dòng)完成所有工作，提升安全性與可靠性，在防止人為錯(cuò)誤發(fā)生的同時(shí)，大幅提升測(cè)試速度。

1 牽引變電所繼電保護(hù)設(shè)備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由通用型計(jì)算機(jī)、繼電保護(hù)測(cè)試儀、可編程邏輯控制器、服務(wù)器以及以太網(wǎng)交換機(jī)等組件構(gòu)成的繼電保護(hù)設(shè)備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。

該系統(tǒng)各組件具體內(nèi)容如下所述：

（1）測(cè)試信號(hào)編碼器：測(cè)試儀與保護(hù)設(shè)備間存在兩個(gè)通道，即模擬量通道與開關(guān)量通道，該組件則是這兩個(gè)通道之間的切換開關(guān)，主要通過可編程邏輯控制器[4]實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配連接，可用于多種設(shè)備。該組件的組成部分為可編程邏輯控制器與繼電器陣列。為便于以太網(wǎng)與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互更為順暢，可編程邏輯控制器選用的是基恩士公司生產(chǎn)的KV-P16T型號(hào)。而繼電器陣列則要根據(jù)電壓與電流各自的接線形式進(jìn)行建立。

為自動(dòng)切換繼電保護(hù)測(cè)試儀與預(yù)測(cè)設(shè)備間的電壓接線形式，搭建圖2所示的繼電器陣列，并將其置放于測(cè)試儀與待測(cè)設(shè)備之間。

電流接線形式較電壓相對(duì)簡(jiǎn)易，故針對(duì)設(shè)備輸入電流僅為一組的情況搭建繼電器陣列，如圖3所示。通常，用戶會(huì)在預(yù)測(cè)設(shè)備中接入三相電流，但因經(jīng)濟(jì)效益問題，也有只接入A、C相或A相的情況。

（2）通用型計(jì)算機(jī)：作為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)試的關(guān)鍵部分，由于該組件需利用其中一個(gè)網(wǎng)卡完成與測(cè)試設(shè)備之間的信息交互，須支持雙網(wǎng)卡。

（3）服務(wù)器：該組件負(fù)責(zé)管理用戶權(quán)限，外部網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與通用計(jì)算機(jī)均可作為該虛擬組件，服務(wù)器中含有數(shù)據(jù)庫(kù)與缺陷管理的子系統(tǒng)。

（4）對(duì)時(shí)系統(tǒng)：組成部分為各類時(shí)鐘源，諸如簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議與全球定位系統(tǒng)等。功能是提供輸入源給預(yù)測(cè)設(shè)備，完成對(duì)時(shí)與時(shí)間管理功能。

（5）繼電保護(hù)測(cè)試儀：故障模擬系統(tǒng)是測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵，選用奧地利OMICRON公司產(chǎn)CMC356繼電保護(hù)測(cè)試儀[5]作為系統(tǒng)的核心組件。當(dāng)保護(hù)設(shè)備的電流輸入超過兩組時(shí)，選用CMA156完成拓展。若開關(guān)量存在較多的輸入輸出數(shù)量要求，則選用I/O7來(lái)拓展通道。

（6）其他測(cè)試設(shè)備：該組件由可編程邏輯控制器自動(dòng)開啟，比如：溫度傳感器、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載發(fā)生器等。

2 牽引變電所繼電保護(hù)設(shè)備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件功能結(jié)構(gòu)

圖4所示為測(cè)試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)組成。其中，主機(jī)程序通過Windows操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，用于支持通信協(xié)議接口等組件與人機(jī)交互界面的運(yùn)行；從機(jī)程序包含Help2000控制程序與從機(jī)通信協(xié)議接口程序，主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文信息與執(zhí)行主控程序下發(fā)命令；數(shù)據(jù)庫(kù)程序涵蓋執(zhí)行條件、測(cè)試目標(biāo)等程序，其功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)特定需求的滿足；繼電保護(hù)設(shè)備及其測(cè)試儀的運(yùn)行程序作為軟件的關(guān)鍵部分，除基本的差動(dòng)保護(hù)測(cè)試程序外，還包括支持雙端/多端的邏輯流程。

2.2 相關(guān)算法

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的核心是繼電保護(hù)測(cè)試儀。頻率、相位差作為測(cè)試儀周期性故障信號(hào)的主要測(cè)量參數(shù)，其有效值決定系統(tǒng)的測(cè)試準(zhǔn)確度；當(dāng)測(cè)試對(duì)象為非對(duì)稱性故障信號(hào)時(shí)，求解序分量則具有一定的必要性。各參數(shù)的具體計(jì)算方式描述如下：

（1）頻率：基于Bézier曲線擬合算法[6]，取得頻率參數(shù)。

若某線路的額定電壓是Um，該線路上的三個(gè)相鄰采樣點(diǎn)分別為k、k+1、k+2，各采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓是u k、u k+1、u k+2，采樣周期分別是t k、t k+1、t k+2，假設(shè)角頻率是ω，則采樣樣本界定式如式（1）-（3）所示。（1）（2）（3）

式中，θ是角頻率與采樣頻率的比值。由此推導(dǎo)出下列表達(dá)式：

（4）（2）相位差：假定噪聲同時(shí)對(duì)同頻正弦信號(hào)x(t)、y(t)存在干擾，且兩信號(hào)為相互關(guān)聯(lián)的函數(shù)對(duì)，若信號(hào)幅值各是A、B，產(chǎn)生的噪聲信號(hào)分別為Nx(t)、Ny(t)，則采用下列表達(dá)式界定兩同頻正弦信號(hào)：

（5）（6）式中， 表示三角函數(shù)，其初始角頻率為ω0，初始相位是φ0，信號(hào)周期是t。

將兩同頻正弦信號(hào)代入下列積分式后，得到式（8）：

（7）（8）式中， 為信號(hào)的延長(zhǎng)周期。若該值是0，則表明信號(hào)相位處于理想狀態(tài)，此時(shí)，積分式（8）可改寫成下列表達(dá)式：

（9）由此，利用下列計(jì)算公式得出相位φ1與初始相位φ0之間的相位差：

（10）（3）序分量：采用對(duì)稱分量法[7]分解一組三相不對(duì)稱電量，得到正序、負(fù)序、零序三個(gè)對(duì)稱分量F1、F2、F0。已知三相工頻電壓分別是F A、F B、F C，旋轉(zhuǎn)因子[8]是α，則各序分量的界定公式分別如下所示：

3 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)例驗(yàn)證

選取某牽引變電所多個(gè)應(yīng)用范圍較廣的繼電保護(hù)設(shè)備作為測(cè)試對(duì)象，根據(jù)變電所所在省市的繼電保護(hù)設(shè)備檢驗(yàn)規(guī)程，開展驗(yàn)收測(cè)試。

3.1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)化用例

針對(duì)南瑞PCS-931線路保護(hù)設(shè)備，檢驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化性能。運(yùn)行中的測(cè)試系統(tǒng)，先完成各項(xiàng)定值試驗(yàn)，再解析協(xié)議發(fā)送的跳閘報(bào)告，*后在試驗(yàn)的初始記錄里進(jìn)行存檔。

根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)過程與結(jié)果（見表1）可以看出，點(diǎn)擊系統(tǒng)主界面上的“開始”鍵后，系統(tǒng)可自動(dòng)生成相關(guān)信息較為完善的檢測(cè)報(bào)告，所有測(cè)試流程均能夠在沒有人工干預(yù)的情況下自動(dòng)執(zhí)行。因?yàn)樵撓到y(tǒng)采用了可編程邏輯控制器，自動(dòng)匹配、連接測(cè)試儀與保護(hù)設(shè)備，自動(dòng)開啟溫度傳感器、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載發(fā)生器等其他測(cè)試設(shè)備，故能夠較為理想地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作目標(biāo)。

3.2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)性能分析

設(shè)定測(cè)試系統(tǒng)性能檢驗(yàn)對(duì)象分別是南瑞PCS-931線路保護(hù)、南瑞PCS-921開關(guān)保護(hù)以及南自SGB-750母線保護(hù)等多個(gè)繼電保護(hù)設(shè)備，并針對(duì)各設(shè)備的采樣值、比率差動(dòng)等項(xiàng)目展開測(cè)試試驗(yàn)，探討不同保護(hù)設(shè)備采樣標(biāo)準(zhǔn)值與差動(dòng)保護(hù)比率制動(dòng)系數(shù)下本文系統(tǒng)的測(cè)試性能，再根據(jù)測(cè)試效率驗(yàn)證其效益性。

3.2.1 系統(tǒng)準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

五次加量處理0.1 A、1 A以及5 A采樣標(biāo)準(zhǔn)值，得到圖5所示的不同繼電保護(hù)設(shè)備采樣自動(dòng)測(cè)試結(jié)果。從圖中的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，本文系統(tǒng)因針對(duì)測(cè)試儀的周期性故障信號(hào)與非對(duì)稱性故障信號(hào)等不同情況，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵測(cè)量參數(shù)值，解得的有效值對(duì)測(cè)試準(zhǔn)確度起到了較好的輔助作用，故三種設(shè)備的采樣值均與標(biāo)準(zhǔn)值相一致，具有較高的測(cè)試準(zhǔn)確性。

3.2.2 系統(tǒng)平穩(wěn)性檢驗(yàn)

設(shè)定差動(dòng)保護(hù)下比率制動(dòng)系數(shù)分別為0.2、0.3、0.4，各系數(shù)相應(yīng)的比率差動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，本文系統(tǒng)因采用支持雙網(wǎng)卡的通用型計(jì)算機(jī)，利用其中一個(gè)網(wǎng)卡完成與測(cè)試設(shè)備之間的信息交互，并就多組電流輸入與高開關(guān)量要求等情況分別給出了有效的解決策略，根據(jù)電壓與電流各自的接線形式，建立不同的繼電器陣列，結(jié)合可編程邏輯控制器后，賦予測(cè)試信號(hào)編碼器更理想的通用性能，因此，比率差動(dòng)的自動(dòng)測(cè)試階段較為穩(wěn)定，且始終沒有發(fā)生數(shù)據(jù)漂移情況。

3.2.3 系統(tǒng)效益性檢驗(yàn)

圖7呈現(xiàn)的是系統(tǒng)測(cè)試與報(bào)告填充所用時(shí)長(zhǎng)，將其與手動(dòng)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)作對(duì)比后可以看出，所提系統(tǒng)因利用可編程邏輯控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全自動(dòng)化，極大程度縮短了測(cè)試時(shí)長(zhǎng)，并用標(biāo)簽的形式插入試驗(yàn)報(bào)告，因此，只需要花費(fèi)少許時(shí)間即可完成報(bào)告內(nèi)容的填充，大幅加快了勞動(dòng)生產(chǎn)率，有助于產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以牽引變電所的繼電保護(hù)設(shè)備為研究對(duì)象，創(chuàng)建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障自動(dòng)檢測(cè)的同時(shí)，為電力工作者提供相關(guān)技術(shù)支持。盡管本文取得了一定的研究成果，但仍需從以下幾個(gè)方面加以優(yōu)化：應(yīng)針對(duì)各硬件組件進(jìn)行開、閉環(huán)測(cè)試，探尋更理想、更適合的元件配置，從根本上提升系統(tǒng)的測(cè)試性能；將縮短系統(tǒng)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)作為下一階段的研究重點(diǎn)，使系統(tǒng)滿足即時(shí)性需求。