變電站繼電保護(hù)設(shè)備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司 張峰毓 汪小春 霍政界 陳國才

隨著我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，變電站也進(jìn)行了巨大改革，與之相匹配的繼電保護(hù)裝置也不斷完成著優(yōu)化與更新，以適應(yīng)變電站對(duì)繼電保護(hù)裝置的應(yīng)用需求。國家通過對(duì)繼電保護(hù)設(shè)施的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范，以此降低變電站對(duì)檢測(cè)設(shè)備個(gè)性化要求[1]。但實(shí)際檢測(cè)過程中，通信配置、測(cè)試項(xiàng)目以及相關(guān)參數(shù)仍需不斷修改，對(duì)于人力、物力的需求較大。同時(shí)，由于操作過程中一般需中斷部分線路的運(yùn)行，因此對(duì)于變電站的高效穩(wěn)定運(yùn)行也會(huì)產(chǎn)生一定影響，且受檢測(cè)速度和規(guī)模的限制在時(shí)間上也需要較大開銷。這也直接導(dǎo)致了設(shè)備定期測(cè)試的周期一般較長(zhǎng)且測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性不高等問題，無法得到滿足變電站的運(yùn)行需求[2]，因此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的變電站繼電保護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)就顯得尤為重要。

1 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)工作前，首先了解繼電保護(hù)設(shè)備工作基本原理，分析了對(duì)變電站繼電保護(hù)裝置進(jìn)行的測(cè)試過程中需要的關(guān)鍵條件，評(píng)估了測(cè)試系統(tǒng)中需要硬件設(shè)計(jì)具備的條件，根據(jù)分析結(jié)果，在本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)硬件部分充分應(yīng)用了EDA工具進(jìn)行電路設(shè)計(jì)[3]，這也是在電力行業(yè)被廣泛應(yīng)用的一種工具。與此同時(shí)，對(duì)各部分電路進(jìn)行樣品制作、電路調(diào)試和分析，以此為測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性提供保障。

1.1 LW301芯片

本文選用LW301芯片作為測(cè)試系統(tǒng)部分的電路芯片，其供電方式為零線和火線供電，通電后接收到的交流電不直接進(jìn)入芯片，而是首先對(duì)其進(jìn)行整流處理，通過電容和電阻的雙重作用實(shí)現(xiàn)對(duì)其的降壓、穩(wěn)壓處理，同時(shí)濾除其中的雜波，經(jīng)處理后的電流通過芯片的電源管腳完成對(duì)供電電源的控制，以此保證其接收到的電源是直流穩(wěn)定電源。測(cè)試系統(tǒng)接收到的故障信號(hào)主要以互感器線圈為依托進(jìn)行傳達(dá)，當(dāng)出現(xiàn)故障信號(hào)時(shí)互感器線圈受刺激產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換后以電壓的形式輸入到芯片的管腳，在其內(nèi)部進(jìn)行放大處理。其中OA管腳為輸出管腳，外接電容濾波器，主要負(fù)責(zé)消除干擾噪聲；DLY管腳外接電容，主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)充放電時(shí)間。當(dāng)無故障信號(hào)出現(xiàn)時(shí)OA的輸出結(jié)果為低電壓，當(dāng)出現(xiàn)故障信號(hào)時(shí)OA的輸出結(jié)果為高電壓，并保持50ms以上的持續(xù)輸出時(shí)間。

LW301芯片中存在兩個(gè)互相對(duì)接的二極管，其主要負(fù)責(zé)鉗位電壓，將出現(xiàn)故障信號(hào)時(shí)的輸出電壓控制在0～0.5V范圍內(nèi)；存在兩個(gè)2.4K的電阻，其主要負(fù)責(zé)保護(hù)輸入端口，阻斷端口受到的大電流沖擊。在輸入端口兩端并連著C6電容，其主要負(fù)責(zé)減低噪聲干擾對(duì)輸入信號(hào)的影響，并提高芯片靈敏度。LW301芯片的集成電路在檢測(cè)變電站繼電保護(hù)裝置的故障信號(hào)時(shí)，既能檢測(cè)AC型交流故障信號(hào)，也可檢測(cè)A型脈動(dòng)直流故障信號(hào)。當(dāng)LW301接收到故障信號(hào)后芯片電路系統(tǒng)對(duì)其做出反應(yīng)，單片機(jī)產(chǎn)生10位制的數(shù)字信號(hào)并呈現(xiàn)出明顯的周期性，在DA轉(zhuǎn)換器的作用下數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為輸出管腳的模擬信號(hào)，再通過差分輸入、輸出運(yùn)算。對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，并將放大后的信號(hào)提供到LW301集成電路中。

1.2 DAC轉(zhuǎn)換器及控制電路設(shè)備

DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備主要作用是信號(hào)轉(zhuǎn)換，將單片機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，完成離散數(shù)字信號(hào)與連續(xù)模擬信號(hào)間的轉(zhuǎn)化。本系統(tǒng)采用三通道10位DAC專用集成電路芯片AD7123?？刂齐娐凡捎肁TMEL公司設(shè)計(jì)的8位AVR精簡(jiǎn)指令單片機(jī)ATMEGA8515。主要作用是負(fù)責(zé)控制、協(xié)調(diào)測(cè)試系統(tǒng)的工作；發(fā)出相關(guān)測(cè)試指令；返回測(cè)試結(jié)果和顯示控制等。

2 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)軟件部分的控制程序包括主程序、控制程序、結(jié)果分析程序、結(jié)果顯示程序四部分。各程序相互交互，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件數(shù)據(jù)的分析和反饋，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的各種功能。程序開始后，首先要對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化處理，對(duì)運(yùn)行過程中的變量、常量進(jìn)行初始化賦值處理。該過程主要是通過對(duì)初始化子程序的調(diào)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。在完成系統(tǒng)初始化操作后就可運(yùn)行測(cè)試程序，在完成整個(gè)測(cè)試流程操作后就進(jìn)入程序結(jié)束模式。在該過程中，參數(shù)控制程序是對(duì)測(cè)試對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行規(guī)定，確保在軟件誤差最小的條件下進(jìn)行測(cè)試工作，減少由參數(shù)引起的測(cè)試誤差。此外，在執(zhí)行測(cè)試任務(wù)的同時(shí)適當(dāng)在程序運(yùn)行過程中插入延時(shí)，以此過濾由于電路條件變化、抖動(dòng)等因素引起的測(cè)試結(jié)果異常情況的發(fā)生。

在此基礎(chǔ)上，本文通過數(shù)據(jù)融合的方式對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行判斷。首先對(duì)于要測(cè)試的設(shè)備構(gòu)建測(cè)試框架K，并在框架內(nèi)描述所有可能的測(cè)試結(jié)果。假設(shè)測(cè)試采樣結(jié)果異常為k1、開關(guān)異常為k2、動(dòng)作異常為k3，不確定結(jié)果為集合K，那么則有K=｛k1,k2,k3,κ｝。接下來對(duì)基本分配概率進(jìn)行設(shè)置，在測(cè)試框架K內(nèi)基本分配概率P為[0,1]，且滿足條件那么P(k)則可以表示基本可靠指數(shù)，計(jì)算測(cè)試框架內(nèi)所有結(jié)果的基本分配概率結(jié)果為式（1），其中P(ki)表示第i個(gè)測(cè)試結(jié)果對(duì)于測(cè)試目標(biāo)的基本分配概率，P(κ)第i個(gè)不確定測(cè)試結(jié)果對(duì)于測(cè)試目標(biāo)的基本分配概率，λi表示第i個(gè)測(cè)試結(jié)果的可靠性系數(shù)，λij表示第i個(gè)測(cè)試結(jié)果對(duì)于輸出故障j的隸屬度。得到測(cè)試結(jié)果的基本分配概率后就可對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行融合，計(jì)算方法為式（2）。

最后根據(jù)融合結(jié)果對(duì)測(cè)試設(shè)備是否存在故障進(jìn)行決策，當(dāng)P'(ki)=max{P(ki),kiK}時(shí)輸出結(jié)果為存在已知故障隱患；當(dāng)P'(ki)≥P(K)時(shí)輸出結(jié)果為存在不確定故障隱患；當(dāng)P'(ki)=0時(shí)輸出結(jié)果為不存在故障隱患，設(shè)備安全。

圖1 不同測(cè)試系統(tǒng)故障測(cè)試結(jié)果

3 試驗(yàn)測(cè)試

為對(duì)所提系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，并選用傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)和文獻(xiàn)[1]提出的變電站繼電保護(hù)設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)作為對(duì)比，測(cè)試三個(gè)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果。以某區(qū)域內(nèi)PCS-943高壓線路保護(hù)裝置試驗(yàn)對(duì)象，分別在測(cè)試進(jìn)行的第5s，7s，10s，12s，17s，20，在檢測(cè)設(shè)備內(nèi)輸入故障信號(hào)，故障頻率（Hz）與作用時(shí)間（ms）分別為26.36/0.2、18.22/0.1、20.57/0.15、22.90/0.1、10.53/0.1、17.44/0.1（圖1）。

通過分析圖1可看出，傳統(tǒng)方法對(duì)于異常的識(shí)別結(jié)果最為微弱，在故障設(shè)置時(shí)間點(diǎn)內(nèi)未出現(xiàn)明顯的信號(hào)傳輸變化，對(duì)故障反應(yīng)不夠靈敏；而文獻(xiàn)[1]方法雖在設(shè)備異常檢測(cè)方面有所提升，但整體信號(hào)輸出穩(wěn)定性較差，信號(hào)幅值變化范圍明顯大于傳統(tǒng)方法；本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在設(shè)置的故障時(shí)間點(diǎn)均表現(xiàn)出明顯的信號(hào)差異，這表示其對(duì)設(shè)備異常存在較高的識(shí)別能力，同時(shí)在異常時(shí)間段內(nèi)其信號(hào)輸出始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)大幅度的信號(hào)波動(dòng)。這主要是因?yàn)楸疚奶岢龅臏y(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障的融合計(jì)算，提高了檢測(cè)的靈敏性。