郭佳豪,楊雄,方鑫,李冠飛
(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 211103;2.南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 211167)
傳統(tǒng)配電開關(guān)的開發(fā)設(shè)計(jì)分離,試驗(yàn)驗(yàn)證分離[1-2],不同廠家間一二次設(shè)備接口不匹配,兼容性、擴(kuò)展性、互換性差。近年來,隨著國家電網(wǎng)實(shí)施配電一二次同步規(guī)劃、同步設(shè)計(jì)、同步建設(shè),配網(wǎng)設(shè)備采取一二次整體設(shè)計(jì)、相互融合、整體招標(biāo)的方式應(yīng)用于現(xiàn)場[3],促進(jìn)配電一二次融合技術(shù)快速發(fā)展。配網(wǎng)一二次融合技術(shù)通過提高配電一二次設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、集成化水平,提升配電設(shè)備運(yùn)行水平、運(yùn)維質(zhì)量與效率[4-6]。
隨著配電網(wǎng)一二次的深度融合,以往針對(duì)配電網(wǎng)一次或二次設(shè)備元器件的獨(dú)立檢測手段有些捉襟見肘,因此需要更有效的設(shè)備測試方法來保證融合設(shè)備的每一項(xiàng)功能都能正常運(yùn)行[7-10]。分析國家電網(wǎng)發(fā)布的《國家電網(wǎng)公司一二次融合成套柱上開關(guān)及環(huán)網(wǎng)箱入網(wǎng)專業(yè)檢測大綱》的要求,一二次融合智能開關(guān)需要檢測一次開關(guān)互感器精度[11-13]、二次控制終端功能、性能以及一二次成套傳動(dòng)功能,也就是要求既有分體的測試,也有總體的測試。
為了提高一二次融合設(shè)備的檢測效率,本文構(gòu)建了成套化檢測系統(tǒng),設(shè)計(jì)了一種綜合切換裝置。該系統(tǒng)配合綜合切換裝置可實(shí)現(xiàn)一次接線,完成一次開關(guān)互感器精度、二次控制終端功能以及一二次成套傳動(dòng)功能的檢測工作。
構(gòu)建一二次融合及深度融合配電設(shè)備檢測系統(tǒng),如圖1所示。該系統(tǒng)包括二次終端檢測系統(tǒng)、一次互感器檢測系統(tǒng)、升壓升流系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4 個(gè)子系統(tǒng)。4 個(gè)子系統(tǒng)相互獨(dú)立,各子系統(tǒng)之間采用通信方式連接,由控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。
圖1中二次終端檢測系統(tǒng)包括終端測試儀和二次信號(hào)切換裝置。二次信號(hào)切換裝置具備三路信號(hào)接入通道,分別是終端測試儀通道、第二終端通道和第二開關(guān)通道。二次信號(hào)切換裝置具備信號(hào)通道切換功能,能在二次信號(hào)切換裝置的三路信號(hào)接入通道間建立任意的信號(hào)通路。終端測試儀的輸入輸出信號(hào)都接入所述二次信號(hào)切換裝置的終端測試儀通道。
一次互感器檢測系統(tǒng)包括互感器測試儀、電能表校驗(yàn)儀、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載箱和一次信號(hào)切換裝置。電能表校驗(yàn)儀具備校核待測配電終端線損計(jì)算功能。標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載箱包括電壓負(fù)載箱和電流負(fù)載箱,用于模擬二次信號(hào)回路上的終端負(fù)載。一次信號(hào)切換裝置具備三路信號(hào)接入通道,分別是互感器測試儀通道、第一開關(guān)通道和第一終端通道。一次信號(hào)切換裝置具備信號(hào)通道切換功能,能在一次信號(hào)切換裝置的三路通道間建立任意的信號(hào)通路?;ジ衅鳒y試儀的信號(hào)接入所述一次信號(hào)切換裝置的互感器測試儀通道,其中二次信號(hào)切換裝置的第二開關(guān)通道和一次信號(hào)切換裝置的第一終端通道相互連接。
升壓升流系統(tǒng)包括程控功率源、升壓互感器、升流互感器和標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器(potential transformer,PT)及標(biāo)準(zhǔn)電流互感器(current transformer,CT)。程控功率源為大功率電源,輸出電壓電流信號(hào)通過升壓、升流互感器提升至配網(wǎng)工作的電壓電流范圍。標(biāo)準(zhǔn)PT及標(biāo)準(zhǔn)CT的信號(hào)輸出到所述一次互感器測試系統(tǒng)中的互感器測試儀。
控制系統(tǒng)包括以太網(wǎng)交換機(jī)、串口服務(wù)器和計(jì)算機(jī)設(shè)備。其中,計(jì)算機(jī)設(shè)備通過以太網(wǎng)交換機(jī)和串口服務(wù)器與系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行通信。
一二次融合智能開關(guān)接入成套測試系統(tǒng)時(shí),配電終端與開關(guān)本體之間的航插線,要分別接入綜合切換裝置,為不同的檢測模式切換打下基礎(chǔ)。
系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示,其中,展現(xiàn)層負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面、測試腳本可視化;服務(wù)層負(fù)責(zé)測試函數(shù)封裝、測試腳本解析、數(shù)據(jù)庫維護(hù);協(xié)議層負(fù)責(zé)協(xié)議解析、硬件通信。
圖2 層次化軟件架構(gòu)Fig.2 Hierarchical software architecture
軟件平臺(tái)開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境采用成熟穩(wěn)定、界面友好的Win10專業(yè)版64位操作系統(tǒng),開發(fā)工具采用可視化編程功能強(qiáng)大的VS2017,圖形開發(fā)框架采用主流開發(fā)框架QT,數(shù)據(jù)庫采用輕量級(jí)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL,可以兼顧數(shù)據(jù)安全穩(wěn)定性和資源消耗,測試腳本采用Lua 腳本,上手快、可讀性強(qiáng)、執(zhí)行效率高。
該軟件平臺(tái)具有測試管理、終端測試、開關(guān)測試及聯(lián)合測試功能,覆蓋了一二次融合測試所有的技術(shù)要求。針對(duì)終端測試可完成測量性能、錄波功能性能、遙信功能性能、遙控功能、基本功能、故障處理等測試項(xiàng)目。針對(duì)開關(guān)測試可完成測量性能、相位誤差等傳感器精度測試。聯(lián)合測試可完成測量性能、短路故障、接地故障、自動(dòng)重合閘、傳動(dòng)性能、帶載能力等測試項(xiàng)目。并且以腳本驅(qū)動(dòng)方式,可支持定制化測試要求,滿足不同類型用戶對(duì)不同類型測試的多樣化需求。
綜合切換裝置切換原理如圖3所示,圖中*號(hào)表示多個(gè),比如開關(guān)量輸入*4 表示有4 個(gè)開關(guān)量輸入。通過對(duì)S1,S2,S3的切換控制,實(shí)現(xiàn)一次開關(guān)互感器精度測試、二次控制終端檢測、一二次成套檢測三種模式的自動(dòng)切換。在分體、總體單個(gè)自動(dòng)測試的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)一二次融合智能開關(guān)總體與局部的閉環(huán)全自動(dòng)檢測。
圖3 綜合切換裝置切換示意圖Fig.3 Schematic diagram of integrated switching device
綜合切換裝置實(shí)現(xiàn)了總體與局部測試的自動(dòng)切換。為實(shí)現(xiàn)智能開關(guān)多模態(tài)融合接入,增加了綜合切換裝置的接入功能,使得綜合切換裝置集成接入和切換的功能。
硬件上,綜合切換裝置外部面板接口如圖4所示。在開關(guān)側(cè)和終端側(cè),分別具備電磁式互感器、電子式互感器接入接口。
圖4 綜合切換裝置的接口面板示意圖Fig.4 Schematic diagram of interface panel of integrated switching device
綜合切換裝置為了實(shí)現(xiàn)智能開關(guān)多模態(tài)的融合接入,將電磁式信號(hào)與電子式信號(hào)設(shè)計(jì)采用相互隔離的獨(dú)立端口。測試準(zhǔn)備過程中,根據(jù)待測設(shè)備信號(hào)的類型(電磁式或電子式)接入對(duì)應(yīng)的物理測試接口;測試過程中,綜合切換裝置的通道切換功能將會(huì)自動(dòng)與樣品信息中的電壓電流信號(hào)屬性綁定,保證在測試任意案例時(shí),可自動(dòng)切換到對(duì)應(yīng)的通道進(jìn)行測試,解決信號(hào)采集適配的問題。并且通過多通道同步采樣的方法,在一次側(cè)、二次側(cè)進(jìn)行大信號(hào)與小信號(hào)同步采集,實(shí)現(xiàn)對(duì)大小信號(hào)混合的一二次融合開關(guān)檢測,其創(chuàng)新體現(xiàn)在其廣泛的適應(yīng)性。
一二次融合開關(guān)測試過程中,綜合切換裝置根據(jù)電壓電流的信號(hào)類型進(jìn)行通道切換后,信號(hào)流向多功能標(biāo)準(zhǔn)表與二次程控功率信號(hào)源,因而這兩個(gè)設(shè)備也需支持電磁式信號(hào)、電子式信號(hào)以及混合信號(hào)的接入。傳統(tǒng)的測試方法中,需要分別采用對(duì)應(yīng)信號(hào)類型的測試設(shè)備進(jìn)行測試,但由于電壓與電流信號(hào)的同步性問題,傳統(tǒng)方法對(duì)混合信號(hào)的測試支持較弱。本文所提測試系統(tǒng)中二次程控功率信號(hào)源采用多通道設(shè)計(jì),按照最大配置需滿足4 路電磁式電壓、4 路電磁式電流、4路小信號(hào)電壓、4 路小信號(hào)電流的輸出,并采用觸發(fā)式同步總線技術(shù),保證16個(gè)輸出通道間的同步性;對(duì)于多功能標(biāo)準(zhǔn)表來說,為測量互感器的角差與比差已采用了16 通道表(前8 路用于一次電壓電流的回采,后8 路用于二次電壓電流的采集),測試系統(tǒng)配置兩臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表,分別對(duì)二次電磁式信號(hào)和電子式小信號(hào)進(jìn)行測試。圖5為多模態(tài)信號(hào)同步采樣原理圖,兩臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表間連接有高精度同步信號(hào)線,可以滿足混合信號(hào)的測試,實(shí)現(xiàn)了測試系統(tǒng)對(duì)融合過程中的多模態(tài)開關(guān)完成自動(dòng)測試。
圖5 多模態(tài)信號(hào)同步采樣原理圖Fig.5 Schematic diagram of synchronous sampling of multimode signals
圖5 中,B22 是16 路全為電磁式信號(hào)采集的多功能表;B32 是前8 路為電磁式信號(hào)、后8 路為電子式信號(hào)采集的多功能表。
普通饋線終端設(shè)備(feeder terminal unit,F(xiàn)TU)、傳統(tǒng)互感器開關(guān)接入方式如圖6所示。圖中的接口面板上,A,B,C,D,E,F(xiàn),G 是綜合切換裝置的端子線接口,根據(jù)一二次融合智能設(shè)備的互感器配置情況,有不同的接法。
圖6 普通FTU、傳統(tǒng)互感器開關(guān)接入方式Fig.6 Common FTU,traditional transformer switch access mode
普通FTU、傳統(tǒng)互感器開關(guān)接入方式為:開關(guān)側(cè)電流(ABC相及零序)、3個(gè)開入、4個(gè)開出接入接口A;電源側(cè)2個(gè)電壓與2個(gè)電源接入接口B;FTU側(cè)電流(ABC相及零序)、3 個(gè)開入、4 個(gè)開出接入接口C;FTU側(cè)電壓及2個(gè)電源接入接口D。
與此類似,一二次成套智能設(shè)備接入方式為:開關(guān)側(cè)電流(ABC相及零序)、零序電壓、3 個(gè)開入、4 個(gè)開出接入接口A;電源側(cè)2 個(gè)電壓與2個(gè)電源接入接口B;FTU 側(cè)(ABC相及零序)、零序電壓、3 個(gè)開入、4 個(gè)開出接入接口C;FTU 側(cè)2 個(gè)電壓與2個(gè)電源接入接口D。
一二次融合智能設(shè)備接入方式為:開關(guān)側(cè)電流(ABC相及零序)、電壓(ABC相及零序)、3 個(gè)開入、3個(gè)開出接入接口E;FTU 側(cè)電流(ABC相及零序)、電壓(ABC相及零序)、3 個(gè)開入、3 個(gè)開出接入接口G,2個(gè)電源接入接口F。
由此可知,設(shè)計(jì)的綜合切換裝置可以兼容電磁式、電子式信號(hào)接入,適應(yīng)智能開關(guān)多模態(tài)融合接入,測試系統(tǒng)接入具有很高的適應(yīng)性。
現(xiàn)場應(yīng)用中,10 kV 的PT 二次側(cè)直接通過線纜連接到配電終端的PT 采集端口。在對(duì)二次側(cè)組合體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室精度測試的過程中,為了檢測的便利性引入了切換裝置,該切換裝置采用繼電器進(jìn)行切換,如圖7所示。
圖7 電壓切換裝置接線示意圖Fig.7 Wiring diagram of voltage switching device
串接在回路中的切換裝置對(duì)檢測電壓精度的影響進(jìn)行分析如下:串接在回路中的切換裝置對(duì)電壓精度的影響主要由繼電器的觸點(diǎn)電阻引起,查詢電壓切換繼電器的數(shù)據(jù)手冊可知其最大接觸電阻為0.1 Ω。查詢配電終端電壓采集互感器的勵(lì)磁電流數(shù)據(jù),得知其電壓采集互感器勵(lì)磁電流小于0.5 mA。則可通過下式得出電壓最大的變化量為0.05 mV。
式中:ΔUmax為電壓最大變化量;Imax為配電終端電壓采集互感器勵(lì)磁電流;Rmax為繼電器最大接觸電阻。
在配電終端電壓額定值下,測試系統(tǒng)造成的電壓采集影響量Ue的計(jì)算方式如下:
式中:Ur為配電終端電壓采集額定電壓值,典型值一般為100 V。
配電終端的采集精度要求為0.5%,由式(2)根據(jù)手冊計(jì)算出在測試時(shí)對(duì)電壓的最大影響量為0.000 05%,該影響量相對(duì)于配電終端精度要求可忽略,因此測試系統(tǒng)切換裝置對(duì)電壓精度的測量沒有影響。
現(xiàn)場應(yīng)用中,CT二次側(cè)直接通過線纜連接到配電終端的CT 采集端口,在對(duì)二次側(cè)組合體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室精度測試的過程中,同樣引入了切換裝置,如圖8所示。
圖8 電流切換裝置接線示意圖Fig.8 Wiring diagram of current switching device
串接在回路中的切換裝置對(duì)電流精度的影響主要由繼電器的觸點(diǎn)電阻引起,根據(jù)電流切換繼電器的數(shù)據(jù)手冊,在10 A 電流時(shí)最大接觸壓降為250 mV。若折合成5 A 電流,則最大壓降為125 mV,可由下式計(jì)算出繼電器觸點(diǎn)消耗的功率:
式中:Pc為在額定電流下消耗的最大功率;Ir為額定電流;Umax為額定電流時(shí)的最大壓降。
查詢配電終端電流采集互感器的功率消耗數(shù)據(jù),得知其最大消耗功率為0.1 V·A。若繼電器觸點(diǎn)按照最大值計(jì)算消耗功率,在5 A 時(shí)由式(3)得出其最大消耗功率為0.625 V·A,而傳統(tǒng)配套600 A/5 A 的CT 額定容量為5 V·A,繼電器觸點(diǎn)與終端采集互感器消耗的功率占比額定容量較小,待測CT 的負(fù)載遠(yuǎn)小于其額定容量,因而測試系統(tǒng)切換裝置對(duì)電流精度的測量沒有影響。
試品開關(guān)與一次互感器檢測系統(tǒng)中的一次信號(hào)切換裝置的開關(guān)通道相連。待測配電終端與二次終端檢測系統(tǒng)中的二次信號(hào)切換裝置的終端通道相連,待測配電終端的以太網(wǎng)通信接口連接到以太網(wǎng)交換機(jī)。開關(guān)、待測配電終端和信號(hào)切換裝置都采用航空插頭方式引出信號(hào),如二者航插端子定義完全一致,則可以通過航插電纜直接相連;如二者航插端子定義不一致,則可以采用航插連接到接線排,再連接到航插的方式轉(zhuǎn)接。開關(guān)、待測配電終端和信號(hào)切換裝置的連接信號(hào)包括電壓、電流、開入、開出。測試過程中,全程無需測試人員操作和干預(yù),完成樣品檢測后自動(dòng)出具檢測報(bào)告。
圖9所示展示了柱上開關(guān)二次側(cè)測試框圖??刂栖浖O(shè)定測試系統(tǒng)為終端測試模式,即控制二次信號(hào)切換裝置建立終端測試儀通道到終端通道的通路。如配電終端為電磁式信號(hào)輸入,則控制軟件選擇終端測試儀(電磁式)作為信號(hào)源,若配電終端為電子式信號(hào)輸入,則控制軟件選擇終端測試儀(電子式)作為信號(hào)源??刂栖浖鶕?jù)測試大綱要求控制信號(hào)源輸出電壓、電流、開出信號(hào),接收終端的開入信號(hào)。其中,控制軟件采樣IEC104通信協(xié)議與配電終端通信,獲取配電終端的遙測、遙信、遙控、遙脈信息,并將這些信息與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算誤差,實(shí)現(xiàn)對(duì)配電終端的檢測。
圖9 柱上開關(guān)二次側(cè)測試框圖Fig.9 Block diagram of secondary side test of column switch
柱上開關(guān)一次側(cè)測試框圖如圖10所示。控制軟件設(shè)定測試系統(tǒng)為互感器測試模式,即控制一次信號(hào)切換裝置建立互感器測試儀通道到開關(guān)通道的通路??刂栖浖刂齐娫纯刂蒲b置輸出控制指令到電壓電流功率源,然后輸出要求的大功率電壓電流信號(hào),再通過自升壓標(biāo)準(zhǔn)PT和自升流標(biāo)準(zhǔn)CT 提升電壓和電流,產(chǎn)生控制軟件要求的0~10 kV 和0~600 A 信號(hào)施加到試品開關(guān)上。標(biāo)準(zhǔn)互感器和試品互感器同時(shí)輸出信號(hào)到互感器測試儀,通過采樣計(jì)算,互感器測試儀實(shí)現(xiàn)對(duì)試品互感器的精度誤差和相位誤差的檢測。
圖10 柱上開關(guān)一次側(cè)測試框圖Fig.10 Block diagram of primary side test of column switch
成套檢測的流程如圖11所示??刂栖浖O(shè)定測試系統(tǒng)為一二次成套測試模式,即控制二次信號(hào)切換裝置建立終端通道到開關(guān)通道的通路,控制一次信號(hào)切換裝置建立開關(guān)通道到終端通道的通路,這樣試品開關(guān)的信號(hào)就直接與待測終端連接??刂栖浖刂齐娫纯刂蒲b置輸出控制指令到電壓電流功率源,然后輸出要求的大功率電壓電流信號(hào),再通過自升壓標(biāo)準(zhǔn)PT和自升流標(biāo)準(zhǔn)CT 提升電壓和電流,產(chǎn)生控制軟件要求的0~10 kV 和0~600 V 信號(hào)施加到試品開關(guān)上。試品開關(guān)的互感器電壓電流信號(hào)、開出信號(hào)輸出到終端,接收終端的控制信號(hào)??刂栖浖c配電終端通信,獲取配電終端四遙信息,將獲得的信息與預(yù)期結(jié)果對(duì)比,計(jì)算誤差,實(shí)現(xiàn)一二次設(shè)備成套化檢測。
圖11 成套測試過程Fig.11 Complete test process
將傳統(tǒng)的測試方法和成套化測試方法進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖12所示。
圖12 測試方法對(duì)比Fig.12 Comparison of test methods
對(duì)于一二次融合設(shè)備,使用傳統(tǒng)的測試方法效率很低,測試人員需要針對(duì)被測對(duì)象設(shè)計(jì)測試案例,切換不同的測試項(xiàng)目時(shí),需要改接線,要將設(shè)備搬來搬去。測試結(jié)果需要測試人員記錄分析,測試人員需要全程參與。成套化測試方法相比于傳統(tǒng)測試方法少了兩個(gè)檢測工位,檢測場地面積節(jié)約了6.8 m2,每天的檢測成本減少了2個(gè)工時(shí),由于成套化檢測可以一次接線實(shí)現(xiàn)所有檢測內(nèi)容,其安全性也提高了很多。
以一二次融合智能開關(guān)為例,每套智能開關(guān)的檢測時(shí)間節(jié)省了80 min,測試效率提升了60%以上。表1為傳統(tǒng)測試方法與成套化測試方法對(duì)每套一二次融合開關(guān)檢測時(shí)間的對(duì)比結(jié)果。相比于傳統(tǒng)測試方法,本文提出的一二次融合測試方案配合綜合切換裝置,大幅度提高了檢測效率,其完全覆蓋了目前市場已有產(chǎn)品功能,可完成一二次融合及深度融合柱上開關(guān)和環(huán)網(wǎng)箱的全自動(dòng)化檢測,提高了一二次融合設(shè)備的檢測能力。
表1 柱上開關(guān)測試時(shí)間對(duì)比Tab.1 Test time comparison of column switch
此外,相比于傳統(tǒng)測試方法,成套化測試方法的技術(shù)優(yōu)勢在于:臺(tái)體可完成一次互感器測試、二次終端測試以及一二次融合聯(lián)調(diào)測試,滿足各種應(yīng)用場景需求;互感器測試系統(tǒng)兼容傳統(tǒng)電磁式互感器大信號(hào)和電子式互感器小信號(hào);終端測試系統(tǒng)可完成電磁式互感器大信號(hào)和電子式互感器小信號(hào)兩種終端的測試;具有自動(dòng)和手動(dòng)信號(hào)鏈路切換裝置,可用人工和軟件控制測試信號(hào)切換,在不改接線的情況下完成各種實(shí)驗(yàn);高壓開關(guān)、低壓終端測試儀和高壓源完全電氣隔離,保證儀器安全和操作安全;自動(dòng)生成檢測報(bào)告和檢測記錄,具有測試過程整體回溯功能。
本文研究了新型融合設(shè)備的成套化檢測方案,配合設(shè)計(jì)的綜合切換裝置解決了無法兼容電子式以及電磁式互感器設(shè)備的檢測問題,實(shí)現(xiàn)了配電設(shè)備的一次、二次及成套化檢測。與現(xiàn)有技術(shù)相比,該檢測方案中的二次終端測試系統(tǒng)、一次互感器測試系統(tǒng)和升壓升流系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,相互之間采用通信方式連接,由控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制;其既能獨(dú)立完成終端測試和互感器測試,也能完成一二次成套化測試,綜合切換裝置使得測試過程中無需改接線,可實(shí)現(xiàn)一次接線自動(dòng)完成所有測試項(xiàng)目,提高了檢測效率;四個(gè)子系統(tǒng)之間沒有強(qiáng)電耦合,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)弱電隔離,增強(qiáng)了安全性。