繼電保護(hù)裝置跳閘出口校驗新方法研究

習(xí)思敏，劉順強(qiáng)，朱德強(qiáng)

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司清遠(yuǎn)供電局，廣東清遠(yuǎn) 511515）

1 研究背景

電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)種類繁多，邏輯復(fù)雜，不同元件的保護(hù)原理其保護(hù)范圍又有交叉重復(fù)的情況，例如母差保護(hù)保護(hù)范圍包括連接于母線上的所有設(shè)備如線路、主變等。在新設(shè)備驗收投運(yùn)、舊設(shè)備年度定檢工作時，如何校驗各個保護(hù)邏輯的正確性是繼電保護(hù)二次專業(yè)工作的重要部分。以220 kV變電站主變壓器保護(hù)裝置為例，其保護(hù)分高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)三部分，除了主保護(hù)差動保護(hù)外，每側(cè)的保護(hù)邏輯又包括接地距離、零序方向、相間阻抗、零序過流等多種類型的后備保護(hù)，其中每個保護(hù)邏輯可分為I、II、III共3段，每段又可分為3個時限。針對每個保護(hù)邏輯動作跳的開關(guān)不同，如果將各種保護(hù)一列作為縱坐標(biāo)，出口繼電器一列作為橫坐標(biāo)，每種保護(hù)與各出口繼電器相交的那個點(diǎn)置“1”，說明此種保護(hù)邏輯動作后啟動該出口，這樣就形成了跳閘矩陣，如圖1所示。

圖1 主變保護(hù)裝置跳閘矩陣示意圖

圖2 220 kV堤岸變電站主變壓器保護(hù)壓板

圖2 為清遠(yuǎn)地區(qū)220 kV堤岸變電站主變壓器保護(hù)壓板概況，圖中深色壓板都是跳閘出口壓板，共有15個。為驗證保護(hù)裝置保護(hù)動作的正確性，模擬故障時保護(hù)裝置的跳閘出口邏輯須與保護(hù)定值中的跳閘矩陣一致。傳統(tǒng)的保護(hù)邏輯出口壓板的校驗方法有兩種。一是采用萬用表DC檔逐一測量跳閘出口壓板的電位。由于保護(hù)裝置跳閘脈沖是毫秒（ms）級的瞬時電壓脈沖，為100 ms左右，而萬用表表計的靈敏度達(dá)不到這么高要求，實際測量時顯示結(jié)果不直觀，特別是當(dāng)繼保人員覺得顯示結(jié)果不明確的時候還需要重復(fù)做試驗以確保保護(hù)動作正確。另外一個方法就是采用目前常用的繼保試驗儀，將保護(hù)裝置的開出節(jié)點(diǎn)接入到試驗儀的開入節(jié)點(diǎn)。由于繼保試驗儀的開入只有4對輸入端口，而且只能接入無源節(jié)點(diǎn)，這涉及到保護(hù)屏端子排的拆接線，存在誤跳運(yùn)行設(shè)備的風(fēng)險，因此此種方法較少采用。目前的實際工作中一般采用用萬用表測量的方法，對于兩套主變保護(hù)裝置，其跳閘邏輯將超過數(shù)十種，以每種保護(hù)邏輯平均關(guān)聯(lián)8個壓板計算，完整檢驗完保護(hù)跳閘矩陣將需要不少的時間，考慮到主變壓器的定檢一般安排4～5人，僅校驗保護(hù)裝置的跳閘矩陣就需要至少2人配合試驗，勢必占用較大人力物力，本文提出一種專用的保護(hù)裝置跳閘出口測試儀，以對上述工作進(jìn)行改進(jìn)。

2 測試儀的設(shè)計原理

為了使測試儀更具有通用性，能適用于不同變電站內(nèi)直流控制電源的要求，同時提高試驗效率，做到模擬一次故障就校驗一個保護(hù)邏輯的多個壓板，提出以下幾點(diǎn)設(shè)計要求：（1）脈沖電壓檢測能力達(dá)毫秒級，檢測范圍50～120V；（2）檢測輸入端口8個以上，以滿足校驗多個壓板的要求；（3）能對保護(hù)裝置的動作出口時間進(jìn)行計時；（4）測試儀接入保護(hù)裝置的控制電源時不能導(dǎo)致站內(nèi)直流電源系統(tǒng)接地。為達(dá)到以上要求，采用了以下設(shè)計方法[1-2]：（1）測試儀核心為STC12C5616AD單片機(jī)，其速度是普通的51單片機(jī)的12倍，使用24MHz的晶振時，掃描周期為100微秒，滿足脈沖電壓檢測精度要求；（2）考慮到多數(shù)變電站內(nèi)保護(hù)裝置的跳閘出口壓板數(shù)一般不超過8個，本文設(shè)計了8通道輸入檢測端口，可以滿足絕大多數(shù)保護(hù)裝置的檢驗要求；（3）設(shè)計了脈沖計時電路，采用12864液晶板顯示時間，可以較為清晰的顯示8個通道的計時時間；（4）提高輸入有效電壓，設(shè)置一個20 V的門檻電壓，從硬件上濾除干擾電壓的影響，并保證電路最小輸入電阻大于500千歐，保證極端條件下不會造成變電站內(nèi)直流電源系統(tǒng)接地?？傮w設(shè)計模型如圖3所示，其工作原理為：計時啟動輸入端接入ONLLY繼保試驗儀的開出端[3]，當(dāng)ONLLY試驗儀開始故障模擬時，其輸出的一對開出接點(diǎn)啟動測試儀，當(dāng)某一跳閘脈沖輸入端檢測到跳閘出口壓板有正電壓脈沖到來時，計時程序記錄下該輸入端的脈沖到來時間并在液晶屏上顯示；若10 s內(nèi)無脈沖電壓輸入，則程序停止，按下復(fù)歸按鍵后進(jìn)入下次檢測等待。另外，計時啟動回路也可由外部短接線啟動，方便進(jìn)行一些故障的手動控制模擬。

圖3 設(shè)計模型圖

2.1 硬件電路設(shè)計

圖4 脈沖檢測電路

圖5 脈沖計時電路

圖6 程序設(shè)計流程圖

本文所提出的硬件電路包含兩個主要模塊：脈沖檢測電路和計時電路。脈沖檢測電路如圖4所示，包括檢測通道電路和指示通道電路。計時電路如圖5所示，包括啟動電路和指示電路。

其他電路還包括電源供電電路、清零復(fù)歸電路和反接保護(hù)電路等。其中電源供電電路采用5 V低壓直流電源供電，保證了用電安全；清零復(fù)歸電路功能方便測試儀多次檢驗；反接保護(hù)電路采用了FR107二極管，反向擊穿電壓是1 000 V，考慮到跳閘脈沖最大輸入電壓不超過120 V，保證了脈沖反向輸入情況下測試儀和人員的安全。本文中的檢測電路采用了抗干擾設(shè)計，檢測電壓門檻值為50 V，電壓低于50 V時電路三極管不會導(dǎo)通，因此可以濾除50 V以下的干擾電壓。

2.2 軟件程序設(shè)計

程序采用C語言編程，同時為濾除干擾電壓，要求脈沖電壓有效時間必須大于10 ms，否則視為干擾電壓不予顯示。程序流程如圖6所示。

本文從硬件和軟件兩方面采用了抗干擾設(shè)計，保證了檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 測試儀的應(yīng)用效果

表1為對2013-2014年度清遠(yuǎn)供電局繼保班所管轄部分變電站的主變進(jìn)行驗收和定檢時主變跳閘矩陣的校驗時間統(tǒng)計，其檢驗方法為采用萬用表測量的方法。

為便于統(tǒng)計，規(guī)定主變?nèi)齻?cè)或兩側(cè)的跳閘邏輯種類數(shù)相等，實際出口壓板數(shù)則電壓等級高的取大值，電壓等級低的取小值，中壓側(cè)取平均值。根據(jù)實際工作經(jīng)驗用萬用表測量壓板5個以上則有一個測量不準(zhǔn)確，8個以上有兩個。并且定義以下兩個計算模型：

（1）跳閘矩陣的校驗時間=保護(hù)邏輯種類數(shù)*單個邏輯平均校驗時間；

（2）校驗準(zhǔn)確率=保護(hù)邏輯出口壓板總數(shù)/實際校驗出口壓板總數(shù)。

部分變電站主變保護(hù)裝置采用跳閘出口測試儀檢驗后，其統(tǒng)計結(jié)果如表2所示：

表1 萬用表檢驗結(jié)果統(tǒng)計

表2 矩陣測試儀檢驗結(jié)果統(tǒng)計

將兩種方法應(yīng)用到變電站的檢驗結(jié)果進(jìn)行對比，如圖7所示。

圖7 檢驗方法結(jié)果對比圖

從上述圖表中可以看出：采用測試儀對主變保護(hù)裝置的跳閘矩陣進(jìn)行校驗后，校驗準(zhǔn)確率提高到100%，校驗時間最低減少了73.9%，最高減少了91.9%，說明對于電壓等級愈高的主變保護(hù)裝置，或者保護(hù)邏輯愈多的保護(hù)裝置，采用本文提出的測試儀方案校驗跳閘邏輯出口，可以極大地提高工作效率，節(jié)省檢驗時間。

4 總結(jié)

本測試儀的創(chuàng)新在于功能可靠、設(shè)計簡單、使用方便。采用單片機(jī)編程技術(shù)使跳閘出口壓板的檢驗準(zhǔn)確率大幅提升，電路設(shè)計采用了強(qiáng)弱電隔離的抗干擾設(shè)計，設(shè)計了8個壓板接入通道，原來需2個人配合的試驗工作現(xiàn)在一個人就可以完成，提高了工作效率，同時測試儀具有液晶顯示功能，可以直觀地顯示檢驗結(jié)果并給出保護(hù)動作時間，是對保護(hù)裝置動作時間的一個補(bǔ)充檢驗。除了主變保護(hù)裝置的跳閘出口矩陣檢驗外，對于關(guān)聯(lián)多個出口壓板的保護(hù)邏輯校驗，如母差保護(hù)、線路保護(hù)啟動失靈等，本測試儀具有非常明顯的實際使用效果。

［1］胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1996.

［2］華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)：第四版［M］.北京：高等教育出版社，2014.

［3］ONLLY-A系列用戶手冊［Z］.廣州：廣東昂立電氣自動化有限公司，2011.