適應復雜工況的可攀越式繼電保護測試平臺

徐晶冉，徐　雯，朱振偉，韓　笑，邵美才

（1. 江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京，211102；2. 南京工程學院電力工程學院，江蘇南京，211167）

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適應復雜工況的可攀越式繼電保護測試平臺

徐晶冉1，徐雯1，朱振偉1，韓笑2，邵美才2

（1. 江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京，211102；2. 南京工程學院電力工程學院，江蘇南京，211167）

摘要：針對當前變電站在檢修過程中由于測試儀難以搬運、取電困難、誤操作等而導致供電可靠性降低的問題，介紹了一種適應復雜工況的可攀越式繼電保護多功能測試平臺。該測試平臺由履帶牽引模塊、逆變電路模塊、電壓檢測模塊、區域告警隔離模塊等構成，具有幫助各電壓等級變電站中檢測人員搬運測試儀時攀越樓梯、跨越障礙，通過平臺自備電源向測試儀供電，檢測時自定義區域隔離防誤入等功能。經南京某220 kV變電站現場測試表明，該平臺的使用增強了變電站檢修的安全性，增加了變電站運行維護的效率，提高了供電可靠性。

關鍵詞：變電站；繼電保護測試；逆變電路；區域隔離；爬樓機器人

變電站繼電保護設備測試是一項重要的檢修工作，而提高測試的質量和效率、縮短停電檢修時間對提升供電可靠性和優質服務水平，增加社會經濟效益具有重要意義［ 1-4 ］。微機型繼電保護測試儀器在變電站得到了極為廣泛的應用，但在繼電保護儀器現場試驗的過程中，因現場缺少供電設施導致的遠距離供電問題，延長了檢修時間，貴重測試儀在上下樓人工搬運過程中易造成損壞，儀器遠距離搬動時需多人協作耗費了人力；此外，試驗儀器在帶電檢測時常發生誤碰、誤操作等情況，這類問題經常造成設備損壞、人身傷害，降低了工作效率，給現場帶來了安全隱患，甚至擴大事故引起保護誤動，給電網安全造成影響［ 5 ］。因此，有必要設計一種功能多樣化，能夠提高變電站測試工作效率，安全性高，且易于操作的測試平臺。文獻［6］提到了一種車載移動式的高壓試驗平臺，但是無法解決變電站內樓層之間測試儀搬運、狹小空間測試作業等問題。文中提出了一種變電站多功能測試平臺，方便檢修人員平穩搬運試驗儀器，為繼電保護試驗儀器穩定供電，更能在測試儀帶電操作時提供防誤碰防漏電功能，保障了變電站調試維修工作高效安全進行。

1　測試平臺簡介

繼電保護多功能測試平臺是一種變電站進行繼電保護試驗時為測試儀提供擺放固定、自備電源供電、區域隔離防誤入、能爬越樓梯的平臺。整個平臺采用模塊化設計，由電氣控制，區域告警隔離，動力控制三部分組成，電氣控制部分安裝在履帶式牽引結構上，方便拆除，不僅能平穩安放測試儀器，還可隨著小車平地移動和樓層攀越，既方便了繼電保護測試儀搬運，又能為測試作業提供穩定供電，防誤碰防漏電等功能，安裝構成如圖1所示。

圖1　測試平臺安裝簡圖

2　動力控制部分

動力控制部分包括控制盒、控制手柄、牽引桿、底座、電機、履帶等，控制盒中安裝有按鈕，與底座中的電機具有電氣連接，電機可驅動兩側履帶轉動，控制測試平臺前后運動，檢測員可通過控制手柄和牽引桿引導平臺運動方向。電源由小車底座中的2個12V/20AH蓄電池串聯組成的24 V電池組供電。

2.1履帶爬樓結構

變電站在現場測試時過程復雜，設備繁多，為了讓檢測人員在移動測試儀時能夠平地越障和室內上下樓間搬動時攀越樓梯，在分析穩定性與安全性的基礎上，測試平臺設計成履帶底座結構。爬樓過程如圖2所示。

圖2　履帶爬樓示意圖

在圖2（a）中，底座前擺能否搭上第一級臺階，利用履帶摩擦力撐起整個平臺至關重要。根據國家標準，室內樓梯的高度一般為13～22 cm，踏步寬大于22 cm，因此設計底座前擺高度大于22 cm，使其在任何樓況下都能自動攀上臺階。攀上臺階后，整個平臺與水平線呈一定角度平行于斜面行駛，如圖2（b）。當底座后擺爬越過中心線后，按壓控制手柄使底座重新平行于水平線至圖2（d）所示，爬樓過程結束［ 7-9 ］。

2.2電機功率計算

平臺在平地無障礙時，輕按控制手柄使后端翹起，可利用平地車輪移動整體，達到無電驅動的目的。在上下樓和越障過程中，需要電機驅動履帶控制平臺移動速度，因此需要計算驅動功率以選擇合適電機。

平臺在爬樓時克服自身重力和儀器做功，已知其自身質量M為50 kg，測試儀及其他物品質量m為30 kg，如需要在20 s內爬越3 m高的樓層。根據公式（1）和（2）獲得電機選型參考。

式中：h為爬越高度；t為爬越時間；η為電機機械效率，取80%；Ω為轉速間接系數，取1.6 rad/s；T為電機轉矩。計算得到電機功率為117.6 W，電機轉矩為58.8 N·m。考慮到一定裕量，采用參數功率為150 W，轉矩為60 的電機，具有更好的操作性能。

3　電氣控制部分

考慮到變電站的實際情況和設計要求，電氣控制部分設計成微機嵌入式裝置。其硬件電路系統如圖3所示。

圖3　測試平臺電路系統

整套系統由主控電路和外圍電路構成，其中外圍電路又包括電源變換模塊、電壓檢測模塊、區域告警隔離模塊、人機交互模塊等。控制電路能將各模塊狀態參數顯示在人機交互模塊中的LED數碼管上。當區域告警隔離模塊檢測到人員靠近隔離區域或電壓檢測模塊檢測到蓄電池電壓過低等問題時，相應模塊能發送信號至控制電路，控制電路通過邏輯算法后采取相應控制策略發出信號，可控制人機交互模塊中的報警提示電路警示檢測人員排除故障，嚴重故障時能切斷系統電源，保障放置于平臺上的測試裝置及檢測員人身安全。

3.1逆變電路模塊

平臺將24 V蓄電池直流電壓逆變成穩定的220 V交流電壓，為變電站采用的最大輸出功率為500 W的繼電保護測試儀提供電源。目前逆變電路的新技術層出不窮，考慮到效果的優良性和實用性，該設計采用二次逆變技術，即按照低壓直流、高頻交流、高壓直流、高壓交流的順序依次轉換，達到良好的逆變效果。該設計先通過開關管將24 V直流轉換為50 kHz高頻交流方波，再通過變壓器將高頻低壓方波轉換為320 V的高頻交流，然后通過整流濾波后將320 V高壓交流轉化為320 V高壓直流，再將320 V的高壓直流經含有驅動芯片的全橋電路轉化為220 V的交流，最后通過LC濾波得到標準的220 V/50 Hz交流市電。

首先將蓄電池24 V電壓由TL494推挽電路和變壓器變換成320 V/50 kHz的高頻交流電，原理如圖4所示。

圖4　直流變換電路

圖中Q1、Q2為功率PNP型三極管，Q3、Q4為推挽場效應管，其最大耐壓值為200 V，電流32 A，滿足設計要求。得到320 V直流后，經過全橋橋式電路轉換成220 V交流電，如圖5所示。

圖5　交流變換電路

為了避免輸出的正弦波形中的雜波干擾，提高逆變電源效率，由精密振蕩集成電路ICL8038產生50 Hz正弦波輸入集成PWM控制芯片SG3525，2個高低輸出端產生2路互補的反向方波驅動全橋電路。考慮到電壓波動以及一定的裕量，場效應管Q5—Q8的電壓參數應大于400 V，參照場效應管的參數表，故選用型號為IRF820 A的場效應管，其耐壓值為500 V，最大電流為2.5A［ 10，11 ］。

實際運行時，考慮到負載的功率大小，功率管需要加適當的散熱片，同時可增加同型號的功率管并聯使用，相應地增加變壓器的功率，滿足現場要求。經過測試，在蓄電池一次充滿電后，可連續為功率60 W左右的繼電保護測試儀供電8 h，當繼電保護測試儀需要輸出大功率時，可外接多組蓄電池增加帶電測試時間。

3.2電壓檢測模塊

檢測蓄電池電壓并顯示，檢測人員可直觀了解電池電量，達到及時充電，避免了測試過程中由于電量不夠導致測試無法順利完成的情況。電源電壓檢測電路模塊使用了Freescale公司K60芯片內的ADC模塊，能夠實時并準確測量蓄電池電壓，其電路原理如圖6所示。

圖6　電壓檢測電路原理

考慮到電池電壓最高為24 V，如果直接將電壓與單片機ADC1_DM1功能引腳連接，會造成因灌電流過大導致單片機燒壞，因此利用R1與R2的分壓將電壓限制在0～3 V，單片機ADC模塊采集到電壓后通過軟件按比例放大相應倍數，達到檢測蓄電池電壓的目的。

4　區域告警隔離模塊

測試儀在檢測使用時一般需長時間運行，容易引起不明情況的人員因誤碰而導致故障，甚至危及人身安全。帶電檢測隔離能夠在運行時人員靠近進行報警，其電路如圖7所示。

圖7　超聲波檢測隔離示意圖

檢測隔離由4個超聲波模塊S1、S2、S3、S4構成，均采用HC-SR04超聲波測距模塊測量。相對其他測距模塊精度高，能達到3 mm以內，范圍為2～400 cm，滿足一般測距需求；模塊包括超聲波發射器、接收器以及控制電路。基本工作原理為首先由Trig口接收開啟測量的信號，信號持續時間需大于10 μs；信號觸發后，發射器發送8個40 kHz的方波，由接收器檢測返回信號；檢測到返回信號后，Echo口輸出一個高點平，可由控制器接受，發射與返回的時間差即為超聲波運動時間。計算距離可由式（3）計算得出：

式中：S為距離；Δt為收發時間差；Vs為聲速。單個超聲波測距原理流程如圖8所示。

圖8　超聲波測距流程

每個超聲波模塊與平臺水平呈45°斜角安裝，可檢測由上至下的人員肢體靠近。利用超聲波模塊收發的時間差，可測得物體與平臺隔離區域的距離，當至少有一個超聲波模塊檢測到有物體進入到隔離區域時，報警提示模塊發出聲光報警信號，提醒檢測人員排除故障，同時4個超聲波模塊間可以進行相互配合，能較精確地測定范圍［ 12 ］。

5　試驗案例

2015年9月，該測試平臺在南京東善橋變電站進行了現場試驗運用。多功能測試平臺載重一套常用繼電保護測試裝置，包括測試儀，電氣連接線及其箱體共約25 kg。一組完整試驗項目包括平地推行移動20 m所用時間tp，上樓（垂直高度3 m）所用時間ts，自備電源供電運行30 min后電壓Ub，告警隔離測試反應情況Δ，下樓所用時間tx等。試驗共進行3次，分別記錄相關數據，如表1所示。由表1數據可知，該多功能測試平臺可縮短測試儀在平地移動，上下樓搬運所用時間，能夠穩定提供220 V交流電源，在區域告警隔離作用方面效果明顯。

表1　測試結果

6　結束語

繼電保護多功能測試平臺能有效適用于變電站復雜工況的場所，平地越障和攀越樓梯式結構縮短了檢修時間，同時區域告警隔離減少變電站運行設備不必要的損失，從而增加了變電站運行維護的工作效率，提高供電檢修的安全性，有力保障了檢測人員的人身安全和供電可靠性。為適應智能變電站發展，方便變電站進行繼電保護試驗，將會研究出功能更加完善的測試平臺。

參考文獻：

［1］ 李孟超，王允平，李獻偉，等. 智能變電站及技術特點分析［J］.電力系統保護與控制，2010，38（18）：59-79.

［2］ 李先妹，黃家棟，唐寶鋒. 數字化變電站繼電保護測試技術的分析研究［J］. 電力系統保護與控制，2012，40（3）：105-108.

［3］ 田 濤，陳 昊，徐晶冉，等. 變電站智能現場報警裝置的研究設計［J］. 電工電氣，2015（5）：29-32.

［4］ 梁 琦，李林峰. 縮短客戶停電時間調度方法的探討［J］. 廣西電力，2010，33（1）：28-29.

［5］ 陳 昊，田 濤. 線路主保護復用數字通道傳輸設備的供電整改［J］. 供用電，2010，27（3）：39-43.

［6］ 王亞舟，江健武，鐘建靈. 電力綜合試驗車使用情況的理論分析及試驗總結［J］. 華中電力，2010，23（5）：59-62.

［7］ 滕 赟，姚 辰，王 挺. 變形履帶輪椅機器人的張緊力最優估計和越障能力分析［J］. 機器人，2010，32（5）：622-629.

［8］ 莫海軍，朱文堅. 履帶式移動機器人越障穩定性分析［J］. 機械科學與技術，2007，26（1）：65-67，71．

［9］ 饒 偉，王建中，施家棟. 關節式履帶機器人越障性能分析［J］.機械設計與制造，2014（6）：39-42.

［10］ 李 锃，胡 敏，鄧 焰. 一種修正正弦波輸出逆變電源的設計［J］. 機電工程，2008，25（1）：93-95.

［11］ 易龍強，戴瑜興. 正弦逆變電源的數字脈寬調制技術［J］. 湖南大學學報：自然科學版，2007，34（1）：37-42.

［12］ 陳春林，陳宗海，卓 睿. 基于多超聲波傳感器的移動機器人目標識別［J］. 模式識別與人工智能，2005，18（5）：602-607.

徐晶冉（1978），男，江蘇南京人，高級技師，從事變電二次檢修工作；

徐雯（1986），女，江蘇南京人，工程師，從事變電二次檢修工作；

朱振偉（1983），男，山東莘縣人，工程師，從事變電二次檢修工作；

韓笑（1969），男，江蘇無錫人，教授，從事電力系統繼電保護研究工作；

邵美才（1991），男，浙江金華人，碩士，從事電力系統繼電保護研究工作。

Climbing Type Relay Protection Testing Platform for Complex Working Conditions

XU Jingran1， XU Wen1， ZHU Zhenwei1， HAN Xiao2， SHAO Meicai2
（1. Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch ， Nanjing 211102， China；2. School of Electrical Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstract：In the view of current repairing process in transformer substation， this paper introduces a kind of relay protection multifunctional testing platform to solve the problem of supplying reliability decrease， which is caused by the difficulties such as carrying tester， supplying power and wrong operation etc. The testing platform is made up of crawler base module， inverter circuit module， voltage electrical measuring module， regional alarm isolation module etc.， which can help testing personnel to climb stairs and cross obstacle， and supply power to testing equipment from self-contained power source and define insulation zone to avoid accidently coming to the zone etc. The results of the field testing in Nanjing 220 kV substation show the use of this platform could enhance the security of the substation maintenance， increase the efficiency of the substation operation maintenance， and improve power supply reliability.

Key words：substation； relay protection testing； inversion circuit； regional isolation； building climbing robot

中圖分類號：TM733

文獻標志碼：B

文章編號：1009-0665（2016）03-0053-04

作者簡介：

收稿日期：2015 -11-27；修回日期：2016-02-02