變電站繼電保護設備自動測試系統設計

國網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

隨著我國社會和經濟的不斷發展，變電站也進行了巨大改革，與之相匹配的繼電保護裝置也不斷完成著優化與更新，以適應變電站對繼電保護裝置的應用需求。國家通過對繼電保護設施的生產標準進行規范，以此降低變電站對檢測設備個性化要求[1]。但實際檢測過程中，通信配置、測試項目以及相關參數仍需不斷修改，對于人力、物力的需求較大。同時，由于操作過程中一般需中斷部分線路的運行，因此對于變電站的高效穩定運行也會產生一定影響，且受檢測速度和規模的限制在時間上也需要較大開銷。這也直接導致了設備定期測試的周期一般較長且測試結果的準確性不高等問題，無法得到滿足變電站的運行需求[2]，因此實現自動化的變電站繼電保護檢測系統就顯得尤為重要。

1 測試系統硬件設計

在進行測試系統的硬件設計工作前，首先了解繼電保護設備工作基本原理，分析了對變電站繼電保護裝置進行的測試過程中需要的關鍵條件，評估了測試系統中需要硬件設計具備的條件，根據分析結果，在本文設計的測試系統硬件部分充分應用了EDA工具進行電路設計[3]，這也是在電力行業被廣泛應用的一種工具。與此同時，對各部分電路進行樣品制作、電路調試和分析，以此為測試系統的運行穩定性及可靠性提供保障。

1.1 LW301芯片

本文選用LW301芯片作為測試系統部分的電路芯片，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入芯片，而是首先對其進行整流處理，通過電容和電阻的雙重作用實現對其的降壓、穩壓處理，同時濾除其中的雜波，經處理后的電流通過芯片的電源管腳完成對供電電源的控制，以此保證其接收到的電源是直流穩定電源。測試系統接收到的故障信號主要以互感器線圈為依托進行傳達，當出現故障信號時互感器線圈受刺激產生感應電流，經電阻轉換后以電壓的形式輸入到芯片的管腳，在其內部進行放大處理。其中OA管腳為輸出管腳，外接電容濾波器，主要負責消除干擾噪聲；DLY管腳外接電容，主要負責調節充放電時間。當無故障信號出現時OA的輸出結果為低電壓，當出現故障信號時OA的輸出結果為高電壓，并保持50ms以上的持續輸出時間。

LW301芯片中存在兩個互相對接的二極管，其主要負責鉗位電壓，將出現故障信號時的輸出電壓控制在0～0.5V范圍內；存在兩個2.4K的電阻，其主要負責保護輸入端口，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，其主要負責減低噪聲干擾對輸入信號的影響，并提高芯片靈敏度。LW301芯片的集成電路在檢測變電站繼電保護裝置的故障信號時，既能檢測AC型交流故障信號，也可檢測A型脈動直流故障信號。當LW301接收到故障信號后芯片電路系統對其做出反應，單片機產生10位制的數字信號并呈現出明顯的周期性，在DA轉換器的作用下數字信號轉化為輸出管腳的模擬信號，再通過差分輸入、輸出運算。對信號進行放大，并將放大后的信號提供到LW301集成電路中。

1.2 DAC轉換器及控制電路設備

DAC數模轉換設備主要作用是信號轉換，將單片機產生的數字信號轉換成模擬電壓信號，完成離散數字信號與連續模擬信號間的轉化。本系統采用三通道10位DAC專用集成電路芯片AD7123。控制電路采用ATMEL公司設計的8位AVR精簡指令單片機ATMEGA8515。主要作用是負責控制、協調測試系統的工作；發出相關測試指令；返回測試結果和顯示控制等。

2 測試系統軟件設計

測試系統軟件部分的控制程序包括主程序、控制程序、結果分析程序、結果顯示程序四部分。各程序相互交互，以此實現對系統硬件數據的分析和反饋，實現測試系統的各種功能。程序開始后，首先要對設備進行初始化處理，對運行過程中的變量、常量進行初始化賦值處理。該過程主要是通過對初始化子程序的調動實現的。在完成系統初始化操作后就可運行測試程序，在完成整個測試流程操作后就進入程序結束模式。在該過程中，參數控制程序是對測試對象的參數進行規定，確保在軟件誤差最小的條件下進行測試工作，減少由參數引起的測試誤差。此外，在執行測試任務的同時適當在程序運行過程中插入延時，以此過濾由于電路條件變化、抖動等因素引起的測試結果異常情況的發生。

在此基礎上，本文通過數據融合的方式對繼電保護設備的狀態進行判斷。首先對于要測試的設備構建測試框架K，并在框架內描述所有可能的測試結果。假設測試采樣結果異常為k1、開關異常為k2、動作異常為k3，不確定結果為集合K，那么則有K=｛k1,k2,k3,κ｝。接下來對基本分配概率進行設置，在測試框架K內基本分配概率P為[0,1]，且滿足條件那么P(k)則可以表示基本可靠指數，計算測試框架內所有結果的基本分配概率結果為式（1），其中P(ki)表示第i個測試結果對于測試目標的基本分配概率，P(κ)第i個不確定測試結果對于測試目標的基本分配概率，λi表示第i個測試結果的可靠性系數，λij表示第i個測試結果對于輸出故障j的隸屬度。得到測試結果的基本分配概率后就可對測試結果進行融合，計算方法為式（2）。

最后根據融合結果對測試設備是否存在故障進行決策，當P'(ki)=max{P(ki),kiK}時輸出結果為存在已知故障隱患；當P'(ki)≥P(K)時輸出結果為存在不確定故障隱患；當P'(ki)=0時輸出結果為不存在故障隱患，設備安全。

圖1 不同測試系統故障測試結果

3 試驗測試

為對所提系統的性能進行驗證進行了試驗測試，并選用傳統測試系統和文獻[1]提出的變電站繼電保護設備測試系統作為對比，測試三個系統的試驗結果。以某區域內PCS-943高壓線路保護裝置試驗對象，分別在測試進行的第5s，7s，10s，12s，17s，20，在檢測設備內輸入故障信號，故障頻率（Hz）與作用時間（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，傳統方法對于異常的識別結果最為微弱，在故障設置時間點內未出現明顯的信號傳輸變化，對故障反應不夠靈敏；而文獻[1]方法雖在設備異常檢測方面有所提升，但整體信號輸出穩定性較差，信號幅值變化范圍明顯大于傳統方法；本文所設計系統在設置的故障時間點均表現出明顯的信號差異，這表示其對設備異常存在較高的識別能力，同時在異常時間段內其信號輸出始終處于穩定狀態，未出現大幅度的信號波動。這主要是因為本文提出的測試系統實現了對故障的融合計算，提高了檢測的靈敏性。