王偉能，陳福勝，盧萍

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

基于數(shù)字化PID的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器自動(dòng)測(cè)試裝置

Automatic testingequipment of residual current protection device based on digital PID

王偉能1，陳福勝2，盧萍2

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

文中提出了一種基于數(shù)字化PID的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器自動(dòng)測(cè)試裝置，該裝置集過(guò)載動(dòng)作特性測(cè)試、溫升測(cè)試和耐壓測(cè)試功能于一體，能夠全面、準(zhǔn)確的測(cè)試剩余電流動(dòng)作保護(hù)器性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于已有產(chǎn)品，本裝置提升了輸出電壓、電流準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，自動(dòng)完成相關(guān)測(cè)試工作。

剩余電流動(dòng)作保護(hù)器；數(shù)字化PID；自動(dòng)測(cè)試裝置；過(guò)載動(dòng)作特性；過(guò)電流

低壓配電線路多而復(fù)雜，線路維護(hù)檢修工作難度大。特別是在農(nóng)村配電網(wǎng)絡(luò)中，電力故障時(shí)有發(fā)生，安裝剩余電流動(dòng)作保護(hù)器 (以下簡(jiǎn)稱保護(hù)器)是防止低壓電網(wǎng)中人身觸電、電氣火災(zāi)及電氣設(shè)備損壞的一種有效的防護(hù)措施〔1－4〕。目前某些保護(hù)器在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)由于受過(guò)電流和溫升的影響經(jīng)常出現(xiàn)誤動(dòng)作和拒動(dòng)作等故障，而多數(shù)的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器測(cè)試裝置 (以下簡(jiǎn)稱測(cè)試裝置)僅對(duì)保護(hù)器的單個(gè)性能進(jìn)行手工測(cè)試〔5－7〕，如額定動(dòng)作電流、額定不動(dòng)作電流、額定動(dòng)作時(shí)間等，對(duì)保護(hù)器的過(guò)電流下的動(dòng)作特性和負(fù)載電流溫升特性缺乏科學(xué)、有效的檢測(cè)手段。為了保證保護(hù)器在現(xiàn)場(chǎng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，必須對(duì)其性能進(jìn)行全面、有效的測(cè)試。

在進(jìn)行過(guò)電流動(dòng)作特性的測(cè)試時(shí)，為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，測(cè)試正弦電流必須穩(wěn)定、精確。根據(jù)文獻(xiàn)〔8〕要求，試驗(yàn)電流誤差≤±2%，正弦波失真度＜5%。為了得到測(cè)試所需的大電流，傳統(tǒng)采用的是短路法，但其試驗(yàn)電流的精度和穩(wěn)定度難以滿足要求。

對(duì)于保護(hù)器溫升特性測(cè)試通常采用人工記錄溫度的方法，工作量較大，人工讀數(shù)易出錯(cuò)，對(duì)于不同保護(hù)器的測(cè)試一致性較差，且難以記錄整個(gè)升溫過(guò)程。

同時(shí)，傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置沒(méi)有對(duì)保護(hù)器進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，因此不能有效驗(yàn)證保護(hù)器的絕緣能力，給保護(hù)器的運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。

針對(duì)目前保護(hù)器測(cè)試裝置的不足，依據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，文中提出了一種基于數(shù)字化 PID (Proportion Integration Differentiation) 的新型保護(hù)器自動(dòng)測(cè)試裝置，該裝置集過(guò)載動(dòng)作特性測(cè)試、溫升測(cè)試和耐壓測(cè)試功能于一體，能夠全面、準(zhǔn)確地測(cè)試剩余電流動(dòng)作保護(hù)器性能。

1 數(shù)字化PID在本測(cè)試裝置中的應(yīng)用

保護(hù)器測(cè)試裝置的電壓回路和電流回路的負(fù)載是時(shí)刻變化的，為了保證輸出電壓和電流在負(fù)載變化的時(shí)候仍能保持穩(wěn)定輸出，且滿足精度要求，需要設(shè)計(jì)合理的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓、電流的精確控制。文中采用數(shù)字化PID算法，如圖1所示。

圖1 PID閉環(huán)控制原理框圖

圖1中，r(t)是給定值，y(t)是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差e(t):

e(t)作為PID控制器的輸入，u(t)作為PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。PID控制器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中 Kp為比例系數(shù)；TI為積分系數(shù)；TD為微分系數(shù)；u0為控制常量。

對(duì)式 (2)中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)進(jìn)行離散化處理:以T作為采樣周期，k作為采樣序號(hào)，則離散采樣時(shí)間kT對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)間t，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，可作近似變換: t≈Kt (k＝0，1，2，…)

式 (3)中，為了表示方便，將類似于e(kT)簡(jiǎn)化成ek。

將式 (3)代入式 (2)，得到數(shù)字化PID表達(dá)式為:式中 k為采樣序號(hào)，k＝0，1，2，…；uk為第 k次采樣時(shí)計(jì)算機(jī)輸出值；ek為第k次采樣時(shí)輸入的偏差值；ek－1為第k－1次采樣時(shí)輸入的偏差值；KI為積分系數(shù)，kI＝KpT/TI；KD為微分系數(shù)，KD＝KpTD/T；u0為進(jìn)行PID控制時(shí)的原始初值。

如果采樣周期取得足夠小，則式 (4)可獲得足夠精確的結(jié)果。由式 (4)可得數(shù)字化PID控制器在第k－1個(gè)采樣周期時(shí)的輸出值:

將式 (4)與式 (5)相減，得到數(shù)字化PID控制算法公式為:

由式 (6)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于恒定采樣周期 T，A，B，C只要使用前后3次測(cè)量值的偏差，就可以由式 (6)求出增量，并得出數(shù)字化PID控制算法遞推計(jì)算公式:

式 (7)就是文中所提測(cè)試裝置所應(yīng)用的數(shù)字化PID控制算法。軟件的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖 2所示。

圖2 數(shù)字化PID控制算法流程圖

以控制輸出電流幅值為例，在上述控制過(guò)程中，若電流幅值給定值為720 A，在3000A/5的電流互感器二流回路中為1.2 A。如果當(dāng)前測(cè)量值為0.5 A，按Kp＝150，Ki＝2，Kd＝1.2計(jì)算:

經(jīng)過(guò)3次計(jì)算后，電流到達(dá)預(yù)定值1.2 A，整個(gè)控制在6個(gè)采集周期內(nèi)完成。按工頻信號(hào)20 ms的3倍時(shí)間采樣，加計(jì)算機(jī)的其它運(yùn)行時(shí)間，電流穩(wěn)定時(shí)間小于0.5 s。由于計(jì)算是實(shí)時(shí)的，當(dāng)負(fù)載本身變化時(shí)，仍能保持良好的電流特性。

給出預(yù)設(shè)電流為2 000 A時(shí)，采用變比為1 000 A/0.5 A的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器采樣，在二次回路通過(guò)1 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻取樣，得到的輸出電流信號(hào)波形。輸出電流波形較好，諧波含量少。進(jìn)一步在不同預(yù)設(shè)電流條件下，測(cè)試輸出電流，發(fā)現(xiàn)電流幅值誤差不超過(guò)1%，總諧波失真度不超過(guò)3%，滿足剩余電流動(dòng)作保護(hù)器動(dòng)作性能測(cè)試的要求。

2 基于PID技術(shù)的測(cè)試裝置

如圖3所示，為文中所提測(cè)試裝置的原理圖，主要由測(cè)量控制儀、溫度測(cè)試儀、耐壓測(cè)試模塊、交流變頻電源、變流器、電流互感器和PC機(jī)及應(yīng)用軟件等部分組成。其中，交流變頻電源采用數(shù)字化PID技術(shù)，輸出高精度電壓和電流。測(cè)量控制儀采用高速工業(yè)級(jí)CPU作為核心處理器，向交流變頻電源發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓、電流的實(shí)時(shí)控制，同時(shí)實(shí)時(shí)采集被試品的試驗(yàn)參數(shù) (如試驗(yàn)電壓、動(dòng)作電流、動(dòng)作時(shí)間等)，并將測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)。溫度測(cè)試儀通過(guò)分布式的熱電偶測(cè)量探頭采集被試品各點(diǎn)的溫度，構(gòu)成多路溫度測(cè)試系統(tǒng)，并將溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇C機(jī)。交流變頻電源、變流器、電流互感器構(gòu)成測(cè)試裝置的輸出模塊，輸出試驗(yàn)所需的電壓、電流。PC機(jī)安裝了基于LabView的測(cè)試軟件，控制試驗(yàn)流程的進(jìn)行，綜合分析被試品的性能，并打印記錄和報(bào)告。

圖3 測(cè)試裝置原理圖

3 整機(jī)測(cè)試

3.1 測(cè)試環(huán)境

整機(jī)功能測(cè)試環(huán)境見表1。

3.2 輸出性能

為比較本項(xiàng)目研制的測(cè)試裝置與傳統(tǒng)測(cè)試裝置的性能 (文中以ABB－800塑殼斷路器延時(shí)特性校驗(yàn)臺(tái)為例)，分別在不同溫度、濕度條件下，對(duì)本裝置和傳統(tǒng)裝置的輸出性能進(jìn)行測(cè)試，如圖4，5所示。由圖4可知，在溫度一定的條件下，本裝置的輸出特性對(duì)于相對(duì)濕度的敏感度比傳統(tǒng)裝置要小；由圖5可知，在相對(duì)濕度一定的條件下，本裝置的輸出特性受溫度的影響較小。由此可知，本裝置具有更穩(wěn)定的輸出，對(duì)于外界環(huán)境具有更好的抗干擾能力。

表1 測(cè)試環(huán)境

圖4 環(huán)境溫度20℃時(shí)，不同相對(duì)濕度下，與傳統(tǒng)測(cè)試裝置的輸出比較

圖5 相對(duì)濕度40%時(shí)，不同環(huán)境溫度下，與傳統(tǒng)測(cè)試裝置的輸出比較

3.3 過(guò)載動(dòng)作特性測(cè)試

為了比較本裝置與傳統(tǒng)裝置動(dòng)作測(cè)試性能，分別用本裝置和傳統(tǒng)裝置 (ABB－800塑殼斷路器延時(shí)特性檢驗(yàn)臺(tái))進(jìn)行過(guò)電流條件下的動(dòng)作特性測(cè)試，該試品為ZSLL1－250/Q1剩余電流動(dòng)作保護(hù)器4只，標(biāo)記為1－1/1－2/1－3/1－4。

對(duì)比表2中數(shù)據(jù)可知，使用傳統(tǒng)裝置時(shí)由于電網(wǎng)的允許波動(dòng)、人工目測(cè)觀察，及人工按鈕操作，造成響應(yīng)及控制延遲，引起電流波動(dòng)較大；本裝置在相同的測(cè)試條件下，對(duì)同批次、同規(guī)格的試品，過(guò)載動(dòng)作特性基本一致。

3.4 溫升和耐壓試驗(yàn)

在對(duì)保護(hù)器進(jìn)行溫升性能試驗(yàn)時(shí)，利用PC機(jī)軟件設(shè)置輸出試驗(yàn)電流和試驗(yàn)時(shí)間，通過(guò)8路溫度傳感器來(lái)檢測(cè)保護(hù)器各部件的溫升，并自動(dòng)結(jié)束試驗(yàn)。

在對(duì)保護(hù)器進(jìn)行耐壓性能試驗(yàn)時(shí)，把測(cè)試裝置的輸出電壓施加于保護(hù)器的絕緣上，設(shè)置好試驗(yàn)時(shí)間和泄漏電流值，進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，本裝置能夠滿足保護(hù)器耐壓測(cè)試需求。

表2 動(dòng)作特性測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

文中基于數(shù)字化PID的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器自動(dòng)測(cè)試裝置，已在國(guó)網(wǎng)湖南電力公司電力科學(xué)研究院正式運(yùn)行。該裝置有效地解決了目前剩余電流動(dòng)作保護(hù)器測(cè)試裝置不能自動(dòng)開展動(dòng)作特性測(cè)試、負(fù)載溫升特性測(cè)試和耐壓特性測(cè)試的問(wèn)題，提升了測(cè)試裝置輸出電壓、電流的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試流程的自動(dòng)化，減少了檢測(cè)工作的工作量，為保護(hù)器的測(cè)試和選型提供了重要平臺(tái)。

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10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.021

TM77

B

1008-0198(2015)04-0083-04

2015-06-16

國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司科技項(xiàng)目 (5216A01300JR)

王偉能 (1983)，漢族，博士，主要從事電能計(jì)量器具檢測(cè)與研發(fā)。