國網(wǎng)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(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，變電站也進(jìn)行了巨大改革，與之相匹配的繼電保護(hù)裝置也不斷完成著優(yōu)化與更新，以適應(yīng)變電站對繼電保護(hù)裝置的應(yīng)用需求。國家通過對繼電保護(hù)設(shè)施的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范，以此降低變電站對檢測設(shè)備個性化要求[1]。但實(shí)際檢測過程中，通信配置、測試項(xiàng)目以及相關(guān)參數(shù)仍需不斷修改，對于人力、物力的需求較大。同時(shí)，由于操作過程中一般需中斷部分線路的運(yùn)行，因此對于變電站的高效穩(wěn)定運(yùn)行也會產(chǎn)生一定影響，且受檢測速度和規(guī)模的限制在時(shí)間上也需要較大開銷。這也直接導(dǎo)致了設(shè)備定期測試的周期一般較長且測試結(jié)果的準(zhǔn)確性不高等問題，無法得到滿足變電站的運(yùn)行需求[2]，因此實(shí)現(xiàn)自動化的變電站繼電保護(hù)檢測系統(tǒng)就顯得尤為重要。

1 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)工作前，首先了解繼電保護(hù)設(shè)備工作基本原理，分析了對變電站繼電保護(hù)裝置進(jìn)行的測試過程中需要的關(guān)鍵條件，評估了測試系統(tǒng)中需要硬件設(shè)計(jì)具備的條件，根據(jù)分析結(jié)果，在本文設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)硬件部分充分應(yīng)用了EDA工具進(jìn)行電路設(shè)計(jì)[3]，這也是在電力行業(yè)被廣泛應(yīng)用的一種工具。與此同時(shí)，對各部分電路進(jìn)行樣品制作、電路調(diào)試和分析，以此為測試系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)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(tǒng)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(jìn)入芯片，而是首先對其進(jìn)行整流處理，通過電容和電阻的雙重作用實(shí)現(xiàn)對其的降壓、穩(wěn)壓處理，同時(shí)濾除其中的雜波，經(jīng)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(wěn)定電源。測試系統(tǒng)接收到的故障信號主要以互感器線圈為依托進(jìn)行傳達(dá)，當(dāng)出現(xiàn)故障信號時(shí)互感器線圈受刺激產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換后以電壓的形式輸入到芯片的管腳，在其內(nèi)部進(jìn)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(fù)責(zé)消除干擾噪聲；DLY管腳外接電容，主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)充放電時(shí)間。當(dāng)無故障信號出現(xiàn)時(shí)OA的輸出結(jié)果為低電壓，當(dāng)出現(xiàn)故障信號時(shí)OA的輸出結(jié)果為高電壓，并保持50ms以上的持續(xù)輸出時(shí)間。

LW301芯片中存在兩個互相對接的二極管，其主要負(fù)責(zé)鉗位電壓，將出現(xiàn)故障信號時(shí)的輸出電壓控制在0～0.5V范圍內(nèi)；存在兩個2.4K的電阻，其主要負(fù)責(zé)保護(hù)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(fù)責(zé)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(hù)裝置的故障信號時(shí)，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(dāng)LW301接收到故障信號后芯片電路系統(tǒng)對其做出反應(yīng)，單片機(jī)產(chǎn)生10位制的數(shù)字信號并呈現(xiàn)出明顯的周期性，在DA轉(zhuǎn)換器的作用下數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為輸出管腳的模擬信號，再通過差分輸入、輸出運(yùn)算。對信號進(jìn)行放大，并將放大后的信號提供到LW301集成電路中。

1.2 DAC轉(zhuǎn)換器及控制電路設(shè)備

DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備主要作用是信號轉(zhuǎn)換，將單片機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，完成離散數(shù)字信號與連續(xù)模擬信號間的轉(zhuǎn)化。本系統(tǒng)采用三通道10位DAC專用集成電路芯片AD7123?？刂齐娐凡捎肁TMEL公司設(shè)計(jì)的8位AVR精簡指令單片機(jī)ATMEGA8515。主要作用是負(fù)責(zé)控制、協(xié)調(diào)測試系統(tǒng)的工作；發(fā)出相關(guān)測試指令；返回測試結(jié)果和顯示控制等。

2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)軟件部分的控制程序包括主程序、控制程序、結(jié)果分析程序、結(jié)果顯示程序四部分。各程序相互交互，以此實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)硬件數(shù)據(jù)的分析和反饋，實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的各種功能。程序開始后，首先要對設(shè)備進(jìn)行初始化處理，對運(yùn)行過程中的變量、常量進(jìn)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(diào)動實(shí)現(xiàn)的。在完成系統(tǒng)初始化操作后就可運(yùn)行測試程序，在完成整個測試流程操作后就進(jìn)入程序結(jié)束模式。在該過程中，參數(shù)控制程序是對測試對象的參數(shù)進(jìn)行規(guī)定，確保在軟件誤差最小的條件下進(jìn)行測試工作，減少由參數(shù)引起的測試誤差。此外，在執(zhí)行測試任務(wù)的同時(shí)適當(dāng)在程序運(yùn)行過程中插入延時(shí)，以此過濾由于電路條件變化、抖動等因素引起的測試結(jié)果異常情況的發(fā)生。

在此基礎(chǔ)上，本文通過數(shù)據(jù)融合的方式對繼電保護(hù)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行判斷。首先對于要測試的設(shè)備構(gòu)建測試框架K，并在框架內(nèi)描述所有可能的測試結(jié)果。假設(shè)測試采樣結(jié)果異常為k1、開關(guān)異常為k2、動作異常為k3，不確定結(jié)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(jìn)行設(shè)置，在測試框架K內(nèi)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(shù)，計(jì)算測試框架內(nèi)所有結(jié)果的基本分配概率結(jié)果為式（1），其中P(ki)表示第i個測試結(jié)果對于測試目標(biāo)的基本分配概率，P(κ)第i個不確定測試結(jié)果對于測試目標(biāo)的基本分配概率，λi表示第i個測試結(jié)果的可靠性系數(shù)，λij表示第i個測試結(jié)果對于輸出故障j的隸屬度。得到測試結(jié)果的基本分配概率后就可對測試結(jié)果進(jìn)行融合，計(jì)算方法為式（2）。

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

圖1 不同測試系統(tǒng)故障測試結(jié)果

3 試驗(yàn)測試

為對所提系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證進(jìn)行了試驗(yàn)測試，并選用傳統(tǒng)測試系統(tǒng)和文獻(xiàn)[1]提出的變電站繼電保護(hù)設(shè)備測試系統(tǒng)作為對比，測試三個系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果。以某區(qū)域內(nèi)PCS-943高壓線路保護(hù)裝置試驗(yàn)對象，分別在測試進(jìn)行的第5s，7s，10s，12s，17s，20，在檢測設(shè)備內(nèi)輸入故障信號，故障頻率（Hz）與作用時(shí)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(tǒng)方法對于異常的識別結(jié)果最為微弱，在故障設(shè)置時(shí)間點(diǎn)內(nèi)未出現(xiàn)明顯的信號傳輸變化，對故障反應(yīng)不夠靈敏；而文獻(xiàn)[1]方法雖在設(shè)備異常檢測方面有所提升，但整體信號輸出穩(wěn)定性較差，信號幅值變化范圍明顯大于傳統(tǒng)方法；本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在設(shè)置的故障時(shí)間點(diǎn)均表現(xiàn)出明顯的信號差異，這表示其對設(shè)備異常存在較高的識別能力，同時(shí)在異常時(shí)間段內(nèi)其信號輸出始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)大幅度的信號波動。這主要是因?yàn)楸疚奶岢龅臏y試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對故障的融合計(jì)算，提高了檢測的靈敏性。