基于数字化PID的剩余电流动作保护器自动测试装置

王伟能，陈福胜，卢萍

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007；2.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南 长沙 410007)

基于数字化PID的剩余电流动作保护器自动测试装置

Automatic testingequipment of residual current protection device based on digital PID

王伟能1，陈福胜2，卢萍2

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007；2.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南 长沙 410007)

文中提出了一种基于数字化PID的剩余电流动作保护器自动测试装置，该装置集过载动作特性测试、温升测试和耐压测试功能于一体，能够全面、准确的测试剩余电流动作保护器性能。试验结果表明，相比于已有产品，本装置提升了输出电压、电流准确度和稳定度，自动完成相关测试工作。

剩余电流动作保护器；数字化PID；自动测试装置；过载动作特性；过电流

低压配电线路多而复杂，线路维护检修工作难度大。特别是在农村配电网络中，电力故障时有发生，安装剩余电流动作保护器 (以下简称保护器)是防止低压电网中人身触电、电气火灾及电气设备损坏的一种有效的防护措施〔1－4〕。目前某些保护器在现场运行时由于受过电流和温升的影响经常出现误动作和拒动作等故障，而多数的剩余电流动作保护器测试装置 (以下简称测试装置)仅对保护器的单个性能进行手工测试〔5－7〕，如额定动作电流、额定不动作电流、额定动作时间等，对保护器的过电流下的动作特性和负载电流温升特性缺乏科学、有效的检测手段。为了保证保护器在现场的稳定、可靠运行，必须对其性能进行全面、有效的测试。

在进行过电流动作特性的测试时，为保证试验的准确性，测试正弦电流必须稳定、精确。根据文献〔8〕要求，试验电流误差≤±2%，正弦波失真度＜5%。为了得到测试所需的大电流，传统采用的是短路法，但其试验电流的精度和稳定度难以满足要求。

对于保护器温升特性测试通常采用人工记录温度的方法，工作量较大，人工读数易出错，对于不同保护器的测试一致性较差，且难以记录整个升温过程。

同时，传统试验装置没有对保护器进行耐压试验，因此不能有效验证保护器的绝缘能力，给保护器的运行带来安全隐患。

针对目前保护器测试装置的不足，依据国家相关标准，文中提出了一种基于数字化 PID (Proportion Integration Differentiation) 的新型保护器自动测试装置，该装置集过载动作特性测试、温升测试和耐压测试功能于一体，能够全面、准确地测试剩余电流动作保护器性能。

1 数字化PID在本测试装置中的应用

保护器测试装置的电压回路和电流回路的负载是时刻变化的，为了保证输出电压和电流在负载变化的时候仍能保持稳定输出，且满足精度要求，需要设计合理的控制算法来实现电压、电流的精确控制。文中采用数字化PID算法，如图1所示。

图1 PID闭环控制原理框图

图1中，r(t)是给定值，y(t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t):

e(t)作为PID控制器的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。PID控制器的数学表达式为:

式中 Kp为比例系数；TI为积分系数；TD为微分系数；u0为控制常量。

对式 (2)中的积分项和微分项进行离散化处理:以T作为采样周期，k作为采样序号，则离散采样时间kT对应着连续时间t，用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分，可作近似变换: t≈Kt (k＝0，1，2，…)

式 (3)中，为了表示方便，将类似于e(kT)简化成ek。

将式 (3)代入式 (2)，得到数字化PID表达式为:式中 k为采样序号，k＝0，1，2，…；uk为第 k次采样时计算机输出值；ek为第k次采样时输入的偏差值；ek－1为第k－1次采样时输入的偏差值；KI为积分系数，kI＝KpT/TI；KD为微分系数，KD＝KpTD/T；u0为进行PID控制时的原始初值。

如果采样周期取得足够小，则式 (4)可获得足够精确的结果。由式 (4)可得数字化PID控制器在第k－1个采样周期时的输出值:

将式 (4)与式 (5)相减，得到数字化PID控制算法公式为:

由式 (6)可以发现，对于恒定采样周期 T，A，B，C只要使用前后3次测量值的偏差，就可以由式 (6)求出增量，并得出数字化PID控制算法递推计算公式:

式 (7)就是文中所提测试装置所应用的数字化PID控制算法。软件的具体实现流程如图 2所示。

图2 数字化PID控制算法流程图

以控制输出电流幅值为例，在上述控制过程中，若电流幅值给定值为720 A，在3000A/5的电流互感器二流回路中为1.2 A。如果当前测量值为0.5 A，按Kp＝150，Ki＝2，Kd＝1.2计算:

经过3次计算后，电流到达预定值1.2 A，整个控制在6个采集周期内完成。按工频信号20 ms的3倍时间采样，加计算机的其它运行时间，电流稳定时间小于0.5 s。由于计算是实时的，当负载本身变化时，仍能保持良好的电流特性。

给出预设电流为2 000 A时，采用变比为1 000 A/0.5 A的标准电流互感器采样，在二次回路通过1 Ω标准电阻取样，得到的输出电流信号波形。输出电流波形较好，谐波含量少。进一步在不同预设电流条件下，测试输出电流，发现电流幅值误差不超过1%，总谐波失真度不超过3%，满足剩余电流动作保护器动作性能测试的要求。

2 基于PID技术的测试装置

如图3所示，为文中所提测试装置的原理图，主要由测量控制仪、温度测试仪、耐压测试模块、交流变频电源、变流器、电流互感器和PC机及应用软件等部分组成。其中，交流变频电源采用数字化PID技术，输出高精度电压和电流。测量控制仪采用高速工业级CPU作为核心处理器，向交流变频电源发送控制指令，实现对输出电压、电流的实时控制，同时实时采集被试品的试验参数 (如试验电压、动作电流、动作时间等)，并将测试数据传输到PC机。温度测试仪通过分布式的热电偶测量探头采集被试品各点的温度，构成多路温度测试系统，并将温度数据实时传输到PC机。交流变频电源、变流器、电流互感器构成测试装置的输出模块，输出试验所需的电压、电流。PC机安装了基于LabView的测试软件，控制试验流程的进行，综合分析被试品的性能，并打印记录和报告。

图3 测试装置原理图

3 整机测试

3.1 测试环境

整机功能测试环境见表1。

3.2 输出性能

为比较本项目研制的测试装置与传统测试装置的性能 (文中以ABB－800塑壳断路器延时特性校验台为例)，分别在不同温度、湿度条件下，对本装置和传统装置的输出性能进行测试，如图4，5所示。由图4可知，在温度一定的条件下，本装置的输出特性对于相对湿度的敏感度比传统装置要小；由图5可知，在相对湿度一定的条件下，本装置的输出特性受温度的影响较小。由此可知，本装置具有更稳定的输出，对于外界环境具有更好的抗干扰能力。

表1 测试环境

图4 环境温度20℃时，不同相对湿度下，与传统测试装置的输出比较

图5 相对湿度40%时，不同环境温度下，与传统测试装置的输出比较

3.3 过载动作特性测试

为了比较本装置与传统装置动作测试性能，分别用本装置和传统装置 (ABB－800塑壳断路器延时特性检验台)进行过电流条件下的动作特性测试，该试品为ZSLL1－250/Q1剩余电流动作保护器4只，标记为1－1/1－2/1－3/1－4。

对比表2中数据可知，使用传统装置时由于电网的允许波动、人工目测观察，及人工按钮操作，造成响应及控制延迟，引起电流波动较大；本装置在相同的测试条件下，对同批次、同规格的试品，过载动作特性基本一致。

3.4 温升和耐压试验

在对保护器进行温升性能试验时，利用PC机软件设置输出试验电流和试验时间，通过8路温度传感器来检测保护器各部件的温升，并自动结束试验。

在对保护器进行耐压性能试验时，把测试装置的输出电压施加于保护器的绝缘上，设置好试验时间和泄漏电流值，进行测试。试验结果表明，本装置能够满足保护器耐压测试需求。

表2 动作特性测试结果

4 结语

文中基于数字化PID的剩余电流动作保护器自动测试装置，已在国网湖南电力公司电力科学研究院正式运行。该装置有效地解决了目前剩余电流动作保护器测试装置不能自动开展动作特性测试、负载温升特性测试和耐压特性测试的问题，提升了测试装置输出电压、电流的准确度和稳定度，实现了测试流程的自动化，减少了检测工作的工作量，为保护器的测试和选型提供了重要平台。

〔1〕Giuseppe Parise，Luigi Martirano，and Massimo Mitolo.Electrical Safety of Street Light Systems〔J〕.IEEE transactions on power delivery，2011，26(3):1952-1959.

〔2〕 Wang Shengxian，Zheng Tao and Shen Lishuang.A Tentative Discussion on AppendixAA in GB 4706.12 〔J〕.China standardization，2012，1:66-68.

〔3〕IEC Technical Report 479-1:1994 Effects of current on human beings and livestock.

〔4〕S.Czapp.Protection Against Electric Shock Using Residual Current Devices in Circuits with Electronic Equipment〔J〕.Electronics and electrical engineering，2007，4(76):51-54.

〔5〕孙一山.剩余电流动作保护器的正确测试 〔J〕.农村电气化，2008(06):19-20.

〔6〕张庆利，郑杰，刘俊昌.剩余电流动作保护器现场测试程序〔J〕.农村电工，2008(12):29-30.

〔7〕奚永源，罗锐利.A型剩余电流动作保护器的动作特性测试技术 〔J〕.低压电器，2001(01):52-54.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.021

TM77

B

1008-0198(2015)04-0083-04

2015-06-16

国网湖南省电力公司科技项目 (5216A01300JR)

王伟能 (1983)，汉族，博士，主要从事电能计量器具检测与研发。