模拟带负荷测试（系统）装置的研究与应用

尚镇　化亮　朱转军

摘   要：针对新设备需要带负荷校验保护装置所引起的系统方式调整和倒闸操作风险，以及一些新建厂站由于短期内无法组织负荷而影响设备投产等问题，为了提高经济效益及尽量缩短主设备的启动试验时间，针对模拟带负荷测试进行了研究。设计了模拟带负荷继电保护向量检测装置能够模拟一次回路各种三相对称、不对称向量，介绍了模拟试验的技术原理，并对母线、线路及变压器的负荷向量进行了模拟，分别对母差保护、线路保护和变压器差动保护等进行了模拟试验。实验表明，本研究设计的技术方案，既能满足常规变电站，也能满足智能变电站测试需求，既能测试母差保护、线路保护，也能测试主变差动等各种保护。模拟带负荷效率高，具有可推广价值。

关键词：带负荷测试;母差保护;线路保护;变压器差动保护;模拟试验

中图分类号：TP306                                        文献标识码：A

Research and Application of Analog Load Test （System） Device

SHANG zhenHUA liang，ZHU Zhu-jun

（Gansu Transmission and Transformation Engineering Co.，Ltd.，Lanzhou，Gansu 730000，China）

Abstract：In order to improve the economic efficiency and minimize the main equipment，the system equipment needs to be adjusted and the risk of switching operation caused by the load check protection device for new equipment，and some new plant stations may not be able to organize the load in a short period of time and affect the equipment production. The test time was started and the simulated load test was conducted. The simulated load-bearing relay protection vector detection device can simulate various three-phase symmetry and asymmetry vectors of primary loops. The technical principle of the simulation test is introduced，and the load vectors of the busbars，lines and transformers are simulated. Simulation tests were carried out for differential protection，line protection and transformer differential protection. The test shows that the technical scheme designed can meet the requirements of conventional substation and intelligent substation testing，and can test various protections such as bus differential protection，line protection，and main transformer differential. The test results show that the simulated load has high efficiency and promotional value.

Key words：load test;busbar protection;line protection;transformer differential protection;simulation test

隨着电力技术的发展，新建厂站投运时，由于设备多，逐个送电及测试，需要大量的倒闸操作，完成送电经常要工作至凌晨甚至需要两三天的时间，现场工作艰苦繁重[1-2]。更突出的问题主要表现在一些新建厂站，如电铁牵引站、倒送电的电厂等为了组织测试所需的负荷费尽周折，甚至部分厂站由于短期内无法组织负荷而影响设备投产。《DL/T995-2006继电保护和电网安全自动装置检验规程》规程中要求新建变电站一、二次设备安装完毕后，带负荷进行向量检查是继电保护技术工作中非常重要的项目，向量错误将导致正常运行状态或故障状态的继电保护误动或拒动，继电保护正式投运前必须保证向量的正确性[3-6]。目前采用传统式的电工式单相大电流发生器只能逐相对相回路电流互感器变比、极性进行检测，无法将差回路进行检测[7-9]。

针对上述问题以及新设备需要带负荷校验保护装置所引起的系统方式调整和倒闸操作风险，以及一些新建厂站由于短期内无法组织负荷而影响设备投产等问题，研究了一种新型的模拟负荷测试系统。能够满足保护相位测试要求，在新设备送电前完成全部测试工作，这样能够使系统具备直接投运条件，大大节省了组织负荷成本，减轻了现场工作人员的工作负担[10]，而且避免了系统方式的变化以及大量的倒闸操作给电网带来的安全风险。

1   现有检验模式

以往在变电站启动投运之前，通常需要做电流互感器的一次通流试验，以验证电流互感器的变比、绕组是否正确，是否按保护装置的要求接入。测试方式通常是按单间隔、单相的方式进行，不仅费时费力[11-12]，而且也不能全面保证电流回路的正确性，例如在母差保护中，要求电流互感器的极性朝向一致，传统的单间隔、单相试验方法，只能对母差电流回路的正确性进行局部验证。

按照目前的调试还存在以下几方面的弊端：

（1）按照目前的投产启动方式，需一步步验证一次接线、部分二次回路接线是否正确完整，才能将设备按照运营方式的要求进行投运，试验进度缓慢。

（2）从开始验证到正式确定好运行方式，中间的操作涉及一次状态的更改和保护的投退，工作量巨大，更改和投退方式有时多达上千次。

（3）系统在运行时，一次、二次回路可能存在错误及带负荷试验时回路验证的需要，保护不能直接投入，必须由相邻的电源侧保护完成系统可能故障时的切除任务。由于输电方式是单侧送电，大多是过电流保护、距离保护，保护动作速度较慢。

目前，市场上，比如河北省电力有限公司率先开发了一套向量检查试验系统，该系统采用调压器、升压变压器原理产生高电压、大电流，从互感器一次侧通流、加压。该系统包括一套试验电源、一套模拟负载。试验系统的电源取自站用变压器，输出接至电流和电压互感器的一次侧，经互感器传变和完整的二次回路通入继电保护装置，作为进行向量检查的电气量，从而在变电站投运之前即确认继电保护向量的正确性[13-15]。但是该系统存在以下问题：

（1）向量检查模拟系统实际上是一台三相大功率高电压源，电流输出受负载大小形式的影响，须配置模拟负载及补偿电容器，采用补偿电容器调节电流输出，计算及操作复杂;

（2）采用调压器+升压器原理，电压输出精度差;

（3）该系统输出容量大，为百kVA级，而一般变电站的施工电源容量小于200 kVA，應用受到限制;

（4）该系统总重量高达5吨，体积庞大，移动不便，需要配置专用的卡车，甚至需要配置一台发电机，而且试验不灵活，试验接线长，现场使用很不方便。

变电站传统投产启动方案采用循序渐进的方式，虽然安全可靠，但是进度慢、工作量大、存在可能的故障风险多等。带一次负荷试验要求必须有一定量系统负荷，如果负荷电流太小不满足测试要求值，相关试验无法完成;带一次负荷试验，发现回路故障后，故障排查需要时间，耽误变电站正常投运进度。

2   系统设计方案

本研究设计的模拟带负荷继电保护向量检测装置，能够模拟一次回路各种三相对称、不对称向量，用于母线、线路及变压器的负荷向量模拟，装置可输出工频高电压、大电流到变电站的一次设备，检查母差保护、线路保护、测控装置、计量装置、录波装置等二次设备的向量正确性。还可输出三相工频或低频电源，配置高精度无线选频相位伏安测试装置满足高阻抗变压器差动保护二次回路正确性的验证及六角图绘制。其设计原理示意图如图1所示。

在上文设计中，三相交流电经整流滤波后得到高压直流，整流滤波后的母线电压加到PWM控制芯片驱动的H桥两端，产生高频电流，在每一个H桥的工作周期，两组电子开关的的通断时间相等，保证了在每半个周期内的伏秒数相等（10 ms时间内），经H桥功率管高频变换后经过整流滤波，由降压升流器实现大电流直接输出。

模拟带电负荷试验装置理论的核心在于PWM控制，因装置最终以交流电的形式输出，具体为SPWM正弦脉宽调制技术，SPWM通过对一系列宽窄不等的脉冲进行调制，来等效正弦波形（幅值、相位和频率）。其技术特征可以表示为：

（1）电源装置Ⅰ路输出三相对称电源经三相升流器转换输出（长时间）：200 A，开口电压不小于10 V，施加于母线CT一次;

（2）电源装置Ⅱ路输出三相对称电源经三相升压变压器输出三相对称高电压，可施加10 kV电压对母线PT一次;

（3）装置Ⅰ路与装置Ⅱ路可控制移相输出，相位调节范围±180°，对线路保护向量进行检测;

（4）装置Ⅰ路可直接输出三相对称低频和工频电流，380 V/50 A，对变压器差动保护回路进行检测。

本研究利用大功率宽频率试验电源（0.5-50 Hz），能够实现对新建变电站工程的带负荷测试保护向量接线检查，利用电源模拟电网送电负荷实现对母差保护、线路保护、变压器差动保护等的相位、极性检查等。可重点对大型变压器例如750 kV/100 MVA的高阻抗变压器利用本研制装置，通过中压侧隔离开关处对母线（含保护CT）加压激励，分别将高压侧、低压侧二侧母线（含保护CT）通过接地开关合闸形成短路方式，直接产生三侧电流，由保护屏显示或CT二次侧通过宽频相位表直接测试变压器差动保护六角图。

3   关键技术设计及相关技术参数

3.1   关键技术因素

3.1.1   滤波问题

因装置采用电子开关方式，输出波形不同于调压隔离升流方式，因此工频输出滤波是影响无线相位伏安测试仪对小信号测试的关键因素，电源输出端采用三阶正弦滤波技术，才可保证输出电压波形品质好，可适应各种负载。

3.1.2   环境影响

无线相位伏安测试仪相位测量时间的同步，无线相位表必须有第三方参考基准才能实现相位的同步测量，315 MHz、433 MHz及2.4 G无线信号的延时一般时间为几十毫秒至几百毫秒，无法满足相位的测量需求，GPS信号受环境的影响较大，无法满足室内测量，高精度时间校准难以实现，保证半小时内累计误差小于50 ns是无线相位测量的关键技术和难点之一。

3.1.3   噪声抵制

在小信号测量过程中，环境噪声对测量结果影响很大，如果不滤波会造成过零点采样时电平的震荡，而采用普通的滤波方式又很容易造成相位的偏差，因此采用数字滤波方式，需利用快速傅里叶变换实现相位及幅值在强干扰下的正确测量。

3.1.4   差動保护问题

变压器高低压侧电气隔离，试验装置的电源容量不能满足在一侧通电流来测试差动保护的要求，需要在测试方法上另辟蹊径，本项目拟采用低频通流以提高二次电流信号。

3.2   设计的技术参数

本研究所提系统装置能够实现不同保护、不同场合下模拟带负荷校验保护相位的测量，成品形式是为小型化的电子式三相模拟带负荷试验装置，其能够长时间输出大电流，续输出大电流不小于200 A，时间不小于30分钟，设备单体重量轻，便于现场搬运。其具有以下技术参数：

（1）变频电源采用高频开关放大器原理设计，三阶滤波输出，触摸屏设计，幅值、相位单独可调，具有输入过压/欠压保护，输出过流保护，过热保护

额定容量：30 kVA

输入：三相四线 380 V±10%/50 A

频率：50 Hz

输出波形：标准正弦波

波形失真：优于THD3%

输出稳定度：±1%

输出频率：0.5 Hz～150 Hz可选，双路输出独立，单独可控，其中：

Ⅰ路输出：电流/电压：0～380 V/0～50 A连续可调

Ⅱ路输出：电流/电压：0～380 V/0～5 A连续可调

Ⅱ路以Ⅰ路电流为参考基准可移相输出，移相范围±180°

使用环境：-20 ℃至50 ℃，相对湿度<90%，海拔2000 m以下。

（2）三相工频大电流转换输出装置

额定容量：10 kVA

输入电压/电流：0～380 V/15 A

输出电流：对称120°三相电流，自动调整三相电流不平衡，并分相显示输出电流幅值，

输出电流/开口电压：0～200 A/15 V（工频）连续可调，输出电流200 A，时间不小于120分钟

（3）三相工频电压转换输出装置

容量：3 kVA  输入电压/电流：0～380 V/5 A

输出：对称120°三相电压，自动调整三相电压不平衡，并分相显示输出压幅值，输出一次电压范围：0～10 kV/200 mA;输出二次电压范围：0～100 V/1 A

（4）高精度无线遥测相位伏安表电气参数（一台主机/三台分机）

电流钳（工频）：5 mA～5 A

精度：±0.5%   最高分辨率：0.1 mA

（低频）：2 mA～500 mA  精度：±1%

最高分辨率：0.1 mA

电压范围：0.200～400 V

精度±0.5%   最高分辨率：1 mV

相位测试范围及误差：0～360° 误差：≤3°

无线通讯距离：空旷500 m，采用中继方式大于1 000 m

表计对时同步采样时间误差（30分钟内）：50 ns以内（测量偏差1°以内）

（5）无线叉口式电流钳（三组/9只）

测量电流范围：5.0～500 A  准确度：±2%    最高分辨率：0.1 A

无线通讯距离：空旷200 m

3   试验结果与仿真

本研究设计的技术的方案在甘肃某（电力）公司进行了试验和分析，并在现场进行了模拟仿真。在模拟测试时，分别对母差保护、线路保护和变压器差动保护等进行了试验。在试验时，采用的方式如下：

（1）CT电流互感器一次通流：对被检测的母线间隔由隔离开关处接入三相电流输入线，将被测母线间隔的接地刀合闸，启动装置根据母线间隔的电流互感器的变比确定输入一次电流幅值，装置输出三相互为120度的工频大电流，对电流互感器的变比、相位进行测试。

（2）PT电压互感器一次加压：断开母线PT联络开关，将其母线间隔的接地刀全部打开，对PT一次接入装置升压变压器（10kV）三相电压输入线，对PT一次侧加压，对电压互感器的变比、相位、开口三角电压进行测试。

（3）变压器中压侧低频通流加压：参照变压器负载试验接线方式，对三绕组变压器由中压侧施加电压（380 V/50 A），分别将高压侧母线（带母线电流互感器）接地刀闸合上（高压侧短路-低压侧开路），一次试验便可将中压侧和高压侧的母线上所有电流互感器的二次信号全部测试完成，同理将低压侧母线（带母线电流互感器）接地刀闸合上（低压侧短路-高压侧开路），一次试验便可将中压侧和低压侧的母线上所有电流互感器的二次信号全部测试完成;根据高低压侧电流的相位角度判定变压器接线组别。

一般情况下，大型主变的短路阻抗较高，电抗占有较大分量，当施加工频电源（50 Hz）在保护装置二次显示屏无法准确读数判定变压器差动保护向量时（模拟保护装置显示屏分辨率为0.01 A，数字保护装置显示屏分辨率为0.001 A），可以通过改变试验电源频率（5 Hz）可以有效的降低试验电源的功率同时提高输入电流幅值，采用高精度无线遥测选频相位伏安表（加入傅里叶计算测取施加的电源频率信号，精度可以保证到2 mA），测试得到保护装置各电流互感器二次电流和相位角度。下面进行具体试验。

3.1   母差保护试验

利用一组三相工频大电流，在一母线支路（如母线进线）通入试验电流，于母线其它支路（如母线出线）接回电流，试验电流通过进线CT 、母联开关、线路CT形成回路，在保护屏上读取电流幅值相位及差流，检查母差保护向量的正确性。试验结构图如图2-图4所示。

通过上述试验，以双母线接线方式一次通流接线：见图（3）打开间隔Ⅰ线路侧GIS接地开关处的接地联络铜排，将三相电流转换装置的大电流输出相分别按照對应相序接入到A相、B相、C相，合上间隔Ⅰ、母联间隔和间隔Ⅱ的断路器，合上间隔Ⅱ线路侧接地开关。试验电流通过进线CT 、母联开关、线路CT形成回路，在保护屏上读取电流幅值相位及差流，检查母差保护向量的正确性。模拟负荷装置三相输出电流约为155 A，电流从间隔Ⅰ正母流入，通过母联从副母的间隔Ⅱ流出，可同时检验间隔Ⅰ开关、间隔Ⅱ开关及母联开关3个的TA回路和母线差流，通过测试，得出如表1所示的数据。

通过上述三相通流试验，在保护屏显示屏查看二次回路各信号幅值相位，发现第一套保护接线正确无误，但在第二套保护装置显示屏中出现了母线差流，表明第二套保护装置互感器的二次接线有误，怀疑是极性接反导致，后续进行排查接线无误，发现是第一套保护与第二套保护厂家装置定义极性没有保证一致引起。

通过上述数据可以看出：

利用进线开关串带母联开关和出线开关回路，三相一次通流可以完整的将三个间隔的母差保护回路一次校核完成，及时发现了双套保护装置因厂家极性定义不同导致母差保护出现差流的错误。较使用单相大电流逐一校核开关CT二次回路提高工效数倍以上，缩短了接线校核时间。

3.2   线路保护试验

在线路保护试验时，利用一组三相工频电压和一组三相工频电流，分别给PT加压及线路CT通流，模拟一次负荷电流和工作电压，电流和电压相位可以灵活设定，检查线路保护向量正确性。

在试验时，以220 kV线路保护试验为例，利用电压转换升压装置对220 kV母线侧PT一次施加电压约为2800 V，模拟母线三侧带电，接线如图5所示，三相大电流对线路通流仍为155 A，与电压移相30°，由显示屏读取PT二次电压，CT二次电流及三相相位角度。断开电压转换转装置的C相输入，对220kV母线侧PT一次施加电压仍为2800 V，测量线路PT的二次开口三角电压。

通过上述测试，得出如表2所示的数据，其中电流单位为I，电压的单位为V。 在测试时，系统为模拟线路带阻感性负荷检查。

经过220 kV智能开关站现场应用，采用模块化设计的本试验装置能够灵活输出三相对称工频大电流，还可同时输出相对于电流为基准进行移相的三相对称电压，把该输出加到一次开关CT和母线PT上后，可以同时检验CT、PT变比和极性的正确性，以及检测线路保护、母线保护的二次回路的正确性，同时切断一相电压可直接检测出开口三角电压。

通过表2中的数据可以看出：一次试验就可有效验证线路保护向量方向和母线电压回路二次接线的正确的及检查互感器开口三角电压的有效性。

3.3   变压器差动保护试验

在变压器差动保护时，根据变压器试验绕组对短路电抗大小，选择对变压器绕组施加三相工频或低频，对变压器高压侧（或中压侧）一次加压，利用激励电流模拟加压侧一次负荷电流，中压侧（高压侧或低压侧）母线三相短路接地，利用短路电流模拟短路侧一次负荷电流，检查变压器差动保护向量正确性及推算差流。在变压器差动保护试验时，根据变压器试验绕组对短路电抗大小，利用激励电流模拟加压侧一次负荷电流，利用短路电流模拟短路侧一次负荷电流，检查变压器差动保护向量正确性。以某热电厂高厂变差动保护进行试验测试，测试数据如表3所示。其中高压侧套管互感器变比为300/1;低压侧套管互感器变比为3000/1，变压器额定容量为40000/25000-25000+12000 kVA，额定电压为230+8×1.25%/6.3-6.3+6.3 （kV），连接组标号为YNyn0-yn0+d11

测试装置在保护装置的二次端子进行电流幅值和相位的检测。为验证低频相位检测的准确性，后续用工频电源对变压器差动保护回路进行了检测，证明了低频法与工频法检查变压器差动保护的一致性和有效性。通过选择高压——低压Ⅰ+ 低压Ⅱ实验，估算电流如表4所示。在测试时，使用3 Hz试验频率电源，变压器按近似感性考虑，当三相380 V电源加压通流时，变压器短路阻抗减小近8倍，大约为15 Ω左右，高压--低压Ⅰ+低压Ⅱ实验Z≈12 Ω。

通过表4可以看出，经过热电厂启备变差动保护检测的现场应用，三相低频电源模拟带负荷校验变压器差动保护完全可行，测试现场可以根据变压器阻抗参数，通过计算等效短路阻抗，选择工频（或低频）从一次侧通入三相对称电流，对电流互感器的变比、极性以及接线方式进行确认，检验主变差动保护，可有效地避免了带负荷校验保护和计量回路极性错误。解决了电厂或变电站后期为满足保护接线检测，采用电网反送电，由电厂组织带负荷进行保护二次接线检查的所带来的电能消耗及调度下令进行倒闸操作的安全风险。开展这项试验工作后，可以大大缩减变电站启动投产所需时间。

通过在甘肃某（电力）公司内进行试运行，直接的经济效益如下：

（1）新建投产电厂为满足带负荷测试时，节省了为组织负荷所消耗的电费支出。目前基本上采用先由系统电网通过线路对电厂倒送电，电厂配合启动厂内风机、水泵等用电设备以提高一次电流，保护装置的检查费以及电费支出有时高达几十万元。

（2）缩短了启动投运所消耗的时间和人员成本支出，此项工作涉及调度、运行、现场调试人员多方配合。以 15 人/天计，每天平均 8 小时计，人均每小时人工费用以100元计，每节省一天时间每次直接产生经济效益12000元/天。

产生的间接经济效益为：

通过模拟带负荷测试，验证回路无误后设备可以不经过带负荷测试直接投运;可有效避免设备损坏事故、电网停电事故，间接经济效益相当可观。

4   结   论

通过在一次侧三相定幅值通流比较，能够对电流互感器的变比、极性以及接线方式再次进行确认，从电流互感器一次侧通入三相对称大电流检验线路保护、计量、母线保护、主变差动保护和后备保护的极性。实验表明，本研究的方案能够有效地避免带负荷校验保护和计量回路极性的不足，通过在电流互感器一次侧通入三相对称电流，对二次部分保护、测量、计量同时检验，同时辅以无线遥测相位伏安表的测试数据计算出互感器的二次负担，提高了测量精度，具有较好的使用价值，

参考文献

[1]    严璐，张爱军，李坤龙，等. 模拟同步带的半实物仿真测试研究[J].  国外电子测量技术，2017，（09）：46-50.

[2]    李秉宇，苗俊杰，陈晓东，等. 直流电源智能故障模拟与检测系统的研究[J]. 电源技术，2015，39（5）：1060-1063.

[3]    李文宇，王志新，张超，等. 适用于户用分布式光伏电站的电网模拟器研究[J]. 电机与控制应用，2016，43（6）：61-66 .

[4]    张虎，朱晓虹，孙明山，等. 带有负载转矩观测器的PMSM自适应反步控制[J].  电机与控制应用，2016，43（4）：17-21.

[5]    邵孟，朱新坚，曹弘飞，等. 燃料电池测试实验台的设计与研究[J].  電源技术，2017，41（7）：44-45，50.

[6]    易欣. 基于EPON技术的配电网自动抄表系统应用[J]. 信息技术，2016，（9）：195-198.

[7]    陈朋，刘金忠，孙业荣，等. 有载调容变压器附加损耗的计算方法[J]. 变压器，2017，54（2）：17-22.

[8]    张旭，杨瑞峰，张鹏，等. 电动负载模拟器广义连接刚度测试系统研究 [J].  中国测试，2017，43（3）：69-73.

[9]    刘畅，张树卿，黎雄，等. 无磁链观测的电力动负荷物理模拟关键技术研究[J]. 电网技术电气自动化，2015，（2）：517-522.

[10]  唐海国，冷华，朱吉然，等. 基于智能配变终端的变压器低压保护改进策略[J]. 中国电力，2016，（S1） ：16-20.

[11]  朱志成，赵海涛，李洋. 基于OPNET的电力通信EPON仿真建模研究[J].  计算机技术与发展，2016，26（12）：164-168.

[12]  张振军，李敏.  多路EPON光纤在线并行监测系统[J]. 计算机系统应用，2016，25（2）：81-86.

[13]  李欣笑，杨东哲，石鹤，等. 基于全年负荷模拟和空调日负荷预测控制策略的冰蓄冷系统可行性研究 [J]. 暖通空调，2015，（10）：91-96.

[14]  徐云鹍，叶豪东，和敬涵，等. 带整流性负载的分布式发电系统孤岛检测研究[J]. 电力系统保护与控制，2016，44（1）：33-39.

[15]  李志远，张思齐，李超，等. 主变带负荷相量测试软件的编制 [J]. 电力系统保护与控制，2017，45（6）：133-136.

[16]  《DL/T995-2006继电保护和电网安全自动装置检验规程》[S].2006.