变电站继电保护设备自动测试系统设计

国网江苏省电力有限公司常州供电分公司 张峰毓 汪小春 霍政界 陈国才

随着我国社会和经济的不断发展，变电站也进行了巨大改革，与之相匹配的继电保护装置也不断完成着优化与更新，以适应变电站对继电保护装置的应用需求。国家通过对继电保护设施的生产标准进行规范，以此降低变电站对检测设备个性化要求[1]。但实际检测过程中，通信配置、测试项目以及相关参数仍需不断修改，对于人力、物力的需求较大。同时，由于操作过程中一般需中断部分线路的运行，因此对于变电站的高效稳定运行也会产生一定影响，且受检测速度和规模的限制在时间上也需要较大开销。这也直接导致了设备定期测试的周期一般较长且测试结果的准确性不高等问题，无法得到满足变电站的运行需求[2]，因此实现自动化的变电站继电保护检测系统就显得尤为重要。

1 测试系统硬件设计

在进行测试系统的硬件设计工作前，首先了解继电保护设备工作基本原理，分析了对变电站继电保护装置进行的测试过程中需要的关键条件，评估了测试系统中需要硬件设计具备的条件，根据分析结果，在本文设计的测试系统硬件部分充分应用了EDA工具进行电路设计[3]，这也是在电力行业被广泛应用的一种工具。与此同时，对各部分电路进行样品制作、电路调试和分析，以此为测试系统的运行稳定性及可靠性提供保障。

1.1 LW301芯片

本文选用LW301芯片作为测试系统部分的电路芯片，其供电方式为零线和火线供电，通电后接收到的交流电不直接进入芯片，而是首先对其进行整流处理，通过电容和电阻的双重作用实现对其的降压、稳压处理，同时滤除其中的杂波，经处理后的电流通过芯片的电源管脚完成对供电电源的控制，以此保证其接收到的电源是直流稳定电源。测试系统接收到的故障信号主要以互感器线圈为依托进行传达，当出现故障信号时互感器线圈受刺激产生感应电流，经电阻转换后以电压的形式输入到芯片的管脚，在其内部进行放大处理。其中OA管脚为输出管脚，外接电容滤波器，主要负责消除干扰噪声；DLY管脚外接电容，主要负责调节充放电时间。当无故障信号出现时OA的输出结果为低电压，当出现故障信号时OA的输出结果为高电压，并保持50ms以上的持续输出时间。

LW301芯片中存在两个互相对接的二极管，其主要负责钳位电压，将出现故障信号时的输出电压控制在0～0.5V范围内；存在两个2.4K的电阻，其主要负责保护输入端口，阻断端口受到的大电流冲击。在输入端口两端并连着C6电容，其主要负责减低噪声干扰对输入信号的影响，并提高芯片灵敏度。LW301芯片的集成电路在检测变电站继电保护装置的故障信号时，既能检测AC型交流故障信号，也可检测A型脉动直流故障信号。当LW301接收到故障信号后芯片电路系统对其做出反应，单片机产生10位制的数字信号并呈现出明显的周期性，在DA转换器的作用下数字信号转化为输出管脚的模拟信号，再通过差分输入、输出运算。对信号进行放大，并将放大后的信号提供到LW301集成电路中。

1.2 DAC转换器及控制电路设备

DAC数模转换设备主要作用是信号转换，将单片机产生的数字信号转换成模拟电压信号，完成离散数字信号与连续模拟信号间的转化。本系统采用三通道10位DAC专用集成电路芯片AD7123。控制电路采用ATMEL公司设计的8位AVR精简指令单片机ATMEGA8515。主要作用是负责控制、协调测试系统的工作；发出相关测试指令；返回测试结果和显示控制等。

2 测试系统软件设计

测试系统软件部分的控制程序包括主程序、控制程序、结果分析程序、结果显示程序四部分。各程序相互交互，以此实现对系统硬件数据的分析和反馈，实现测试系统的各种功能。程序开始后，首先要对设备进行初始化处理，对运行过程中的变量、常量进行初始化赋值处理。该过程主要是通过对初始化子程序的调动实现的。在完成系统初始化操作后就可运行测试程序，在完成整个测试流程操作后就进入程序结束模式。在该过程中，参数控制程序是对测试对象的参数进行规定，确保在软件误差最小的条件下进行测试工作，减少由参数引起的测试误差。此外，在执行测试任务的同时适当在程序运行过程中插入延时，以此过滤由于电路条件变化、抖动等因素引起的测试结果异常情况的发生。

在此基础上，本文通过数据融合的方式对继电保护设备的状态进行判断。首先对于要测试的设备构建测试框架K，并在框架内描述所有可能的测试结果。假设测试采样结果异常为k1、开关异常为k2、动作异常为k3，不确定结果为集合K，那么则有K=｛k1,k2,k3,κ｝。接下来对基本分配概率进行设置，在测试框架K内基本分配概率P为[0,1]，且满足条件那么P(k)则可以表示基本可靠指数，计算测试框架内所有结果的基本分配概率结果为式（1），其中P(ki)表示第i个测试结果对于测试目标的基本分配概率，P(κ)第i个不确定测试结果对于测试目标的基本分配概率，λi表示第i个测试结果的可靠性系数，λij表示第i个测试结果对于输出故障j的隶属度。得到测试结果的基本分配概率后就可对测试结果进行融合，计算方法为式（2）。

最后根据融合结果对测试设备是否存在故障进行决策，当P'(ki)=max{P(ki),kiK}时输出结果为存在已知故障隐患；当P'(ki)≥P(K)时输出结果为存在不确定故障隐患；当P'(ki)=0时输出结果为不存在故障隐患，设备安全。

图1 不同测试系统故障测试结果

3 试验测试

为对所提系统的性能进行验证进行了试验测试，并选用传统测试系统和文献[1]提出的变电站继电保护设备测试系统作为对比，测试三个系统的试验结果。以某区域内PCS-943高压线路保护装置试验对象，分别在测试进行的第5s，7s，10s，12s，17s，20，在检测设备内输入故障信号，故障频率（Hz）与作用时间（ms）分别为26.36/0.2、18.22/0.1、20.57/0.15、22.90/0.1、10.53/0.1、17.44/0.1（图1）。

通过分析图1可看出，传统方法对于异常的识别结果最为微弱，在故障设置时间点内未出现明显的信号传输变化，对故障反应不够灵敏；而文献[1]方法虽在设备异常检测方面有所提升，但整体信号输出稳定性较差，信号幅值变化范围明显大于传统方法；本文所设计系统在设置的故障时间点均表现出明显的信号差异，这表示其对设备异常存在较高的识别能力，同时在异常时间段内其信号输出始终处于稳定状态，未出现大幅度的信号波动。这主要是因为本文提出的测试系统实现了对故障的融合计算，提高了检测的灵敏性。