一种基于多开入的继电保护跳闸矩阵校验装置的研制与应用

费丽强 刘西昂 蒋政 程煜 徐晨

摘要：跳闸矩阵校验是变压器保护装置进行定期校验时的重要环节，但传统测试方法常采用万用表逐一测 量，工作量大且效率低。因此，提出了一种基于多开入的继电保护跳闸矩阵校验装置，首先通过采集器获 取保护装置的跳闸出口开出量，经转换后接至主机，通过主机解析获得保护出口跳闸接点的动作情况，测 量出接点动作时长，并生成各个接点动作的时序图。该装置将跳闸矩阵测试时间由原先的 78 min 缩短至 49 min 以内，成功缩短了保护退出的时间，提高了电网稳定运行的能力，提升了社会效益。

关键词：继电保护；多开入；跳闸矩阵；变压器保护

中图分类号：TM932文献标识码：A

0 引言

目前，大部分 220 kV 变压器保护装置配置的 保护类型包括纵联差动保护、差动速断保护、复压 闭锁过流保护、零序过流保护和间隙保护等。变压 器各侧不同类型、不同分段、不同时限的保护动作 跳闸及开出量的动作情况均有所不同，使得变压器 保护跳闸矩阵较复杂。因此，变压器保护跳闸矩阵 的校验变得极为重要。

跳閘矩阵传统测试方法常采用实际出口跳闸或 者用万用表逐一测量跳合闸出口动作接点，工作量 大且效率低，严重影响工作进度，并且涉及二次回 路大量拆接线工作，存在误恢复、漏恢复等风险， 给设备运行带来隐患 [1]。

为解决上述问题，国网青海省电力公司检修公 司等 [2] 提出了一种基于万用表的继电保护装置跳闸 矩阵测试装置。但其仅测试跳闸矩阵，需要根据定值 单来设置相应的延时，而且无相应的跳闸动作出口 的波形，因此无法进行全时域分析。该装置仅适用 于常规变电站，适应性较差。国网湖北省电力有限 公司鄂州供电公司 [3] 依据保护动作跳闸时出口压板电压变位测试跳闸矩阵，但无法测试动作时间，且 对于智能变电站出口压板在各智能终端无法有效处 理，仍需多人共同配合才能完成测试工作。国家电网 有限公司等 [4] 的继电保护跳闸矩阵校验装置可根据 节点动作和时钟模块显示的时间，记录节点动作的时 间，根据节点动作的时间确定节点动作的先后顺序和 节点动作之间的时间间隔，但仍需要设定保护工作 时间，且该装置无法应用于智能变电站的测试工作。

因此，本文提出了一种基于多开入的继电保护 跳闸矩阵校验装置，其能够适应变电站新建、技改 及检修工程的需要，适用于常规变电站和智能变电 站，应用范围更广。

1 装置设计

1.1 主变跳闸矩阵逻辑

变压器保护跳闸出口及开出压板主要有跳高压 侧开关、跳中压侧开关、跳低压侧开关、跳高压侧 母联开关、跳中压侧母联开关、闭锁低压侧开关备 自投。以 220/110/35 三绕组变压器的跳闸矩阵为 例，跳闸矩阵逻辑如表 1 所示 [5-6]。

1.2 设计实施

本装置由采集器和主机组成，采集器包含采集 模块、转换模块和时间模块，主机包含解析模块、 存储模块、显示模块和时间模块。

如图 1 所示，使用本装置时，保护装置的跳闸 出口接点通过电缆接入采集器对应的测量口，采 集器在内部经转换模块将开关量转换为通用面向对 象的变电站事件（generic object-oriented substation event，GOOSE）报文，并由光口输出，通过光纤 连接至主机光口。同时，采集器和主机之间还需连 接 IRIG-B 码（inter range instrumentation group-B） 对时光纤，保障时间同步。

采集模块用于采集待测继电保护装置跳闸矩阵 的节点动作，主机根据节点动作和时钟模块显示的 时间，通过接收继电保护测试仪开出量作为记录节 点动作的开始时间戳，并将接收到的光信号分别进 行处理（跳合闸开入变位情况和解析 GOOSE 报文）。 将处理结果输出至显示模块，确定节点动作的 先后顺序和节点动作之间的时间间隔，并输出全时 域开入变位波形，便于分析跳闸矩阵动作时序是否 满足设定需要；将处理结果输出至灯光可视化显示 模块，通过自定义的多开入（控制的跳合闸开关）， 可方便直观地确认跳闸矩阵测试结果。

1.3 采集器

采集器的采集模块接收开关量输入，进行光耦 隔离。采集模块与继电保护出口跳闸接点之间设有 光耦元件，通过光电隔离采集保护出口跳闸接点导 通信号。光耦元件型号为 EL3H7，对开关量响应时 间≤ 12 μs，输入电路功耗≤ 80 mW。

如图 2 所示，保护装置的各个跳闸回路经出口 压板接入采集模块，采集模块的各采集接口可分别对 应跳高压侧开关、跳中压侧开关等开出信号，经光耦 元件的光电隔离后完成采集。采集模块的采集接口 为自定义接口，可对应任何跳闸出口，这极大地提 高了本装置应用的广泛性。因此本装置适用于任何 多出口的保护出口校验，如主变保护、母线保护等。

采集器的转换模块采用现场可编程逻辑门阵列 （field programmable gate array，FPGA）芯片，将电 信号采集的保护出口跳闸接点导通信号转换为光信 号下的 GOOSE 报文，并通过光纤传输给解析模块。 FPGA 芯片型号为 EP1C6Q240C8，时间精度优于 110 ps。

1.4 主机

主机是本装置的核心组成部分。主机的解析模块 采用基于有限状态机（finite state machine，FSM）的 GOOSE 报文解析算法，将转换模块传输的 GOOSE 报文进行解析，从报文中获得保护出口跳闸接点的 动作情况，测量出接点动作时长，并生成各个接点动作的时序图。基于 FSM 的 GOOSE 报文解析算 法，从解码开始到解码输出的间隔时间≤ 5.3 μs。

主机的存储模块采用串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）Flash 芯片，读写分开操 作简单可靠。主机的显示模块采用薄膜晶体管液 晶显示器（thin film transistor-liquid crystal display， TFT-LCD），其功耗低且使用寿命长。TFT-LCD 型号为 AT043TN24，功耗≤ 5 W，且当使用温度 为 -20 ～ 70℃ 时，使用寿命≥ 10 万 h。

2 测试方法及结果

2.1 測试方法

测试方法流程如图 3 所示，具体如下：①开启 采集器和主机电源，程序初始化。②选择开关量 测试模块，将保护出口压板连接至采集器中对应的 测量口。③设置好录波时长，等待保护出口动作。 ④查看录波文件，根据接点动作时序图分析保护实 际出口动作逻辑，判断节点动作时序图与整定单的 跳闸矩阵定值是否一致。

2.2 测试结果验证

通过在不同变电站使用本智能型继电保护跳闸 矩阵测试仪，校验各种类型继电保护的跳闸矩阵定 值，本文共完成 47 次跳闸矩阵检测试验，并记录 每次试验所耗时间，测试结果用时如表 2 所示。

本文以某变电站的 220 kV 主变差动保护为例， 使用本装置校验此主变跳闸矩阵。差动保护的跳闸 矩阵定值为 E040（表 1），即跳高压侧、跳中压侧、 跳低压 1 分支、跳低压侧 2 分支。

如图 4 所示，高压侧跳闸接点在 14 ms 动作， 中压侧跳闸接点在 15 ms 动作，低压 1 分支跳闸接 点在 16 ms 动作，低压 2 分支跳闸接点在 18 ms 动 作，经校验与跳闸矩阵定值一致，并且输出了各个 开关的动作时间。

3 结论

本文设计了一种基于多开入的继电保护跳闸矩 阵校验装置，首先通过采集器获取保护装置的跳闸 出口开出量，经转换后连接至主机，最后通过主机 解析获得保护出口跳闸接点的动作情况，测量出接 点动作时长，并生成各个接点动作的时序图。 本装置实现了多组跳闸出口一次接线、批量测试，将出口矩阵测试时间由原先的 78 min 缩短至 49 min 以内，并且成功缩短了保护退出的时间，进 一步提高了电网稳定运行的能力，提升了社会效益。

参考文献

[1] 胡定林 . 多出口继电保护装置智能跳闸矩阵测试仪的 研制与应用 [J]. 机电信息，2017（33）：45-46.

[2] 国网青海省电力公司检修公司，国网青海省电力公 司，国家电网有限公司 . 一种继电保护装置跳闸矩阵 测试装置及方法：CN202111304659.2[P]. 2022- 01-21.

[3] 国网湖北省电力有限公司鄂州供电公司 . 一 种 继 电 保 护 装 置 出 口 矩 阵 测 试 装 置 及 测 试 方 法： CN202310116971.1[P]. 2023-05-02.

[4] 国家电网有限公司，国网河北省电力有限公司，国网 河北省电力有限公司保定供电分公司 . 继电保护跳闸矩 阵校验装置：CN201810559214.0[P]. 2018-11-13.

[5] 王利波，左晨，吴雪峰，等 . 一种变压器跳闸矩阵 校验装置的研制与应用 [J]. 设备管理与维修，2023 （17）：33-35.

[6] 张艺渊，陈恺伊，钟蕴洁 . 基于 LoRa 无线技术的便 携式继电保护跳闸矩阵校验装置的设计 [J].机电信息， 2023（7）：52-55.