1研究背景

電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)種類繁多，邏輯復(fù)雜，不同元件的保護(hù)原理其保護(hù)范圍又有交叉重復(fù)的情況，例如母差保護(hù)保護(hù)范圍包括連接于母線上的所有設(shè)備如線路、主變等。在新設(shè)備驗(yàn)收投運(yùn)、舊設(shè)備年度定檢工作時(shí)，如何校驗(yàn)各個(gè)保護(hù)邏輯的正確性是繼電保護(hù)二 次 專 業(yè) 工 作 的 重 要 部分。以 220 kV 變電站主變壓器保護(hù)裝置為例，其保護(hù)分高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)三部分，除了主保護(hù)差動保護(hù)外，每側(cè)的保護(hù)邏輯又包括接地距離、零序方向、相間阻抗、零序過流等多種類型的后備保護(hù)，其中每個(gè)保護(hù)邏輯可分為 I、II、III 共 3 段，每段又可分為 3 個(gè)時(shí)限。針對每個(gè)保護(hù)邏輯動作跳的開關(guān)不同，如果將各種保護(hù)一列作為縱坐標(biāo)，出口繼電器一列作為橫坐標(biāo)，每種保護(hù)與各出口繼電器相交的那個(gè)點(diǎn)置“1”，說明此種保護(hù)邏輯動作后啟動該出口，這樣就形成了跳閘矩陣，如圖1所示。

圖2為清遠(yuǎn)地區(qū)220 kV堤岸變電站主變壓器保護(hù)壓板概況，圖中深色壓板都是跳閘出口壓板，共有15個(gè)。為驗(yàn)證保護(hù)裝置保護(hù)動作的正確性，模擬故障時(shí)保護(hù)裝置的跳閘出口邏輯須與保護(hù)定值中的跳閘矩陣一致。傳統(tǒng)的保護(hù)邏輯出口壓板的校驗(yàn)方法有兩種。一是采用萬用表DC檔逐一測量跳閘出口壓板的電位。由于保護(hù)裝置跳閘脈沖是毫秒 （ms） 級的瞬時(shí)電壓脈沖，為100 ms左右，而萬用表表計(jì)的靈敏度達(dá)不到這么高要求，實(shí)際測量時(shí)顯示結(jié)果不直觀，特別是當(dāng)繼保人員覺得顯示結(jié)果不明確的時(shí)候還需要重復(fù)做試驗(yàn)以確保保護(hù)動作正確。另外一個(gè)方法就是采用目前常用的繼保試驗(yàn)儀，將保護(hù)裝置的開出節(jié)點(diǎn)接入到試驗(yàn)儀的開入節(jié)點(diǎn)。由于繼保試驗(yàn)儀的開入只有 4 對輸入端口，而且只能接入無源節(jié)點(diǎn)，這涉及到保護(hù)屏端子排的拆接線，存在誤跳運(yùn)行設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，因此此種方法較少采用。目前的實(shí)際工作中一般采用用萬用表測量的方法，對于兩套主變保護(hù)裝置，其跳閘邏輯將超過數(shù)十種，以每種保護(hù)邏輯平均關(guān)聯(lián) 8 個(gè)壓板計(jì)算，完整檢驗(yàn)完保護(hù)跳閘矩陣將需要不少的時(shí)間，考慮到主變壓器的定檢一般安排4～5人，僅校驗(yàn)保護(hù)裝置的跳閘矩陣就需要至少 2 人配合試驗(yàn)，勢必占用較大人力物力，本文提出一種專用的保護(hù)裝置跳閘出口測試儀，以對上述工作進(jìn)行改進(jìn)。

2 測試儀的設(shè)計(jì)原理

為了使測試儀更具有通用性，能適用于不同變電站內(nèi)直流控制電源的要求，同時(shí)提高試驗(yàn)效率，做到模擬一次故障就校驗(yàn)一個(gè)保護(hù)邏輯的多個(gè)壓板，提出以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：（1） 脈沖電壓檢測能力達(dá)毫秒級，檢測范圍 50~120V；（2） 檢測輸入端口 8 個(gè)以上，以滿足校驗(yàn)多個(gè)壓板的要求；（3） 能對保護(hù)裝置的動作出口時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)；（4） 測試儀接入保護(hù)裝置的控制電源時(shí)不能導(dǎo)致站內(nèi)直流電源系統(tǒng)接地。為達(dá)到以上要求，采用了以下設(shè)計(jì)方法[1-2]：（1） 測試儀核心為STC12C5616AD 單片機(jī)，其速度是普通的51 單片機(jī)的 12 倍，使用 24MHz 的晶振時(shí)，掃描周期為100 微秒，滿足脈沖電壓檢測精度要求；（2） 考慮到多數(shù)變電站內(nèi)保護(hù)裝置的跳閘出口壓板數(shù)一般不超過8個(gè)，本文設(shè)計(jì)了8通道輸入檢測端口，可以滿足絕大多數(shù)保護(hù)裝置的檢驗(yàn)要求；（3） 設(shè)計(jì)了脈沖計(jì)時(shí)電路，采用 12864 液晶板顯示時(shí)間，可以較為清晰的顯示 8 個(gè)通道的計(jì)時(shí)時(shí)間；（4） 提高輸入有效電壓，設(shè)置一個(gè)20 V的門檻電壓，從硬件上濾除干擾電壓的影響，并保證電路*小輸入電阻大于 500 千歐，保證極端條件下不會造成變電站內(nèi)直流電源系統(tǒng)接地。總體設(shè)計(jì)模型如圖 3 所示，其工作原理為：計(jì)時(shí)啟動輸入端接入ONLLY繼保試驗(yàn)儀的開出端[3]，當(dāng)ONLLY試驗(yàn)儀開始故障模擬時(shí)，其輸出的一對開出接點(diǎn)啟動測試儀，當(dāng)某一跳閘脈沖輸入端檢測到跳閘出口壓板有正電壓脈沖到來時(shí)，計(jì)時(shí)程序記錄下該輸入端的脈沖到來時(shí)間并在液晶屏上顯示；若10 s內(nèi)無脈沖電壓輸入，則程序停止，按下復(fù)歸按鍵后進(jìn)入下次檢測等待。另外，計(jì)時(shí)啟動回路也可由外部短接線啟動，方便進(jìn)行一些故障的手動控制模擬。

2.1硬件電路設(shè)計(jì)

本文所提出的硬件電路包含兩個(gè)主要模塊：脈沖檢測電路和計(jì)時(shí)電路。脈沖檢測電路如圖 4所示，包括檢測通道電路和指示通道電路。計(jì)時(shí)電路如圖5所示，包括啟動電路和指示電路。其他電路還包括電源供電電路、清零復(fù)歸電路和反接保護(hù)電路等。其中電源供電電路采用5 V低壓直流電源供電，保證了用電安全；清零復(fù)歸電路功能方便測試儀多次檢驗(yàn)；反接保護(hù)電路采用了FR107二極管，反向擊穿電壓是1 000 V，考慮到跳閘脈沖*大輸入電壓不超過 120 V，保證了脈沖反向輸入情況下測試儀和人員的安全。本文中的檢測電路采用了抗干擾設(shè)計(jì)，檢測電壓門檻值為 50 V，電壓低于 50 V 時(shí)電路三極管不會導(dǎo)通，因此可以濾除 50 V 以下的干擾電壓。

2.2軟件程序設(shè)計(jì)

程序采用 C 語言編程，同時(shí)為濾除干擾電壓，要求脈沖電壓有效時(shí)間必須大于 10 ms，否則視為干擾電壓不予顯示。程序流程如圖 6 所示。

本文從硬件和軟件兩方面采用了抗干擾設(shè)計(jì)，保證了檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3測試儀的應(yīng)用效果

表1為對2013-2014年度清遠(yuǎn)供電局繼保班所管轄部分變電站的主變進(jìn)行驗(yàn)收和定檢時(shí)主變跳閘矩陣的校驗(yàn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)，其檢驗(yàn)方法為采用萬用表測量的方法。

為便于統(tǒng)計(jì)，規(guī)定主變?nèi)齻?cè)或兩側(cè)的跳閘邏輯種類數(shù)相等，實(shí)際出口壓板數(shù)則電壓等級高的取大值，電壓等級低的取小值，中壓側(cè)取平均值。根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)用萬用表測量壓板 5 個(gè)以上則有一個(gè)測量不準(zhǔn)確，8 個(gè)以上有兩個(gè)。并且定義以下兩個(gè)計(jì)算模型：

（1） 跳閘矩陣的校驗(yàn)時(shí)間=保護(hù)邏輯種類數(shù)*單個(gè)邏輯平均校驗(yàn)時(shí)間；

（2） 校驗(yàn)準(zhǔn)確率=保護(hù)邏輯出口壓板總數(shù)/實(shí)際校驗(yàn)出口壓板總數(shù)。

部分變電站主變保護(hù)裝置采用跳閘出口測試儀檢驗(yàn)后，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示：

將兩種方法應(yīng)用到變電站的檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如圖7所示。

從上述圖表中可以看出：采用測試儀對主變保護(hù)裝置的跳閘矩陣進(jìn)行校驗(yàn)后，校驗(yàn)準(zhǔn)確率提高到100%，校驗(yàn)時(shí)間*低減少 了 73.9% ， * 高 減 少 了

91.9%，說明對于電壓等級愈高的主變保護(hù)裝置，或者保護(hù)邏輯愈多的保護(hù)裝置，采用本文提出的測試儀方案校驗(yàn)跳閘邏輯出口，可以極大地提高工作效率，節(jié)省檢驗(yàn)時(shí)間。

4總結(jié)

本測試儀的**在于功能可靠、設(shè)計(jì)簡單、使用方便。采用單片機(jī)編程技術(shù)使跳閘出口壓板的檢驗(yàn)準(zhǔn)確率大幅提升，電路設(shè)計(jì)采用了強(qiáng)弱電隔離的抗干擾設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了8個(gè)壓板接入通道，原來需2個(gè)人配合的試驗(yàn)工作現(xiàn)在一個(gè)人就可以完成，提高了工作效率，同時(shí)測試儀具有液晶顯示功能，可以直觀地顯示檢驗(yàn)結(jié)果并給出保護(hù)動作時(shí)間，是對保護(hù)裝置動作時(shí)間的一個(gè)補(bǔ)充檢驗(yàn)。除了主變保護(hù)裝置的跳閘出口矩陣檢驗(yàn)外，對于關(guān)聯(lián)多個(gè)出口壓板的保護(hù)邏輯校驗(yàn)，如母差保護(hù)、線路保護(hù)啟動失靈等，本測試儀具有非常明顯的實(shí)際使用效果。