1 引言
隨著新型繼電保護(hù)裝置，特別是微機(jī)保護(hù)的推廣應(yīng)用，對(duì)測(cè)試技術(shù)有了更高的要求，涉及計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試等先進(jìn)技術(shù)的繼電保護(hù)微機(jī)型試驗(yàn)裝置已成為不可缺少的專(zhuān)用設(shè)備。為此，電力部已頒發(fā)了“繼電保護(hù)微機(jī)型試驗(yàn)裝置技術(shù)條件”，使選擇試驗(yàn)裝置有了依據(jù)。有的省電力試驗(yàn)研究所對(duì)進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)繼電保護(hù)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了測(cè)試，并公布了各種試驗(yàn)裝置的對(duì)比結(jié)果。本文從智能電子儀器的原理和繼電保護(hù)試驗(yàn)校驗(yàn)要求的綜合角度，簡(jiǎn)述目前國(guó)內(nèi)外繼電保護(hù)微機(jī)型試驗(yàn)裝置的技術(shù)性能及檢驗(yàn)方法。
2 試驗(yàn)裝置的電子線路結(jié)構(gòu)特性
微機(jī)型試驗(yàn)裝置是由人機(jī)對(duì)話設(shè)定輸入電流、電壓的參數(shù)，由程序控制信號(hào)源指導(dǎo)電子線路、D/A轉(zhuǎn)換、功率放大，輸出具有一定功率的三相電流、電壓送給繼電保護(hù)裝置，同時(shí)接受繼電保護(hù)裝置的反饋信息，作出系列響應(yīng)，予以記錄，以達(dá)到自動(dòng)測(cè)試結(jié)果，并將結(jié)果以文字、圖表打印報(bào)告。
2.1 人機(jī)對(duì)話
國(guó)產(chǎn)的試驗(yàn)裝置具有漢字菜單，進(jìn)入各種專(zhuān)用試驗(yàn)程序，程序界面友好，并有幫助菜單。進(jìn)口試驗(yàn)裝置則為英文界面。
2.2 參數(shù)設(shè)定
通過(guò)屏幕畫(huà)面直接輸入或修改參數(shù)，一般試驗(yàn)裝置在出廠前必須調(diào)整好，使得輸出的電流、電壓信號(hào)就是設(shè)定的數(shù)值。由于試驗(yàn)裝置在自動(dòng)測(cè)試過(guò)程中(如二分法漸近)都是電流、電壓突變，一般沒(méi)有用儀表監(jiān)測(cè)。在日后的試驗(yàn)中，不論裝置工況如何，就認(rèn)定設(shè)定值就是輸出值。這里就存在一個(gè)大問(wèn)題，一旦負(fù)載阻抗較大，輸出波形削頂或產(chǎn)生自激振蕩或功放回路參數(shù)有了變化，使輸出值和設(shè)定值有誤差，就會(huì)造成繼電保護(hù)誤整定?，F(xiàn)將國(guó)內(nèi)外裝置中解決這些問(wèn)題的幾種辦法分述如下。
(1) 瑞典OMICRON CMC156采用A/D測(cè)量自動(dòng)反饋修正。它的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)功放級(jí)尚未飽和時(shí)能提高精度。如負(fù)荷阻抗較大，功放級(jí)飽和后，自動(dòng)反饋修正的誤差反而會(huì)變大，但試驗(yàn)裝置在誤差超標(biāo)時(shí)能在計(jì)算機(jī)屏幕上告警。
(2) 江西華東電力儀器廠JJC—1H采用專(zhuān)有的失真判別措施，相當(dāng)于用電路比較信號(hào)源和輸出是否一致的辦法。若輸出電流、電壓的有效值與計(jì)算機(jī)設(shè)定值誤差超過(guò)3％時(shí)，就發(fā)出音響告警，超過(guò)5％時(shí)延時(shí)關(guān)機(jī)，并指示誤差相別，避免錯(cuò)誤整定。JJC—111試驗(yàn)裝置設(shè)有電流、電壓回路的開(kāi)路、短路保護(hù)，失真判別措施還加強(qiáng)了電流、電壓電源的開(kāi)路、短路保護(hù)。這是國(guó)內(nèi)其它試驗(yàn)裝置所不具有的。
2.3 程序控制信號(hào)源
目前大多數(shù)的試驗(yàn)裝置都是由數(shù)據(jù)通訊線將微機(jī)中已計(jì)算的瞬時(shí)值數(shù)據(jù)傳往D/A，產(chǎn)生信號(hào)源，有的是逐點(diǎn)傳送，有的是批處理傳送，這對(duì)試驗(yàn)波形每周分隔的點(diǎn)數(shù)有很大關(guān)系。
北京威特MRT—02B、廣東昂立的3100D據(jù)悉基波每周只有40個(gè)點(diǎn)，幅頻特性很差，諧波疊加和變頻試驗(yàn)只是定性地，而非定量地進(jìn)行測(cè)量，在這兩個(gè)項(xiàng)目中輸出的試驗(yàn)值與計(jì)算機(jī)整定值有誤差。
江西華東電力儀器廠JJC—1H試驗(yàn)裝置為無(wú)變壓器輸出，基波每周點(diǎn)為180點(diǎn)，幅頻特性大為提高。在疊加2、3、5、7次諧波時(shí)，其諧波輸出值和計(jì)算機(jī)設(shè)定值的誤差不超過(guò)3％。從計(jì)算機(jī)逐點(diǎn)傳送、通訊握手所需機(jī)時(shí)考慮，每周180點(diǎn)也已到了極限，否則要增加硬件存儲(chǔ)器，實(shí)行批處理傳送。但逐點(diǎn)傳送也有它的好處，能仿真輸出長(zhǎng)過(guò)程的故障信號(hào)。
國(guó)外試驗(yàn)裝置都保證任何頻率下海周的點(diǎn)數(shù)有256點(diǎn)，送出的波形十分光滑，幅頻特性很好。在20次諧波時(shí)，其和計(jì)算機(jī)設(shè)定值的誤差均在3％以下，因而做單頻率的試驗(yàn)時(shí)，效果特好。由于采用批處理傳送需要前置存儲(chǔ)器，而前置存儲(chǔ)器容量有限，在故障仿真時(shí)，仿真信息的長(zhǎng)度就有限制。國(guó)外試驗(yàn)裝置容量偏小，增加容量需要增設(shè)功率放大器，增加體積重量，選擇時(shí)要考慮應(yīng)用場(chǎng)所。
2.4 數(shù)模變換D/A
數(shù)模變換一般都采用12位或以上。在阻抗元件試驗(yàn)中，電壓信號(hào)可能降得很低，這時(shí)信號(hào)源的D/A的有效位數(shù)就減少，影響波形的臺(tái)階數(shù)。如考慮疊加諧波的幅值裕度，一般相電壓取80V是適宜的。零序電壓3Uo一般應(yīng)設(shè)計(jì)為100V。
2.5 功率放大級(jí)
目前有兩種設(shè)計(jì)。一種是經(jīng)變壓器輸出，好處是通過(guò)變壓器進(jìn)行阻抗匹配，充分發(fā)揮功放管的容量，缺點(diǎn)是不能傳送非周期分量，暫態(tài)響應(yīng)和幅頻特性都不好；另一種是無(wú)變壓器輸出，暫態(tài)響應(yīng)好，且高電壓、大電流功放管的價(jià)格低。使用無(wú)變壓器輸出已是目前的趨勢(shì)。功放級(jí)設(shè)計(jì)有很多的關(guān)鍵技術(shù)，與制造廠家硬件投入有關(guān)。對(duì)試驗(yàn)裝置而言，電壓級(jí)的功放一般都能滿足，而電流級(jí)功放容量要求最大，功放級(jí)的功放管參數(shù)選得高低不同，廠家提供容量的表達(dá)是不同的，下面只比較電流功放級(jí)的容量。
(1) 江西華東電力儀器廠JJC—1H參數(shù)為：最大輸出功率300VA/相，電流30A/相時(shí)，輸出到負(fù)載上的不失真電壓為10V。當(dāng)環(huán)境溫度20℃時(shí)，30A電流允許持續(xù)5min，這個(gè)指標(biāo)目前在國(guó)內(nèi)外都是很高的。電流10A/相時(shí)，輸出到負(fù)載上的不失真電壓為15V，此時(shí)允許長(zhǎng)期工作。在現(xiàn)場(chǎng)用JJC—1H校驗(yàn)故障錄波器的電流時(shí)，可同時(shí)串24個(gè)CT，而同樣條件下昂立3100—D試驗(yàn)裝置只能串6個(gè)CT，可見(jiàn)前者帶載能力較大。
(2) 瑞典CMC156、OMICRON、CMA156帶功放裝置后的參數(shù)，經(jīng)江蘇省電力試驗(yàn)研究所測(cè)定：最大輸出功率為150VA/相，電流0～15A/相時(shí)，輸出到負(fù)載上不失真的電壓都為10V；電流20A/相時(shí)，輸出到負(fù)載上允許的電壓為6.25V；電流30A/相時(shí)，輸出到負(fù)載上的允許電壓只為3.85V；電流50A/相時(shí)，輸出到負(fù)載上的允許電壓只為1.413V。當(dāng)環(huán)境溫度20℃、50A/1.4V時(shí)允許8min。必須注意，當(dāng)電流超過(guò)15A時(shí)，功放級(jí)的限制是由于熱負(fù)荷的原因，在30A時(shí)輸出功率也只有115VA，可見(jiàn)帶載能力也很小。
(3) 新加坡VENUS330和FREJA300輸出不失真電壓只能達(dá)到3.8～3.5V，輸出帶載能力很低。
(4) 北京威特MRT—02B和廣州昂立3100D參數(shù)為：輸出電流范圍0～30A/相，長(zhǎng)期允許工作電流10A/相以下。當(dāng)輸出電流大于10A/相時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間不宜超過(guò)10s，說(shuō)明功放級(jí)的熱容量不足。
2.6 自動(dòng)加載測(cè)試
根據(jù)繼電保護(hù)測(cè)試項(xiàng)目的要求，試驗(yàn)裝置能按設(shè)定程序輸出電流、電壓，自動(dòng)尋找動(dòng)作邊界。如差動(dòng)繼電器助磁特性試驗(yàn)需要同時(shí)輸出工頻電流和直流電流，并自動(dòng)按二分法漸近尋找動(dòng)作邊界。如直流助磁電流選擇20A，交流動(dòng)作電流將接近30A，因而大電流下的允許持續(xù)時(shí)間是不宜太短的。有的裝置在上述工況下測(cè)試會(huì)發(fā)生中途超溫停機(jī)，使自動(dòng)尋找邊界過(guò)程不能完成。
2.7 繼電保護(hù)的反饋信息
繼電保護(hù)反饋信息有多種，如空接點(diǎn)、電位式、脈沖式，還有正、負(fù)極性之分。早期的試驗(yàn)裝置智能判別很差，需要用改變硬件開(kāi)關(guān)位置來(lái)約定反饋信息的處理，操作不便。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)裝置也同國(guó)外裝置一樣，已做到自動(dòng)智能判別，十分方便。選擇試驗(yàn)裝置時(shí)，同樣要注意這個(gè)特點(diǎn)。
2.8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
距離保護(hù)動(dòng)作區(qū)試驗(yàn)是通過(guò)自動(dòng)二分法漸近尋找動(dòng)作邊界，得到一系列測(cè)試結(jié)果，并在屏幕上繪制這些測(cè)試點(diǎn)。目前有很多試驗(yàn)裝置不能用智能擬合的辦法來(lái)繪制動(dòng)作區(qū)曲線，也得不到實(shí)測(cè)的動(dòng)作阻抗，因而表達(dá)不出實(shí)測(cè)的阻抗和整定值有多少誤差。江西華東電力儀器廠JJC—1H微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀開(kāi)發(fā)了這些軟件：包括阻抗元件動(dòng)作區(qū)曲線、精工電流曲線、差動(dòng)保護(hù)的助磁特性曲線等的智能擬合程序，尤其是試驗(yàn)疊加諧波對(duì)阻抗元件動(dòng)作區(qū)的影響時(shí)，該程序能描繪非圓曲線的動(dòng)作區(qū)，并形成一頁(yè)完整的試驗(yàn)報(bào)告(見(jiàn)圖1、圖2)
圖1 諧波對(duì)阻抗繼電器動(dòng)作區(qū)的影響
圖2 差動(dòng)繼電器比率制動(dòng)特性
3 如何在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試試驗(yàn)裝置的性能
在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，往往沒(méi)有復(fù)雜的繼電保護(hù)，但有較多的儀表和測(cè)試裝置。
3.1 幅頻特性測(cè)試
較為簡(jiǎn)單的方法是用雙線示波器觀測(cè)。令試驗(yàn)裝置在疊加諧波狀態(tài)，其中一相送工頻電壓U1，另一相送高頻電壓Un，計(jì)算機(jī)設(shè)定它們幅值相等，即U1=Un。如果幅頻特性很好，在示波器上這兩個(gè)不同頻率的波形應(yīng)有相同的高度。國(guó)外裝置在高頻頻率為1000Hz時(shí)，兩個(gè)波形的幅值是一樣高，從高頻波形看曲線依然光滑，說(shuō)明信號(hào)源波形每周的點(diǎn)數(shù)是很多的。由于沒(méi)有阻容平滑，幅頻特性很好。江西華東電力儀器廠JJC—1H試驗(yàn)裝置每周點(diǎn)數(shù)為180點(diǎn)，在高頻頻率為350Hz以下時(shí)，兩個(gè)波形的幅值是一樣高。北京威特MRT—02B試驗(yàn)裝置，由于每周點(diǎn)數(shù)只40點(diǎn)，采用了較大的阻容平滑措施，因而幅頻特性很差，在5次諧波時(shí)，其幅值對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)定值的誤差都已達(dá)到了50％以上。
3.2 線性和精度測(cè)量
繼電保護(hù)試驗(yàn)主要保證50Hz下的線性和精度，這可用一般的電流、電壓表對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)。對(duì)電流精度的校驗(yàn)，應(yīng)讓試驗(yàn)裝置從大電流往下逐點(diǎn)試驗(yàn)，有利于那些熱容量不足的裝置避免過(guò)熱。由于D/A的位數(shù)有限，要注意小電壓時(shí)的精度，對(duì)電流只需校核0.2～30A范圍。OMICRONCMC156由于采用A/D反饋?zhàn)詣?dòng)修正精度，故精度和線性均很好。欠缺的是輸出容量較小，往往在小電壓和小電流時(shí)，試驗(yàn)裝置由于D/A的位數(shù)少，失真度會(huì)偏大。這一點(diǎn)對(duì)微機(jī)保護(hù)影響不大，由于在小電壓和小電流時(shí)，其微機(jī)保護(hù)的AD采樣的位數(shù)也減少，讀入的精度也降低，輸出波形的臺(tái)階化對(duì)測(cè)距的影響還不少。
國(guó)內(nèi)試驗(yàn)裝置在工頻時(shí)的精度一般都很好，但在小電壓下的精度要差些，原因是A/D位數(shù)減少。
3.3 帶載能力
用示波器配合負(fù)載電阻測(cè)量試驗(yàn)裝置在輸出波形不失真下的帶載能力時(shí)，必需同時(shí)指出送多大電流和其輸出波形不失真的的最大電壓。帶載能力測(cè)試是重要環(huán)節(jié)，要求可調(diào)的負(fù)載電阻阻值在1Ω以下，通流能力在30A。一般不易找到合適的可調(diào)電阻器，可用幾個(gè)電抗變壓器串聯(lián)來(lái)代替，測(cè)量的結(jié)果如表1。當(dāng)通30A時(shí)，江西JJC—1H輸出不失真電壓為10～11V，新加坡VENUS330輸出不失真電壓為3.8V，顯然前者帶載能力要大得多。
3.4 疊加諧波能力
用諧波儀測(cè)試試驗(yàn)裝置疊加諧波的能力同時(shí)可考核精度和幅頻特性。國(guó)外裝置由于幅頻特性好，其諧波合成都很好。江西JJC—1H其諧波合成效果也好，送臺(tái)階波時(shí)，它的響應(yīng)也很快。
對(duì)無(wú)變壓器輸出的試驗(yàn)裝置，可用示波器觀測(cè)試驗(yàn)裝置輸出方波和臺(tái)階波的能力。
3.5 差動(dòng)繼電器的助磁特性試驗(yàn)
該項(xiàng)試驗(yàn)是考核試驗(yàn)裝置能否自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，并如何處理試驗(yàn)結(jié)果的簡(jiǎn)便方法。
3.6 阻抗繼電器動(dòng)作區(qū)試驗(yàn)
該項(xiàng)試驗(yàn)也是考核試驗(yàn)裝置能否自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，并如何處理試驗(yàn)結(jié)果的簡(jiǎn)便方法，用以判明其有否疊加諧波或自動(dòng)描繪擬合曲線的能力。
3.7 阻抗繼電器的精工電流試驗(yàn)
該項(xiàng)試驗(yàn)是考核試驗(yàn)裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試的能力。如果暫態(tài)響應(yīng)不好，兩次精工電流測(cè)量的結(jié)果相差會(huì)較大，特別是在小電流下的情況更是如此。這就要分析是保護(hù)裝置的暫態(tài)分散還是試驗(yàn)裝置暫態(tài)特性所引起的。同時(shí)要考核精工電流擬合繪線的結(jié)果，尤其是數(shù)據(jù)分散的情況下，擬合繪線是否會(huì)產(chǎn)生不合理的振蕩，以此考核繪圖軟件的質(zhì)量問(wèn)題(圖3)。國(guó)內(nèi)外繼電保護(hù)微機(jī)型試驗(yàn)裝置的性能比較見(jiàn)表1。
圖3 精工電流曲線擬合
4 軟件菜單設(shè)計(jì)的審查
軟件豐富與否，也是對(duì)試驗(yàn)裝置的選擇條件。一般來(lái)說(shuō)，常用軟件都應(yīng)具備如下內(nèi)容：
(1) 三相電流、電壓能任意設(shè)定初始值、故障值；能疊加諧波；能設(shè)定各段狀態(tài)時(shí)區(qū)的長(zhǎng)短；能智能判別繼電保護(hù)反饋接點(diǎn)的信息；能按一定的模式，自動(dòng)尋找繼電器臨界動(dòng)作值。如保持電流和角度不變的情況下，按二分法改變電壓幅值，尋找阻抗元件的臨界動(dòng)作值。也可保持電流和電壓不變，讓電壓、電流之間的角度連續(xù)變化，看繼電器進(jìn)入動(dòng)作區(qū)域的角度范圍。它可用于測(cè)量上拋圓特性的阻抗繼電器，也可測(cè)量方向繼電器的動(dòng)作區(qū)。
(2) 三相電流、電壓源能獨(dú)立變頻，也可根據(jù)需要改變。如做差動(dòng)保護(hù)助磁特性試驗(yàn)時(shí)，其中一相送直流電流，另一相送交流電流。如做差動(dòng)繼電器的諧波制動(dòng)特性時(shí)，A相送諧波電流，B相送50Hz電流。新加坡VENUS 330卻沒(méi)有做到分相獨(dú)立變頻。
(3) 三相電流、電壓也可根據(jù)輸入的線路參數(shù)R、X和選擇的故障類(lèi)型來(lái)自動(dòng)計(jì)算產(chǎn)生。這一點(diǎn)FREJA300做得較好，它可以輸入R、X；或Z、Φ；或I、Z；或U、I；或U、Φ等任何一種方式，據(jù)此產(chǎn)生故障信息。
(4) 三相電流、電壓的諧波不能隨意疊加。因?yàn)橐坏┗娏?、電壓已設(shè)定，相當(dāng)于線路的參數(shù)R、X已確定。如果諧波電流先隨意設(shè)定，則諧波電壓就必須滿足參數(shù)R、X的制約。
(5) 三相電流、電壓要能設(shè)定多段狀態(tài)的時(shí)區(qū)。如正常態(tài)、故障態(tài)、非全相態(tài)、重合于故障態(tài)、切除后態(tài)，以便能校驗(yàn)綜合重合閘的動(dòng)作情況。
(6) 三相電流、電壓要能模擬復(fù)雜故障轉(zhuǎn)換。如正常態(tài)、單相接地故障態(tài)15ms(可調(diào))后，再轉(zhuǎn)兩點(diǎn)接地故障態(tài)，這種設(shè)定是考核微機(jī)保護(hù)對(duì)轉(zhuǎn)換性故障的響應(yīng)方式的需要。因?yàn)榍?5ms是單相接地故障，其后是兩點(diǎn)接地故障，故障距離計(jì)算的公式對(duì)單相接地和兩點(diǎn)接地故障的計(jì)算是不一樣的。微機(jī)保護(hù)此時(shí)面臨的問(wèn)題是，在一個(gè)周波的數(shù)據(jù)是混淆數(shù)據(jù)，它究竟按哪個(gè)公式計(jì)算或是再等待，還是混算?由于新型的繼電保護(hù)復(fù)雜，它的內(nèi)核不是很清楚，究竟在運(yùn)行中它的表現(xiàn)如何?繼電保護(hù)微機(jī)型試驗(yàn)裝置要肩負(fù)此考核的責(zé)任。
(7) 試驗(yàn)裝置要能產(chǎn)生系統(tǒng)振蕩時(shí)的三相電流、電壓模型，用于試驗(yàn)振蕩解列裝置；也要能產(chǎn)生系統(tǒng)振蕩，又伴隨故障的三相電流、電壓(包括先故障，后振蕩或先振蕩，后故障等)的模型。
(8) 高級(jí)仿真。用EMTP電磁暫態(tài)程序計(jì)算故障仿真數(shù)據(jù)，以一定的格式轉(zhuǎn)換成試驗(yàn)裝置的數(shù)據(jù)文件，用D/A經(jīng)功率放大送出三相仿真的電流、電壓。對(duì)于用計(jì)算機(jī)信息逐點(diǎn)傳送，每周有40點(diǎn)以上的無(wú)隔離變壓器的試驗(yàn)裝置而言，做到這點(diǎn)并不難，北京威特MRT—02完成故障仿真工作較早，而后國(guó)內(nèi)其它裝置也完成了這項(xiàng)工作。每周點(diǎn)數(shù)多一點(diǎn)，仿真更細(xì)膩一點(diǎn)。也可計(jì)算復(fù)雜故障下短路電流、電壓，將計(jì)算的電流、電壓的幅值和相角直接輸入到試驗(yàn)裝置的菜單程序中對(duì)繼電器進(jìn)行仿真試驗(yàn)。
(9) 故障信息再現(xiàn)。原則上應(yīng)該可以將故障錄波器記錄數(shù)據(jù)通過(guò)試驗(yàn)裝置予以再現(xiàn)輸出，但這中間也需要進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的翻譯(幅值定標(biāo))。如國(guó)內(nèi)故障錄波器每周只記錄20點(diǎn)，就要用等距插值法將它轉(zhuǎn)為每周180點(diǎn)(對(duì)JJC—1H試驗(yàn)裝置而言)，對(duì)逐點(diǎn)傳送的試驗(yàn)裝置，可邊插值邊送數(shù)，使輸出更細(xì)膩。對(duì)于壓縮存儲(chǔ)的文件，更要妥善處理。
（轉(zhuǎn)載）
