0 引言

 繼電保護設備[1]作為變電所的關鍵設備，其運行狀態對電力系統能否正常工作有直接影響，因此，繼電保護設備測試技術在電力工業的高速發展中迅速崛起。

 國外的相關研究起步較早，發展較快，尤其是美國AVO國際公司獨立生產的PULSAR繼電保護測試系統，不僅在一定程度上實現了人工智能，而且大幅提升了資源的利用率。Betancourt R J等[2]通過使用低成本的電壓和電流傳感器，測量和保護設備的相關變量被減少到適合數據采集系統的值。使用LabVIEW環境處理電壓和電流信號，并開發功率計量算法和常見的繼電器實現繼電保護；而我國則在上世紀八、九十年代開始關注到繼電保護設備的測試技術，并對保障繼電保護設備正確動作與電網平穩運行起著重要的推動作用，近幾年，劉大偉等[3]通過將云存儲與物聯網標簽技術融入測試系統，結合微軟媒體服務器協議，實現了智能變電站繼電保護設備的自動測試。

 牽引變電所綜合自動化系統對上述測試方法提出了要求的新高度，因此，本文面向牽引變電所，設計繼電保護設備的自動測試系統。系統中應用的各類組件均有助于強化系統通用性，其中，測試信號編碼器既能用于多種設備測試，還能實現系統的全自動操作；利用可編程邏輯控制器自動完成所有工作，提升安全性與可靠性，在防止人為錯誤發生的同時，大幅提升測試速度。

1 牽引變電所繼電保護設備自動測試系統硬件設計

 由通用型計算機、繼電保護測試儀、可編程邏輯控制器、服務器以及以太網交換機等組件構成的繼電保護設備自動測試系統如圖1所示。

該系統各組件具體內容如下所述：

 （1）測試信號編碼器：測試儀與保護設備間存在兩個通道，即模擬量通道與開關量通道，該組件則是這兩個通道之間的切換開關，主要通過可編程邏輯控制器[4]實現自動匹配連接，可用于多種設備。該組件的組成部分為可編程邏輯控制器與繼電器陣列。為便于以太網與系統之間的數據交互更為順暢，可編程邏輯控制器選用的是基恩士公司生產的KV-P16T型號。而繼電器陣列則要根據電壓與電流各自的接線形式進行建立。

 為自動切換繼電保護測試儀與預測設備間的電壓接線形式，搭建圖2所示的繼電器陣列，并將其置放于測試儀與待測設備之間。

 電流接線形式較電壓相對簡易，故針對設備輸入電流僅為一組的情況搭建繼電器陣列，如圖3所示。通常，用戶會在預測設備中接入三相電流，但因經濟效益問題，也有只接入A、C相或A相的情況。

 （2）通用型計算機：作為實現系統自動化測試的關鍵部分，由于該組件需利用其中一個網卡完成與測試設備之間的信息交互，須支持雙網卡。

 （3）服務器：該組件負責管理用戶權限，外部網絡服務器與通用計算機均可作為該虛擬組件，服務器中含有數據庫與缺陷管理的子系統。

 （4）對時系統：組成部分為各類時鐘源，諸如簡單網絡時間協議與全球定位系統等。功能是提供輸入源給預測設備，完成對時與時間管理功能。

 （5）繼電保護測試儀：故障模擬系統是測試系統的關鍵，選用奧地利OMICRON公司產CMC356繼電保護測試儀[5]作為系統的核心組件。當保護設備的電流輸入超過兩組時，選用CMA156完成拓展。若開關量存在較多的輸入輸出數量要求，則選用I/O7來拓展通道。

 （6）其他測試設備：該組件由可編程邏輯控制器自動開啟，比如：溫度傳感器、網絡負載發生器等。

2 牽引變電所繼電保護設備自動測試系統軟件設計

2.1 軟件功能結構

 圖4所示為測試系統的軟件結構組成。其中，主機程序通過Windows操作系統實現，用于支持通信協議接口等組件與人機交互界面的運行；從機程序包含Help2000控制程序與從機通信協議接口程序，主要負責轉發報文信息與執行主控程序下發命令；數據庫程序涵蓋執行條件、測試目標等程序，其功能是實現系統對特定需求的滿足；繼電保護設備及其測試儀的運行程序作為軟件的關鍵部分，除基本的差動保護測試程序外，還包括支持雙端/多端的邏輯流程。

2.2 相關算法

 自動測試系統的核心是繼電保護測試儀。頻率、相位差作為測試儀周期性故障信號的主要測量參數，其有效值決定系統的測試準確度；當測試對象為非對稱性故障信號時，求解序分量則具有一定的必要性。各參數的具體計算方式描述如下：

（1）頻率：基于Bézier曲線擬合算法[6]，取得頻率參數。

 若某線路的額定電壓是Um，該線路上的三個相鄰采樣點分別為k、k+1、k+2，各采樣點對應電壓是u k、u k+1、u k+2，采樣周期分別是t k、t k+1、t k+2，假設角頻率是ω，則采樣樣本界定式如式（1）-（3）所示。（1）（2）（3）

式中，θ是角頻率與采樣頻率的比值。由此推導出下列表達式：

 （4）（2）相位差：假定噪聲同時對同頻正弦信號x(t)、y(t)存在干擾，且兩信號為相互關聯的函數對，若信號幅值各是A、B，產生的噪聲信號分別為Nx(t)、Ny(t)，則采用下列表達式界定兩同頻正弦信號：

（5）（6）式中， 表示三角函數，其初始角頻率為ω0，初始相位是φ0，信號周期是t。

將兩同頻正弦信號代入下列積分式后，得到式（8）：

 （7）（8）式中， 為信號的延長周期。若該值是0，則表明信號相位處于理想狀態，此時，積分式（8）可改寫成下列表達式：

（9）由此，利用下列計算公式得出相位φ1與初始相位φ0之間的相位差：

 （10）（3）序分量：采用對稱分量法[7]分解一組三相不對稱電量，得到正序、負序、零序三個對稱分量F1、F2、F0。已知三相工頻電壓分別是F A、F B、F C，旋轉因子[8]是α，則各序分量的界定公式分別如下所示：

3 自動測試系統實例驗證

 選取某牽引變電所多個應用范圍較廣的繼電保護設備作為測試對象，根據變電所所在省市的繼電保護設備檢驗規程，開展驗收測試。

3.1 自動測試系統自動化用例

 針對南瑞PCS-931線路保護設備，檢驗測試系統的自動化性能。運行中的測試系統，先完成各項定值試驗，再解析協議發送的跳閘報告，*后在試驗的初始記錄里進行存檔。

 根據測試系統的試驗實現過程與結果（見表1）可以看出，點擊系統主界面上的“開始”鍵后，系統可自動生成相關信息較為完善的檢測報告，所有測試流程均能夠在沒有人工干預的情況下自動執行。因為該系統采用了可編程邏輯控制器，自動匹配、連接測試儀與保護設備，自動開啟溫度傳感器、網絡負載發生器等其他測試設備，故能夠較為理想地實現自動化操作目標。

3.2 自動測試系統性能分析

 設定測試系統性能檢驗對象分別是南瑞PCS-931線路保護、南瑞PCS-921開關保護以及南自SGB-750母線保護等多個繼電保護設備，并針對各設備的采樣值、比率差動等項目展開測試試驗，探討不同保護設備采樣標準值與差動保護比率制動系數下本文系統的測試性能，再根據測試效率驗證其效益性。

3.2.1 系統準確性檢驗

 五次加量處理0.1 A、1 A以及5 A采樣標準值，得到圖5所示的不同繼電保護設備采樣自動測試結果。從圖中的數據結果可以看出，本文系統因針對測試儀的周期性故障信號與非對稱性故障信號等不同情況，計算出對應的關鍵測量參數值，解得的有效值對測試準確度起到了較好的輔助作用，故三種設備的采樣值均與標準值相一致，具有較高的測試準確性。

3.2.2 系統平穩性檢驗

 設定差動保護下比率制動系數分別為0.2、0.3、0.4，各系數相應的比率差動測試結果如圖6所示。可以看出，本文系統因采用支持雙網卡的通用型計算機，利用其中一個網卡完成與測試設備之間的信息交互，并就多組電流輸入與高開關量要求等情況分別給出了有效的解決策略，根據電壓與電流各自的接線形式，建立不同的繼電器陣列，結合可編程邏輯控制器后，賦予測試信號編碼器更理想的通用性能，因此，比率差動的自動測試階段較為穩定，且始終沒有發生數據漂移情況。

3.2.3 系統效益性檢驗

 圖7呈現的是系統測試與報告填充所用時長，將其與手動測試時長作對比后可以看出，所提系統因利用可編程邏輯控制器，實現系統的全自動化，極大程度縮短了測試時長，并用標簽的形式插入試驗報告，因此，只需要花費少許時間即可完成報告內容的填充，大幅加快了勞動生產率，有助于產生較大的經濟效益。

4 結束語

 本文以牽引變電所的繼電保護設備為研究對象，創建自動測試系統，在實現設備故障自動檢測的同時，為電力工作者提供相關技術支持。盡管本文取得了一定的研究成果，但仍需從以下幾個方面加以優化：應針對各硬件組件進行開、閉環測試，探尋更理想、更適合的元件配置，從根本上提升系統的測試性能；將縮短系統測試時長作為下一階段的研究重點，使系統滿足即時性需求。