基于數字化PID的剩余電流動作保護器自動測試裝置

王偉能，陳福勝，盧萍

(1.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007；2.湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南 長沙 410007)

基于數字化PID的剩余電流動作保護器自動測試裝置

Automatic testingequipment of residual current protection device based on digital PID

王偉能1，陳福勝2，盧萍2

(1.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007；2.湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南 長沙 410007)

文中提出了一種基于數字化PID的剩余電流動作保護器自動測試裝置，該裝置集過載動作特性測試、溫升測試和耐壓測試功能于一體，能夠全面、準確的測試剩余電流動作保護器性能。試驗結果表明，相比于已有產品，本裝置提升了輸出電壓、電流準確度和穩定度，自動完成相關測試工作。

剩余電流動作保護器；數字化PID；自動測試裝置；過載動作特性；過電流

低壓配電線路多而復雜，線路維護檢修工作難度大。特別是在農村配電網絡中，電力故障時有發生，安裝剩余電流動作保護器 (以下簡稱保護器)是防止低壓電網中人身觸電、電氣火災及電氣設備損壞的一種有效的防護措施〔1－4〕。目前某些保護器在現場運行時由于受過電流和溫升的影響經常出現誤動作和拒動作等故障，而多數的剩余電流動作保護器測試裝置 (以下簡稱測試裝置)僅對保護器的單個性能進行手工測試〔5－7〕，如額定動作電流、額定不動作電流、額定動作時間等，對保護器的過電流下的動作特性和負載電流溫升特性缺乏科學、有效的檢測手段。為了保證保護器在現場的穩定、可靠運行，必須對其性能進行全面、有效的測試。

在進行過電流動作特性的測試時，為保證試驗的準確性，測試正弦電流必須穩定、精確。根據文獻〔8〕要求，試驗電流誤差≤±2%，正弦波失真度＜5%。為了得到測試所需的大電流，傳統采用的是短路法，但其試驗電流的精度和穩定度難以滿足要求。

對于保護器溫升特性測試通常采用人工記錄溫度的方法，工作量較大，人工讀數易出錯，對于不同保護器的測試一致性較差，且難以記錄整個升溫過程。

同時，傳統試驗裝置沒有對保護器進行耐壓試驗，因此不能有效驗證保護器的絕緣能力，給保護器的運行帶來安全隱患。

針對目前保護器測試裝置的不足，依據國家相關標準，文中提出了一種基于數字化 PID (Proportion Integration Differentiation) 的新型保護器自動測試裝置，該裝置集過載動作特性測試、溫升測試和耐壓測試功能于一體，能夠全面、準確地測試剩余電流動作保護器性能。

1 數字化PID在本測試裝置中的應用

保護器測試裝置的電壓回路和電流回路的負載是時刻變化的，為了保證輸出電壓和電流在負載變化的時候仍能保持穩定輸出，且滿足精度要求，需要設計合理的控制算法來實現電壓、電流的精確控制。文中采用數字化PID算法，如圖1所示。

圖1 PID閉環控制原理框圖

圖1中，r(t)是給定值，y(t)是系統的實際輸出值，給定值與實際輸出值構成控制偏差e(t):

e(t)作為PID控制器的輸入，u(t)作為PID控制器的輸出和被控對象的輸入。PID控制器的數學表達式為:

式中 Kp為比例系數；TI為積分系數；TD為微分系數；u0為控制常量。

對式 (2)中的積分項和微分項進行離散化處理:以T作為采樣周期，k作為采樣序號，則離散采樣時間kT對應著連續時間t，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，可作近似變換: t≈Kt (k＝0，1，2，…)

式 (3)中，為了表示方便，將類似于e(kT)簡化成ek。

將式 (3)代入式 (2)，得到數字化PID表達式為:式中 k為采樣序號，k＝0，1，2，…；uk為第 k次采樣時計算機輸出值；ek為第k次采樣時輸入的偏差值；ek－1為第k－1次采樣時輸入的偏差值；KI為積分系數，kI＝KpT/TI；KD為微分系數，KD＝KpTD/T；u0為進行PID控制時的原始初值。

如果采樣周期取得足夠小，則式 (4)可獲得足夠精確的結果。由式 (4)可得數字化PID控制器在第k－1個采樣周期時的輸出值:

將式 (4)與式 (5)相減，得到數字化PID控制算法公式為:

由式 (6)可以發現，對于恒定采樣周期 T，A，B，C只要使用前后3次測量值的偏差，就可以由式 (6)求出增量，并得出數字化PID控制算法遞推計算公式:

式 (7)就是文中所提測試裝置所應用的數字化PID控制算法。軟件的具體實現流程如圖 2所示。

圖2 數字化PID控制算法流程圖

以控制輸出電流幅值為例，在上述控制過程中，若電流幅值給定值為720 A，在3000A/5的電流互感器二流回路中為1.2 A。如果當前測量值為0.5 A，按Kp＝150，Ki＝2，Kd＝1.2計算:

經過3次計算后，電流到達預定值1.2 A，整個控制在6個采集周期內完成。按工頻信號20 ms的3倍時間采樣，加計算機的其它運行時間，電流穩定時間小于0.5 s。由于計算是實時的，當負載本身變化時，仍能保持良好的電流特性。

給出預設電流為2 000 A時，采用變比為1 000 A/0.5 A的標準電流互感器采樣，在二次回路通過1 Ω標準電阻取樣，得到的輸出電流信號波形。輸出電流波形較好，諧波含量少。進一步在不同預設電流條件下，測試輸出電流，發現電流幅值誤差不超過1%，總諧波失真度不超過3%，滿足剩余電流動作保護器動作性能測試的要求。

2 基于PID技術的測試裝置

如圖3所示，為文中所提測試裝置的原理圖，主要由測量控制儀、溫度測試儀、耐壓測試模塊、交流變頻電源、變流器、電流互感器和PC機及應用軟件等部分組成。其中，交流變頻電源采用數字化PID技術，輸出高精度電壓和電流。測量控制儀采用高速工業級CPU作為核心處理器，向交流變頻電源發送控制指令，實現對輸出電壓、電流的實時控制，同時實時采集被試品的試驗參數 (如試驗電壓、動作電流、動作時間等)，并將測試數據傳輸到PC機。溫度測試儀通過分布式的熱電偶測量探頭采集被試品各點的溫度，構成多路溫度測試系統，并將溫度數據實時傳輸到PC機。交流變頻電源、變流器、電流互感器構成測試裝置的輸出模塊，輸出試驗所需的電壓、電流。PC機安裝了基于LabView的測試軟件，控制試驗流程的進行，綜合分析被試品的性能，并打印記錄和報告。

圖3 測試裝置原理圖

3 整機測試

3.1 測試環境

整機功能測試環境見表1。

3.2 輸出性能

為比較本項目研制的測試裝置與傳統測試裝置的性能 (文中以ABB－800塑殼斷路器延時特性校驗臺為例)，分別在不同溫度、濕度條件下，對本裝置和傳統裝置的輸出性能進行測試，如圖4，5所示。由圖4可知，在溫度一定的條件下，本裝置的輸出特性對于相對濕度的敏感度比傳統裝置要小；由圖5可知，在相對濕度一定的條件下，本裝置的輸出特性受溫度的影響較小。由此可知，本裝置具有更穩定的輸出，對于外界環境具有更好的抗干擾能力。

表1 測試環境

圖4 環境溫度20℃時，不同相對濕度下，與傳統測試裝置的輸出比較

圖5 相對濕度40%時，不同環境溫度下，與傳統測試裝置的輸出比較

3.3 過載動作特性測試

為了比較本裝置與傳統裝置動作測試性能，分別用本裝置和傳統裝置 (ABB－800塑殼斷路器延時特性檢驗臺)進行過電流條件下的動作特性測試，該試品為ZSLL1－250/Q1剩余電流動作保護器4只，標記為1－1/1－2/1－3/1－4。

對比表2中數據可知，使用傳統裝置時由于電網的允許波動、人工目測觀察，及人工按鈕操作，造成響應及控制延遲，引起電流波動較大；本裝置在相同的測試條件下，對同批次、同規格的試品，過載動作特性基本一致。

3.4 溫升和耐壓試驗

在對保護器進行溫升性能試驗時，利用PC機軟件設置輸出試驗電流和試驗時間，通過8路溫度傳感器來檢測保護器各部件的溫升，并自動結束試驗。

在對保護器進行耐壓性能試驗時，把測試裝置的輸出電壓施加于保護器的絕緣上，設置好試驗時間和泄漏電流值，進行測試。試驗結果表明，本裝置能夠滿足保護器耐壓測試需求。

表2 動作特性測試結果

4 結語

文中基于數字化PID的剩余電流動作保護器自動測試裝置，已在國網湖南電力公司電力科學研究院正式運行。該裝置有效地解決了目前剩余電流動作保護器測試裝置不能自動開展動作特性測試、負載溫升特性測試和耐壓特性測試的問題，提升了測試裝置輸出電壓、電流的準確度和穩定度，實現了測試流程的自動化，減少了檢測工作的工作量，為保護器的測試和選型提供了重要平臺。

〔1〕Giuseppe Parise，Luigi Martirano，and Massimo Mitolo.Electrical Safety of Street Light Systems〔J〕.IEEE transactions on power delivery，2011，26(3):1952-1959.

〔2〕 Wang Shengxian，Zheng Tao and Shen Lishuang.A Tentative Discussion on AppendixAA in GB 4706.12 〔J〕.China standardization，2012，1:66-68.

〔3〕IEC Technical Report 479-1:1994 Effects of current on human beings and livestock.

〔4〕S.Czapp.Protection Against Electric Shock Using Residual Current Devices in Circuits with Electronic Equipment〔J〕.Electronics and electrical engineering，2007，4(76):51-54.

〔5〕孫一山.剩余電流動作保護器的正確測試 〔J〕.農村電氣化，2008(06):19-20.

〔6〕張慶利，鄭杰，劉俊昌.剩余電流動作保護器現場測試程序〔J〕.農村電工，2008(12):29-30.

〔7〕奚永源，羅銳利.A型剩余電流動作保護器的動作特性測試技術 〔J〕.低壓電器，2001(01):52-54.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.021

TM77

B

1008-0198(2015)04-0083-04

2015-06-16

國網湖南省電力公司科技項目 (5216A01300JR)

王偉能 (1983)，漢族，博士，主要從事電能計量器具檢測與研發。