帶負荷測試智能二次回路分析方法的研究與實現

羅振威 張俊杰 吳少楠 于廷文 何雄輝

摘要：基于傳統帶負荷測試流程復雜、中間環節多、工作效率低等缺點，在三相相位伏安表的基礎上，研制新的帶負荷測試智能二次回路分析裝置，首先闡述該裝置工作原理與設計方案，然后對其測試過程進行具體的數值分析，實驗結果表明：利用該裝置能夠判斷出電壓、電流互感器二次回路極性和相序是否接線錯誤，直觀顯示二次回路接線圖，避免人工分析判斷帶來的失誤。

關鍵詞：繼電保護;帶負荷測試;二次回路分析

1? ? 原有帶負荷測試方法的不足

變電站新設備投運或電流二次回路改動過的設備恢復送電時，繼電保護裝置需要進行帶負荷向量測試，即測量三相負荷電流的有效值和相對于基準電壓的相位并判斷相序，以檢測二次電流、電壓回路的正確性，進而保證保護正確動作[1]。

保護裝置二次電壓回路正相序三種、逆相序三種，三個TV極性組合8種，電壓二次回路就有48種組合，電流回路同樣也有48種，共有三相電壓、三相電流接線方式2 304種，但其中只有一種是正確的[2]。傳統帶負荷測試普遍使用相位表進行測量并記錄數據的方式，再根據記錄的數據的六角圖，依靠人工去分析判斷交流二次回路接線是否正確，沒有豐富的工作經驗和理論知識很容易造成錯誤[3]。這樣的操作方式不但流程繁瑣復雜，中間環節較多，工作效率低，而且容易因為人的因素造成判斷錯誤。

2? ? 帶負荷測試智能二次回路分析裝置工作原理與技術方案

帶負荷測試智能二次回路分析裝置由帶有USB接口的三相電壓、電流測量裝置和平板電腦組成，兩者之間使用USB連接。帶有USB接口的三相電壓、電流測量裝置本身由測量處理器和USB接口處理器雙處理器組成，測量處理器對電壓、電流進行采樣，并經過FFT、DSP計算得到頻率、幅值、相位、功率、諧波、波形這些電參數，USB接口處理器將測量處理器傳輸的計算結果緩存并通過USB接口發送到上位機平板電腦顯示。測量處理器和USB接口處理器之間采用高速雙向SPI通信，使兩個處理器不僅能夠獨立工作，還能進行相互之間的高速通信。雙處理器的智能帶負荷測試裝置不僅可以快速進行諧波、波形分析，而且可以緩存所有測量結果，配有USB接口，適合與多種上位機通信。

硬件設計的基本思路是對輸入信號進行取樣，經隔直放大后送入ADC進行采樣轉換，然后通過單片機對采樣結果加以分析和處理，再將處理好的數據結果通過USB傳送給其他設備[4]。根據這個思路得到硬件方案的模塊框圖如圖1所示。

3? ? 帶負荷測試智能二次回路分析方法

測試步驟流程如圖2所示。

步驟1，設定一次有功功率P、無功功率Q。

步驟2，根據輸入P和Q計算平均功率因數角φUI。φUI=

arctan（P/Q），φUI范圍為-90°～90°。

步驟3，讀取測量結果數據。

步驟4，根據計算的平均功率因數角φUI對讀取到的測量結果進行電流二次回路判別：

設定功率角允許偏差閾值，允許偏差為X，對測量得到的以A相電壓U1為基準的三相電流相位φU1I1、φU1I2、φU1I3三個角度φ依次進行如下分析：

例如，對TA1回路電流I1進行如下計算：φ=φU1I1-φUI-X，如果小于0則加上360，調整φ到0°～360°;計算φ/60并取整，根據φ的值，會得到0～5的整數，分別代表φ的區域：0（0°～60°）、1（60°～120°）、2（120°～180°）、3（180°～240°）、4（240°～300°）、5（300°～360°），根據所得整數查表1，即可得到TA1回路電流I1的分析結果，具體如表1所示。

對TA2回路電流I2使用φU1I2、TA3回路電流I3使用φU1I3重復以上計算分析，可得到TA1、TA2、TA3的極性及相別;

根據I1、I2、I3對應的相別（A相、B相、C相）來確定電流的相序，排序為ABC、CBA、BCA時為正相序，排序為ACB、BAC、CBA時為逆相序。

步驟5，根據電壓之間相位進行電壓二次回路判別。

電壓回路以測量的U1對應A相電壓為基準，A相電壓已經過站內核相，U1為A相，TV1極性正。設定電壓相位角允許偏差閾值，允許偏差為Y，允許偏差Y可以為3°;

對U2進行計算：φ=φU1U2-Y，為U1超前U2的角度。

當φ/60為1時，TV3回路電壓反向，該二次回路電壓對應一次C相電壓;

當φ/60為2時，TV2回路電壓正向，該二次回路電壓對應一次B相電壓;

當φ/60為4時，TV3回路電壓正向，該二次回路電壓對應一次C相電壓;

當φ/60為5時，TV2回路電壓反向，該二次回路電壓對應一次B相電壓;

電壓二次回路判別過程中，當φ/60為0或3時則是錯誤。

同樣可以對U3進行分析，即可得到電壓二次回路接線相序和極性。

步驟6，顯示電壓、電流二次回路判別的文字結果和接線圖，讀取下一次測量結果，可以進行實時的數據分析[5]。

4? ? 結語

綜合上述分析，本裝置提供的智能帶負荷測試分析方法，能夠直接對交流二次回路的三相電流、電壓進行同步測量，并能利用USB接口上傳到平板電腦，在平板電腦中依據設定的有功和無功功率、PT和CT變比自動分析判斷出二次回路接線是否正確，直觀顯示判別結果，有效避免了重復測試、人為記錄等所帶來的結果偏差，提升了測試效率，并且避免了由于人的因素造成的判斷錯誤。

[參考文獻]

[1] 楊鵬.變電站繼電保護二次回路的在線監測及故障分析[J].電子測試，2019（6）：87-88.

[2] 賀家李.電力系統繼電保護原理[M].4版.北京：中國電力出版社，2010.

[3] 林冶.智能變電站二次系統原理與現場實用技術[M].北京：中國電力出版社，2016.

[4] 廖義奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系統設計[M].北京：中國電力出版社，2012.

[5] 吳飛.變電站二次回路及繼電保護調試技術措施分析[J].中國設備工程，2019（4）：214-216.

收稿日期：2019-12-10

作者簡介：羅振威（1964—），男，廣東江門人，高級工程師，從事電網繼電保護專業工作。