０ 引言
電力系統(tǒng)繼電保護(hù)是電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的一道重要防線。繼電保護(hù)中涉及眾多開入量信號(hào) （如 開 關(guān) 合 位、開 關(guān) 分位、油溫高等）和 開 出 量 信 號(hào) （如 跳 閘、重 合 閘 等），這些信號(hào)可統(tǒng)稱為開關(guān)量［１－２］，是繼電保護(hù)中一類重要的信號(hào)。
開入量信號(hào)的相關(guān)調(diào)試工作主要為傳統(tǒng)變電站的遙信信號(hào)核對(duì)工作。遙信核對(duì)能確認(rèn)自動(dòng)化主站對(duì)變電站廠站端遙信信號(hào)的可靠接收、管理。當(dāng)前，變電站遙信核對(duì)工作通常采用手動(dòng)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行，即由自動(dòng)化工作人員電話聯(lián)系變電站現(xiàn)場(chǎng)檢修人員，由檢修人員在一次設(shè)備或保護(hù)測(cè)控裝置上人為輸入信號(hào)激勵(lì)，信號(hào)上送自動(dòng)化主站后由主站人員校對(duì)遙信點(diǎn)表信息和變電站實(shí)際信息是否一致，自動(dòng)化程度低。由于遙信信號(hào)眾多，且遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)配置錯(cuò)誤時(shí)有 發(fā) 生，需多次重復(fù)核對(duì)，因此遙信核對(duì)工作量巨大。同時(shí)，手動(dòng)輸入信號(hào)激勵(lì)時(shí)，易發(fā)生觸電或者直流接地事故，給檢修人員帶來了極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，也給電網(wǎng)埋下了重大的安全隱患。
開出量信號(hào)的相關(guān)調(diào)試工作主要為保護(hù)裝置跳閘邏輯驗(yàn)證。主變保護(hù)裝置、母差保護(hù)裝置、備自投保護(hù)裝置等具有較 多 出 口 壓 板，根 據(jù) 不 同 邏 輯、不 同 時(shí) 限、不 同 輪次，保護(hù)動(dòng)作會(huì)跳不同的運(yùn)行開關(guān)，組成了復(fù)雜的跳閘矩陣。保護(hù)裝置中的跳閘矩陣整定后，為了驗(yàn)證跳閘邏輯的正確性，需要檢修人員對(duì)保護(hù)動(dòng)作出口對(duì)應(yīng)開關(guān)的正確性、跳閘時(shí)間的正確性進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)前，測(cè)試方法為進(jìn)行保護(hù)功能試驗(yàn)，由檢修人員逐一測(cè)量各跳閘壓板處的電壓
脈沖，確認(rèn)該項(xiàng)保護(hù) 功 能 對(duì) 應(yīng) 跳／合 閘 的 開 關(guān)，同 時(shí) 測(cè) 得跳閘時(shí)間。由于缺少合適的測(cè)試儀器且接線繁雜，通常檢修人員需多次重復(fù)同一項(xiàng)保護(hù)功能測(cè)試，以測(cè)得不同壓板處的情況，效率低下，且易出現(xiàn)配合不當(dāng)、接觸**、疲倦出錯(cuò)等現(xiàn)象。
運(yùn)用智能化裝置提升繼電保護(hù)開關(guān)量信號(hào)調(diào)試效率和調(diào)試質(zhì)量，提高變電站運(yùn)行的可靠性及安全性，是一種新的技術(shù)嘗試，更是當(dāng)下檢修模式提升亟需解決的問題。在遙信信號(hào)核對(duì)工作的智能化方面，文 獻(xiàn)［３－４］分 別 提 出 了數(shù)字量的快速、自動(dòng)對(duì)點(diǎn)方法，但這兩種方法主要應(yīng)用于智能站，需要通過軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，無 法 應(yīng) 用 于 常 規(guī) 變 電站，適用范圍有所限制。在保護(hù)跳閘邏輯驗(yàn)證方面，文獻(xiàn)［５］提出的裝置可通過出口壓板的電壓脈沖點(diǎn)亮指示燈，直觀展示動(dòng)作 的 回 路，并且可同時(shí)檢測(cè)１０個(gè) 回 路，但 該裝置無法測(cè)量保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，還需要人工判斷是否正確動(dòng)作，整體自動(dòng)化程度依然不高。本文提出一種繼電保護(hù)開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置的設(shè)計(jì)方案，該裝置能夠自動(dòng)進(jìn)行遙信信號(hào)的核對(duì)工作，并且能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)跳閘邏輯驗(yàn)證工作的自動(dòng)化。
１ 整體方案設(shè)計(jì)
繼電保護(hù)開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置主要可實(shí)現(xiàn)智能遙信信號(hào)核對(duì)和保護(hù)跳閘邏輯驗(yàn)證兩項(xiàng)功能，同時(shí)具備人機(jī)交互、智能播報(bào)等功能。
１．１ 智能遙信信號(hào)核對(duì)功能實(shí)現(xiàn)方案
１．１．１ 傳統(tǒng)遙信信號(hào)核對(duì)流程
遙信信號(hào)核對(duì)是電力系統(tǒng)二次設(shè)備在工程部署過程中的一項(xiàng)重要工作，將調(diào)度主站接收的信息與變電站設(shè)備實(shí)際信息進(jìn)行校對(duì)。傳統(tǒng)核對(duì)方法為變電站端工作人員與自動(dòng)化主站工作人員通過電話聯(lián)系，由變電站端工作人員人為對(duì)一次設(shè)備或測(cè)控裝置進(jìn)行操作，作為輸入激勵(lì)，接著自動(dòng)化主站接收輸入激勵(lì)對(duì)應(yīng)的輸出信息，將變電站端輸入的一次設(shè)備的動(dòng)作信息與自動(dòng)化主站接收的信息進(jìn)行人工校對(duì)，*終完成核 對(duì) 工 作［６］。傳統(tǒng)遙信信號(hào)流程如圖１
所示。
１．１．２ 智能遙信信號(hào)核對(duì)設(shè)計(jì)方案
智能遙信信號(hào)核對(duì)流程無需人工對(duì)一次設(shè)備或測(cè)控裝置輸入激勵(lì)，而是在完成開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置與測(cè)控裝置的接線后，按遙信點(diǎn)表順序，觸發(fā)模塊依次自動(dòng)向測(cè)控裝置輸入激勵(lì)，自動(dòng)化主站人員收到遙信信號(hào)后，與點(diǎn)表核對(duì)是否一致。智能遙信信號(hào)核對(duì)流程如圖２所示。
１．２ 跳閘矩陣測(cè)試功能實(shí)現(xiàn)方案
１．２．１ 傳統(tǒng)保護(hù)跳閘矩陣邏輯驗(yàn)證方法
目前，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試出口矩陣的正確性一般有兩種方法：一種是采用萬用表測(cè)量出口壓板的對(duì)地電壓，逐個(gè)壓板測(cè)量是否有跳閘脈沖，進(jìn)而檢測(cè)出口矩陣的正確性，如 圖３所示；另一種是使用繼保測(cè)試儀直接測(cè)量出口接點(diǎn)閉合情況，如圖４所示。這兩種方法均需分側(cè)、分類、分段、分時(shí)限、逐個(gè)邏輯、逐個(gè)壓板依次檢驗(yàn)，需耗費(fèi)大量人工和時(shí)間，并且不同出口的跳閘時(shí)間不是在同一次試驗(yàn)中取得的，無法保證結(jié)果 的 準(zhǔn) 確 性。以２２０ｋＶ 主變保護(hù)跳閘矩
陣校驗(yàn)為例，２套主變保護(hù)約有２０個(gè)跳閘出口壓板，跳閘邏輯約有２００種，校驗(yàn)完這些邏輯至少需１名專業(yè)人員加故障模擬量，２至３人測(cè)量出口壓板脈沖或記錄出口接點(diǎn)閉合情況，共需測(cè)量出口５００余次。
１．２．２ 保護(hù)跳閘矩陣邏輯智能驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案
保護(hù)跳閘矩陣邏輯智能驗(yàn)證方案采用開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置的測(cè)量模塊一次性接收跳閘壓板或出口接點(diǎn)處的出口信號(hào)，分析處理后一次性完成一項(xiàng)保護(hù)功能的跳閘矩陣校驗(yàn)。如圖５所示，用繼保測(cè)試儀輸入模擬量進(jìn)行保護(hù)功能試驗(yàn)，將開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置連接至跳閘壓板或出口接點(diǎn)處，即可測(cè)得該項(xiàng)保護(hù)功能跳閘的回路以及跳閘時(shí)間，從而完成跳閘矩陣校驗(yàn)。
２ 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
繼電保護(hù)開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置的硬件系統(tǒng)主要包括開關(guān)量觸發(fā)模塊和開關(guān)量測(cè)量模塊兩個(gè)功能模塊，此外還有電源模塊、控 制 器、常規(guī)交互模塊和語音交互模塊。
如圖６所示，繼電保護(hù)開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置涉及的零件包括鋰 電 池、ＰＣＢ 電 路 板、按 鍵、ＬＥＤ 顯 示 屏、端 子排連接配件等。
２．１ 開關(guān)量觸發(fā)模塊設(shè)計(jì)
開關(guān)量觸發(fā)模塊的主要元器件為光耦繼電器，利 用５Ｖ 直流電源觸發(fā)繼電器導(dǎo)通，通過外部接線導(dǎo)通測(cè)控裝置信號(hào)電源與遙信信號(hào)端子，輸入遙信信號(hào)激勵(lì)。開關(guān)量觸發(fā)回路設(shè)計(jì)如圖７所示。
光耦繼電器是一種常用的固態(tài)繼電器，內(nèi)部使用非機(jī)械部件，可在沖擊環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，壽命長(zhǎng)；切換速度較快，且本身不產(chǎn)生電磁干擾，電磁兼容性好；在結(jié)構(gòu)上多采用灌封氣密，具有很強(qiáng)的抗振性，可靠性高［７］。同時(shí)，為了解決傳統(tǒng)試驗(yàn)儀與測(cè)控裝置間電纜接線繁瑣耗時(shí)的問題，定制端子排對(duì)插固定端子，直接插拔，通過簡(jiǎn)單緊固螺絲即可快速固定，提高了開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置與測(cè)控裝置間的接線速度。鳳凰端子排對(duì)插固定端子采用全導(dǎo)電性金屬端頭，嚴(yán)格匹配鳳凰端子排尺寸，其使用如圖８所示。
２．２ 開關(guān)量測(cè)量模塊設(shè)計(jì)
開關(guān)量測(cè)量回路設(shè)計(jì)如圖９所示，其中虛線框內(nèi)部分為開關(guān)量測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)原理圖。開關(guān)量測(cè)量回路采用電阻對(duì)開關(guān)量直流脈沖電壓進(jìn)行分壓，再利用光耦隔離器對(duì)強(qiáng)電回路進(jìn)行隔離［８］，控制弱電回路將開關(guān)量信號(hào)輸入控制器。
測(cè)試接點(diǎn)為出口壓板下端 ｂ和 接 地 端ａ，測(cè) 試 時(shí) 合 上控制電源 ＫＭ。電 阻 Ｒ１和 Ｒ２主 要 作 用 為 分 壓，二 極 管Ｄ１的作用是防止輸入端因反偏電壓過大而損壞，并 聯(lián) 電容的作用是減少信號(hào)的干擾。三 極 管 Ｑ１作 為 開 關(guān) 元 件，而 ＱＰ１則為高速 光 耦 隔 離 器。當(dāng)出口接點(diǎn)閉合時(shí)，ＩＮ 與ＣＯＭ 間產(chǎn)生＋１１０Ｖ （或 者＋２２０Ｖ）的直流脈沖電壓，驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通，經(jīng)過分壓、強(qiáng)電隔離，弱電回路導(dǎo)通，將信號(hào)輸入控制器。
３ 軟件程序設(shè)計(jì)
繼電保護(hù)開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置的控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)在智能遙信信號(hào)核對(duì)和保護(hù)跳閘邏輯驗(yàn)證等過程中進(jìn)行運(yùn)算和控制，同時(shí)與智能語音交互系統(tǒng)進(jìn)行配合。智能語音交互系統(tǒng)則具備語音識(shí)別與輸入以及語音播報(bào)等功能。
３．１ 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置采用基于 Ａｔｍｅｇａ２５６０單片機(jī)的控制系統(tǒng)，使用 Ｃ語言進(jìn)行運(yùn)算程序的編寫?？刂葡到y(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目錄、開關(guān)量編輯觸發(fā)、開關(guān)量測(cè)量分析等功能，相應(yīng)的結(jié)果通過顯示器顯示，并能用按鍵完成相應(yīng)的輸入?？刂葡到y(tǒng)電路如圖１０所示。
３．２ 智能語音交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)
開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置語音交互系統(tǒng)在語音識(shí)別處理功能 的 基 礎(chǔ) 上，兼具語音播報(bào)功能，采 用 功 能 比 較 完善、接口較多的開源語音處理模塊設(shè)計(jì)。語音識(shí)別是一種基于模式識(shí)別的分類過程，通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，系統(tǒng)將說話人的語音內(nèi)容進(jìn)行處理并按照一定的算法進(jìn)行匹配分類，*后獲得識(shí)別結(jié)果［９］。
考語音識(shí)別過程需要在裝置內(nèi)部自動(dòng)完成，其詞語庫不能過于龐大，只能建立特定的繼電保護(hù)詞語庫，相關(guān)的繼電保護(hù)詞語庫共設(shè)計(jì)了一百八十余條詞條。在建立繼電保護(hù)詞語庫后，還需確定喚醒詞、功能控制詞等，并將其輸入并下裝到語音識(shí)別控制模塊中，如圖１１所示。
４ 功能測(cè)試
４．１ 開關(guān)量輸出功能測(cè)試
在開關(guān) 量 觸 發(fā) 模 塊 中，單片機(jī)控制輸出高電平 （５Ｖ），即可觸發(fā)光耦繼電器，進(jìn)而導(dǎo)通測(cè)控裝置信號(hào)電源與遙信信號(hào)端子，觸發(fā)遙信信號(hào)輸入。
為測(cè)得單片機(jī)控制輸出高電平的正確性，設(shè)置單片機(jī)３０路數(shù)字量輸出 端 子 依 次 輸 出１０ｓ高 電 平，測(cè) 量 輸 出 電壓數(shù)值及高電平持續(xù)時(shí)間是否正確。試驗(yàn)共進(jìn)行５次，平均結(jié)果見表１。由此可以看出，單片機(jī)輸出端子處的高電平電壓值偏差和高電平持續(xù)時(shí)間偏差均在１％以 內(nèi)，控 制精度足以滿足觸發(fā)遙信信號(hào)輸入的需求。
４．２ 開關(guān)量測(cè)量功能測(cè)試
開關(guān)量測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn)需要開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置的模擬量輸入端子測(cè)量到保護(hù)動(dòng)作回路出口接點(diǎn)處出現(xiàn)跳閘脈沖，并且記錄下跳閘脈沖的出現(xiàn)時(shí)刻即測(cè)得的保護(hù)動(dòng)作出口時(shí)刻。
為了防止誤測(cè)，同時(shí)考慮到實(shí)際跳閘脈沖電平一般大于２．５Ｖ，將開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置控制器所能測(cè)得的跳閘脈沖門檻值設(shè)置為２．５Ｖ，即將低于２．５Ｖ 的電平視為干擾電平。
４．２．１ 跳閘脈沖測(cè)量靈敏性測(cè)試
為了驗(yàn)證開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置測(cè)量跳閘脈沖的靈敏性，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ上搭建了仿真測(cè)量回路模型，如 圖１２所示。設(shè)置輸入的跳閘脈沖持續(xù)時(shí)間為１５０～５００ｍｓ，測(cè)試控制器測(cè)得的脈沖值及有效脈沖時(shí)長(zhǎng)，與 理 論 值 對(duì) 比，如圖１３所示。
從圖１３可知，即使跳閘脈沖只持續(xù)１５０ｍｓ，控 制 器測(cè)得的有效脈沖時(shí)長(zhǎng)仍然達(dá)到了１３４ｍｓ，滿足現(xiàn)場(chǎng)繼電保護(hù)校驗(yàn)工作中的實(shí)際要求。
４．２．２ 測(cè)得跳閘時(shí)刻準(zhǔn)確性測(cè)試
為驗(yàn)證開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置測(cè)得保護(hù)出口時(shí)刻的準(zhǔn)確性，在不同時(shí)刻依次在開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置的１０個(gè)模擬量輸入端子處加上３Ｖ 高電平，記錄開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置測(cè)得的保護(hù)動(dòng)作出口時(shí)刻 （高電平出現(xiàn)時(shí)刻），試驗(yàn)共進(jìn)行２次，結(jié)果見表２。
由表２可看出，記錄的保護(hù)動(dòng)作出口時(shí)刻與實(shí)際加上高電平的時(shí)刻偏差不超過０．０１４ｓ，滿足現(xiàn)場(chǎng)繼電保護(hù)校驗(yàn)工作中的實(shí)際要求。
４．３ 整體測(cè)試
為了驗(yàn)證繼電保護(hù)開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置對(duì)提高遙信信號(hào)核對(duì)工作以及跳閘矩陣校驗(yàn)工作效率的有效性，在繼電保護(hù)實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，試 驗(yàn) 均 為 單 人進(jìn)行。
選取１１０ｋＶ 線路測(cè)控裝置進(jìn)行遙信信號(hào)核對(duì)工作，遙信點(diǎn)為２２個(gè)，試驗(yàn)步驟為布置安措、單人設(shè)置觸發(fā)順序、接線、動(dòng)觸發(fā)對(duì)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)。多次測(cè)試試驗(yàn)平均用時(shí)為３１ｍｉｎ。
選?。玻玻埃耄?主變保護(hù)進(jìn)行跳閘矩陣校驗(yàn)，試 驗(yàn) 步 驟為安措布置、跳閘矩陣系統(tǒng)輸入、接線、跳閘矩陣智能校驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)。多次測(cè)試試驗(yàn)平均用時(shí)為４２ｍｉｎ。兩種試驗(yàn)的時(shí)間均短于傳統(tǒng)多人試驗(yàn)的時(shí)間，且具備單人試驗(yàn)的可行性。
５ 結(jié)語
開關(guān)量信號(hào)核對(duì)、測(cè)量是繼電保護(hù)檢修中一類重要但繁瑣的工作。本文提出的繼電保護(hù)開關(guān)量智能輔助調(diào)試裝置能夠提高遙信信號(hào)核對(duì)、保護(hù)跳閘邏輯驗(yàn)證工作的自動(dòng)化程度，提升現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作的效率和質(zhì)量，同時(shí)降低人工操作的安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于檢修模式智能化具有重要的意義。
