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继电保护若干问题研究

网络教育学院

本科生毕业论文（终稿）

题目：

继电保护若干问题研究

——微机型继电保护测试装置的现状与发展初探

学习中心：

奥鹏

层次：

专业：

电气工程及其自动化

内容摘要

随着电力工业的迅速发展，电力系统的网架结构和运行方式日益复杂，这些都对继电保护装置提出了更高的要求，传统的依靠移相器、调压器、升流器等仪器调节电压、电流幅值和相位的测试手段已不能完全满足要求。

微机型继电保护测试装置的开发与应用大大提高了继电保护装置的测试水平，提高了调试效率，对保证继电保护的正确动作，提高电网的安全水平有积极的现实意义。

本文对目前广泛使用的微机型继电保护测试装置的现状进行了简要的回顾，阐述了其发展历程、基本构成、基本功能；对该类型测试装置在现实使用中比较普遍存在的一些问题进行了探索；并分别从硬件方面和软件方面进一步探讨了该类型测试装置未来发展的可能趋势。

关键词：

微机型继电保护测试装置；现状；发展

目录

内容摘要I

引言1

1绪论2

1.1课题的背景及意义2

1.2.国内外发展现状2

1.2.1国内产品现状2

1.2.2国外产品现状2

1.3本文的主要内容3

2微机型继电保护测试装置的发展历程4

2.1第一代微机型继电保护测试装置4

2.2第二代微机型继电保护测试装置4

2.3第三代微机型继电保护测试装置5

2.4第四代微机型继电保护测试装置5

3微机型继电保护测试装置的基本构成6

3.1硬件基本构成6

3.1.1中央处理器单元6

3.1.2模拟外设单元6

3.1.3数字外设单元7

3.2软件基本构成7

3.2.1上位机软件7

3.2.2下位机软件8

4微机型继电保护测试装置的基本功能9

4.1实时多任务能力9

4.2可模拟输入量、输出量的多种参数9

4.3自动搜索阻抗特性9

4.4模拟各种故障状态9

4.5模拟断路器动作10

4.6模拟系统振荡10

4.7模拟负荷电流引起的各种影响10

4.8故障录波再现10

4.9GPS远程同步10

4.10内触发启动10

4.11叠加谐波功能11

5微机型继电保护测试装置使用时的几个问题12

5.1缺乏提供最大不失真输出电压12

5.2环境不利时持续工作方面的问题12

5.3电流源输出的精确性和线性度不理想13

5.4暂态分量不相符13

5.5自激现象的存在13

5.6带负载输出的一致性较差13

5.7自我保护功能有缺陷14

5.8测试规程滞后14

5.9测试结果报告管理方法不科学14

6微机型继电保护测试装置发展的几个方面15

6.1硬件方面15

6.1.1使用新的放大器芯片和开关电源技术，提高精度15

6.1.2使用更快的处理器和电子器件15

6.1.3利用网络化进行系统保护测试15

6.1.4采用DSP技术15

6.1.5提供可调幅值的交流和直流电压输出端口16

6.1.6提供电源电压自动跟踪技术16

6.2软件方面16

6.2.1试验功能可以自定义16

6.2.2实现数据共享16

6.2.3试验报告规范化使用17

6.2.4软件界面应该更加友好17

6.2.5建立特殊仿真数据的数据库17

6.2.6提供多种测试模式17

结论19

参考文献20

引言

近年来，随着我国电力工业的迅速发展，新型继电保护装置特别是微机型继电保护装置得到广泛推广使用，对测试技术提出了更高的要求，形成并发展了继电保护测试技术。

从早期的调压器、升流器、三相移相器及相关的仪器仪表组成的调试线路，到如今的一体化微机型测试仪，继电保护测试产品在不断地更新换代。

在上世纪九十年代初，国外先进的微机型继电保护测试仪逐渐进入中国市场。

之后国内不少研究单位相继开发生产出了不同类型的微机型继电保护测试装置。

微机型继电保护测试装置的开发与应用大大提高了继电保护装置的测试水平，提高了调试效率，对保证继电保护的正确动作，提高电网的安全水平有积极的现实意义。

本文对继电保护中微机型继电保护测试装置的现状、存在问题及其发展趋势进行研究。

简述了课题的现实背景和意义、以及该课题国内外发展现状。

介绍了微机型继电保护测试装置的发展历程；微机型继电保护测试装置的基本构成；微机型继电保护测试装置的基本功能等。

提出该课题在现实使用中存在的问题，并指出了研究课题的未来发展方向。

1绪论

1.1课题的背景及意义

随着电力工业的迅速发展，电力系统的网架结构和运行方式日益复杂，这些都对继电保护装置提出了更高的要求，各种新型的保护原理和保护装置不断涌现。

随着科学技术的不断发展，微机继电保护已广泛运用于线路保护、主变差动保护、励磁控制等各个领域。

由于微机型继电保护装置工艺结构优越、可靠性高，使用方便等特点，微机型继电保护目前得到广泛的推广和应用，它使得继电保护性能有了显著的提高，大大增强了电力系统运行的安全性和稳定性。

以前的继电保护测试装置主要是用调压器和移相器组合而成，体积笨重，精度不高。

而微机型继电保护的迅速发展由于其具有智能化、数字化的特点，传统的测试手段目前已难以担当起对微机型继电保护装置进行全面测试的重任，已不能满足现代微机继电保护的校验工作。

为了满足微机型继电保护装置研究和应用的需求，微机型继电保护测试装置已成为继电保护测试领域不可缺少的专用设备，微机型继电保护测试装置的开发与应用，简化了继电保护设备的现场调试工作，提高了测试效率，有效的提高了继电保护装置的测试水平，对保证继电保护的正确动作，提高电网的安全水平有重要的现实意义。

1.2.国内外发展现状

1.2.1国内产品现状

目前国内的微机型继电保护测试装置种类繁多。

从技术分为两类：

一种是采用开关电源技术，功放采用数字功放，体积小、质量轻、但功率不足；另一种是采用DCL功效，体积大、质量一般，功放工作在放大区，动态范围窄、精度不高。

各个公司的测试装置从功能上来说，都能满足大多数继电保护的试验要求，但由于开发能力和生产条件各不相同，因此各厂家的测试装置在整机性能、质量、结构、工艺等方面有较大的差距，有些测试装置的软件设计、带载能力、精度、工作稳定性及可靠性等方面存在问题。

1.2.2国外产品现状

国外的微机型继电保护测试装置的整机性能比较好，产品硬件可靠、精度高、使用年限长（有些具有零点漂移校正功能，可延长其使用寿命）、软件的功能丰富。

1.3本文的主要内容

本文总结了微机型继电保护测试装置的现状，主要包括阐述该类型测试装置的发展历程；分析测试装置的基本构成及其基本功能。

研究现实应用中测试装置存在的问题。

结合现状及存在问题展望测试装置的发展趋势。

全文共分为六章，各章内容简介如下：

第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；

第二章微机型继电保护测试装置的发展历程；

第三章微机型继电保护测试装置的基本构成；

第四章微机型继电保护测试装置的基本功能；

第五章微机型继电保护测试装置使用时的几个问题；

第六章微机型继电保护测试装置发展的几个方面；

本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。

2微机型继电保护测试装置的发展历程

微机型继电保护测试装置是用来对各种类型继电器（电压、电流、功率、差动、阻抗、频率、中间、时间等继电器）和各种类型的成套保护装置（集成电路型、微机型、数字式等保护装置）进行调试的试验装置。

是目前继电保护的通用测试装置，主要用于各电压等级的电磁型，集成电路型及微机型各类保护继电器及保护系统的测试和研究，可实现电压电流幅值，相位频率的灵活控制，并具备各种继电器和保护的专用测试模块。

是电力系统基层单位的保护装置投运前调试和定期检验的必备工具。

回顾该类型装置的发展历程，大致分为以下几个阶段。

2.1第一代微机型继电保护测试装置

第一代微机型继电保护测试装置是以单片机为智能控制器，单片机计算速度较慢，它只能产生每周波30-60点的正弦函数，因此第一代微机型继电保护测试装置对当时的微机型线路保护试验带来一些方便，但仍存在许多不足。

其主要特点是：

（1）测试装置对电气量进行实时计算的速率为每周波30-60次，因此，此类测试装置输出的幅值、频率、相位的精度不够。

（2）由于单片机计算能力的限制，其数学模型简化、故障数据产生方式简单。

（3）能叠加三次谐波，不能叠加直流衰减，不能连续变化频率。

（4）采用LCD显示，人机界面缺少互动。

2.2第二代微机型继电保护测试装置

第二代微机型继电保护器测试装置是以PC机作为智能控制器，PC机具有较强的计算功能，其适时计算达每周波100-200点，使用DOS操作界面，较第一代测试装置有了很大的进步。

其主要特点是：

（1）测试装置对电气量进行实时计算输出的速率为每周波100-200点。

相对于第一代测试装置，其输出精度高、输出信号频率带宽指标高。

（2）借助于PC机的操作系统，测试装置在软件方面具备手动、自动测试各种类型继电器的定制和特性，还可进行高压线路保护装置的整组试验，模拟各种能够类型的瞬时、永久及转换性故障的暂态过程和模拟开关跳闸及重合全过程的功能，另外还具有模拟系统振荡功能。

（3）功率放大器的输出端都设有变压器，可以真实地模拟突然短路时的非周期电流，放大各种暂态波形，可以考验保护设备在短路暂态过程中的工作性能。

（4）能叠加2-10次谐波；能叠加非周期分量；某些型号测试装置能连续变化频率，精度能达到0.5级。

2.3第三代微机型继电保护测试装置

第三代微机型继电保护测试装置，其以WINDOWS系统软件为平台，PC与微机型继电保护测试装置主机通过串口通信，比第二代有较好的软件界面并能方便的使用WINDOWS资源（如WORD、EXCEL编辑报告）等功能并能实现变频，完成较多复杂的试验。

其主要特点是：

（1）可扩展电压、电流插件完成较多复杂实验。

（2）测试装置和后台计算机之间通过串口或网络连接，故障数据产生方式简单、模型简化。

（3）对现场电源无特殊要求，采用单项电源可获得三项实验电流、电压的输出，但输出功率不易提高。

（4）采用人机对话方式，操作方便，不需外接表计，接线简单。

2.4第四代微机型继电保护测试装置

第四代微机型继电保护测试装置在第三代微机型继电保护测试装置的基础上，充分利用现代化网络技术对现场试验进行技术支持，对试验过程中能进行有效的实时监控，并能以数据库的形式管理各站点保护装置的信息，试验报告形式灵活，内容丰富，构成了一个完整的现场试验系统。

其主要特点是：

（1）具有16位及以上的数模转换精度，测试装置的暂态相应速度和幅频特性好。

（2）采用高性能三相电压、电流发生器，输出波形光滑真实。

（3）具有多通道电压、电流示波器以及多相电流、电压表计和多通道电压、电流、开关量录波器，无需再增加其他外围设备即可完成继电保护测试。

（4）能较准确地进行数据回放，能准确模拟故障的暂态过程。

第四代测试装置是目前最先进的测试机型。

在我国，目前多使用第三代或第四代继电保护测试装置进行复杂保护的调试工作，第二代测试装置正逐步被淘汰。

3微机型继电保护测试装置的基本构成

微机型继电保护测试装置是由人机对话设定输入电流、电压的参数，由程序控制信号源指导电子线路、D/A转换、功率放大，输出具有一定功率的三相电流、电压送给继电保护装置，同时接受继电保护装置的反馈信息，作出系列响应，予以记录，以达到自动测试的结果，并将结果以文字、图表打印进行报告。

3.1硬件基本构成

微机型继电保护测试装置接收PC机传输的数据，完成设定测试，并显示和上传有关的测试结果。

硬件电路分为模拟外设单元、数字外设单元和中央处理器单元三部分。

模拟外设单元为三种保护提供足够的电压电流输入。

数字外设单元包括模数转换模块、开关量输入模块、人机接口模块（键盘与显示）、时钟模块、通信模块、开关量输出模块，用来完成微机继电保护的实验功能。

中央处理单元包括CPU、外扩存储器、电平匹配模块和仿真器接口。

硬件电路设有多个测试点，可用万用表和示波器对实验过程中的各个量进行测量。

3.1.1中央处理器单元

中央处理器单元是专门用于数字信号处理的芯片，它计算能力强、运算速度快，完全能满足保护对迅速性、可靠性的要求。

3.1.2模拟外设单元

模拟外设单元可以提供电压电流输入。

信号调理选用了一定精度并带有电磁隔离的互感器，以保证模拟量高压侧与低压侧彼此隔离，能保护系统元件不受高压的损害，对输入信号进行准确、安全的测量。

各输入端的二次侧额定值首先经电压互感器或电流互感器转换到与A/D转换电路匹配的模拟信号。

该模拟信号通过运算放大器形成电压信号，再将交流量送数字外设单元进行A/D转换。

3.1.3数字外设单元

1模数转换模块

模拟量转换将模拟外设单元传送来的模拟量转换为数字量，由CPU对数据进行处理。

2开关量输入模块

本装置输入用以完成保护需要的开关量。

3人机接口（键盘与显示）模块

按键用来向装置输入数据、传送命令等功能，是人工干预装置运行的主要手段。

显示用来显示保护类型、通过按键进行参数设置、显示电压和电流等。

显示部分主要由行驱动、列驱动器及液晶显示器组成，可完成图形显示，也可以显示汉字。

它为按键选择工作方式和各种选项提供了一个可视化的界面。

4通信模块

目前的测试装置通常带有USB2.0规格的通信接口，USB2.0支持高达480Mbit/s的数据传输率，而且USB接口具有热插拔、无需外接电源等的优点，可直接与各类计算机通信。

5开关量输出模块

在开关量输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反窜到测控系统，一般采用通道隔离技术。

在输出通道的隔离中最常用的是光-电隔离技术。

报警开关量输出接继电器同时并接发光二极管，在继电器动作时，相应的二极管也发光显示。

3.2软件基本构成

微机型继电保护测试装置的软件是用来控制测试装置硬件输出的，因此它性能的优劣同样直接关系到测试装置的整体性能和技术指标。

目前的微机型继电保护测试装置的软件系统通常具有友好中文操作界面，易于掌握。

组态软件分为上位机软件和下位机软件。

上位机软件通过人机界面设置芯片参数、功能模块参数、选择、保护类型选择、通信方式选择等。

下位机软件是对应上位机参数设置，编程固化到保护实验装置CPU中的程序。

3.2.1上位机软件

上位机软件通过人机界面设置参数，并通信下传到下位机，选择进行微机继电保护实验。

通常采用可视化编程工具和SQLServer数据库进行开发，使用ODBC技术访问数据库。

3.2.2下位机软件

组态软件中的下位机软件主要包括通讯、FLASH擦除和编程、常用微机继电保护（傅立叶算法、最小二乘方算法、两点乘积算法、半周积分算法和解微分方程算法）、LCD显示、保护实验（电流保护、距离保护和差动保护）等模块。

4微机型继电保护测试装置的基本功能

微机型继电保护测试装置以微机为主体，由它产生电压、电流信号，然后经电压放大器和电流放大器对信号进行放大，得到继电保护测试中所需要的电压和电流激励量。

由于其采用微机可编程原理，因而具有以下功能。

4.1实时多任务能力

由于目前测试装置的软件部分基本都运行于Windows操作平台之上，所以测试装置具备同时控制保护和测试装置的实时多任务能力。

在测试过程中，通过人机对话方式进行操作，过程比较简便。

用户还可以充分使用Windows操作平台上的Word、Excel等文字处理、电子表格等软件对试验报告和测试数据进行编辑、制表，然后可以通过打印机打印出试验结果报告以及保护装置的动作特性曲线。

4.2可模拟输入量、输出量的多种参数

在试验的过程中，可以输入模拟的电压初值、变化步长、变化标志；电流初值、变化步长、变化标志等。

还可模拟输入电流变化率di/dt、电压变化率dv/dt、频率变化率（滑差）df/dt和工频变化量阻抗ΔZ等数值大小。

并且可以任意设置输出量的变化步长、变化时间及变化方式，可以对各种交直流继电器进行手动和程控测试。

测试装置输出的电压、电流的频率可调，可对频率继电器和低周减载装置进行定值校验和df/dt试验。

4.3自动搜索阻抗特性

由于不同性能的保护方式对于“暂态故障”和“静态故障”的反应不一样，微机型继电保护测试装置可以自动搜索方向阻抗继电器分别在正向和反向短路故障时的暂态阻抗动作特性以及正方向故障时的静态阻抗特性。

通过设置阻抗扫描范围自动搜索阻抗保护的阻抗动作边界，以便绘制Z=f（I）以及Z=f（V）特性曲线。

4.4模拟各种故障状态

能正确模拟电力系统各种类型的瞬时、永久以及转换性故障，并可以设置故障时的合闸角、故障时间以及在故障时叠加非周期分量。

一般将电力系统故障过程分为：

稳定状态、故障状态、故障转移状态、开关跳开状态以及开关合后状态。

既可以有各种故障状态下的隐含设置，又可以根据实际系统故障情况设置。

通过设置各类故障类型及其故障地点，借助EMTP的计算结果或现场微机故障录波器所记录事故状态下的波形数据，利用暂态回放功能软件，正确的反映电力系统发生故障时的暂态过程及后续的动作过程。

4.5模拟断路器动作

可仿真现场实际断路器的动作，当测试装置接收到保护跳闸信号后，断路器延迟一段时间动作，切除故障相电流。

当测试装置接收到合闸信号后，断路器延迟合闸。

延迟时间可设置。

4.6模拟系统振荡

系统振荡等效为简化的双电源系统。

通过设置系统电源和负荷参数、振荡周期和功角摇摆范围以测试保护装置的动作特性。

以考验保护在振荡时是否误动，在振荡加故障时是否拒动。

测试结果可用于分析继电保护在系统振荡情况下的动作特性。

双端的电源电势幅值、振荡周期等相关参数可在运行中实时在线修改。

4.7模拟负荷电流引起的各种影响

可模拟负荷电量，负荷电流从空载到满载可随意设置。

通过功率角的设置，可模拟因负荷电流而引起的附加阻抗对送电侧或受电侧保护装置的影响。

4.8故障录波再现

把通过故障录波装置或其它记录方式记录到的电压、电流数据记录和有关保护及安全自动装置动作顺序记录等现场故障数据，通过测试装置输出再现故障或异常运行时的电气量变化过程，反映当时的故障情况。

这种功能是确定故障原因，进行事故分析的有利工具。

4.9GPS远程同步

通过卫星定位系统（GPS）对测试装置的输出量进行远程同步，可以实现对高频功率方向和高频相差保护的整组试验。

4.10内触发启动

微机型继电保护测试装置具有以电位或空接点自动启表及停表功能，具有以交直流电压、电流和各种故障分量进行内触发启动的功能。

测时范围能从1ms至99999.0ms，分辨率要求0.1ms，精度误差不大于0.1ms。

4.11叠加谐波功能

可以较好地模拟短路过程中电压电流的实际波形。

微机型继电保护测试装置所提供的电流源和电压源各相输出量可以叠加不同幅值、相位和次数的谐波分量，所叠加谐波分量的幅值与相位可以在线独立调整。

标准一般为电流、电压源应能同时叠加不低于9次的谐波分量。

5微机型继电保护测试装置使用时的几个问题

5.1缺乏提供最大不失真输出电压

微机型继电保护测试装置的带负载能力是检验其性能的重要参数。

测试装置的带负载能力不但指电压源和电流源输出能达到的幅值，还包含电流源的功率输出曲线特性。

目前大多数微机型继电保护测试装置产品只提供了电压源和电流源输出的最大幅值和最大的输出功率，没有提供电流源的最大不失真输出电压。

这样使得测试人员不便于根据电流源的带负载能力来确定试验仪所能带负载的大小。

同时，许多测试装置在带负载能力不足时，并不给出警告，而是强行继续输出，从而导致输出波形削顶，出现毛刺，乃至严重变形。

在没有外接示波器或录波装置的情况下，测试人员可能完全不知情，而这种情况可能严重影响测试的精度，出现调试错误，以至出现严重后果。

为了使测试装置输出的电压不失真，目前的解决办法是要求功放级的直流电源电压必须足够大，但如果电流功放的直流电源电压按最高要求设计，那么在10安及以下的长期工作电流下，消耗在功放管上的压降将过大，功放管的散热和可靠性问题又变的突出。

因此，通常要求采用电源电压自动跟踪技术。

这样既保证了电压不失真，又使得管耗不至于过大。

同时，要求设备厂商提供电流源的功率输出曲线，即在给出电流源的不同输出幅值时，还应该给出电流源的最大不失真电压，以便试验人员能根据电流源的带负载能力来确定试验仪所能带负载的大小。

5.2环境不利时持续工作方面的问题

微机型继电保护测试装置通常要求的环境温度在-10到45摄氏度，湿度在15%到85%。

目前一些微机型继电保护测试装置在环境温度较高时，持续工作方面的问题比较突出。

特别是在高功率和大电流的情况下，这个问题特别突出。

出现这种问题的原因大多是装置结构设计不合理、元器件参数和质量的限制，也有软件设计不合理，没有对测试过程进行优化的原因。

测试装置的持续工作能力不仅与测试装置采用的元器件的品质功率储备和热容量有关，而且还取决于硬件的结构设计和软件的设计思想及其优化能力，如果元器件质量好，硬件结构设计合理，并且软件精心设计、优化性能好，则测试装置就能长时间持续工作。

以前国内厂家生产的微机型继电保护测试装置在环境温度较高时，这方面的问题比较突出。

出现这种问题的原因大多是装置结构设计不合理、元器件参数和质量的限制，也有软件设计不合理，没有对测试过程进行优化的原因。

不过近几年，一些国内厂家采用质量好的器件，对软件、硬件和机箱结构作了优化，现在这个问题已经得到了一定的解决。

5.3电流源输出的精确性和线性度不理想

目前不少在用的微机型继电保护测试装置的交流源或直流源输出的精确性和线性度不甚理想，许多测试装置在现场使用中交、直流源输出的稳定性较差，经常由于测试装置输出范围变化过大而怀疑保护装置的特性不稳定，这给保护调试增加了不必要的工作量。

要解决该问题，目前一般是采用稳定可靠性高的产品，尽可能减小电源扰动，甚至可以在电源端加上有源滤波。

同时要求操作人员严格按照程序正确操作，以保证测试结果的可靠性。

5.4暂态分量不相符

微机型继电保护测试仪模拟电压、电流、频率、阻抗的暂态量输出较为容易，但是测试装置提供的暂态分量与电力系统故障时产生的暂态分量有不相符的情况。

有些测试装置在产生方波时，存在上升沿速率过慢，同时还有过冲、超调、波形失真的现象，特别是有故障再现功能的测试装置在用录波器录下的故障数据做故障仿真时，由于数据里含有大量的暂态数据，使得测试装置输出的波形有较大的失真，这就直接影响到了以突变量为判据的保护的调试。

5.5自激现象的存在

有些测试装置的电流源在带一定的感性负载时会产生自激现象，并只有在改变负载参数或关断电源后自激现象才能停止。

另外有些测试装置在开关电源时会产生较大的冲击，引起被测试继电保护装置的误动作。

这种情况较多的出现在部分国产测试装置中，如果采用更好的元器件生产的装置一般可以有效的避免该情况的出现。

目前有些测试装置已提供自激电压，可以根据测试装置的具体说明进行操作避免自激现象的干扰。

5.6带负载输出的一致性较差

有些微机型继电保护测试装置的交流源带载输出的一致性较差，在外部回路带相同负载情况下，从某个功能块下输出一电流值时，从负载上观测到的波形是标准的正弦波；而换另一个功能块输出同样大小的电流值时，则从负载上观测到的波形会出现失真削顶现象。

对于此类情况，目前的解决方法是，通过带不同负载，多次输出不同电流值，结合多个结果进行判断，但这样做，会给测试工作增加了很多工作量。

5.7自我保护功能有缺陷

调试现场的误接线情况是有可能