一种继电保护测试仪暂态波形的校验方法与流程

本发明涉及继电保护测试仪，具体涉及一种继电保护测试仪暂态波形的校验方法。

背景技术：

1、继电保护是电力系统保护的重要组成部分之一。当电力系统内部的某一地方发生短路、故障或不正常运行状态时，电压电流等出现异常波动，在这种状态下继电保护就能够以最快的速度做出反应。将继电保护设备应用于电力系统后，此时保护装置会对电压、电流等进行全面、细致地检测，同时还可以把检测结果反馈到指定的地方，为相关工作者可以熟知电力系统实际运作状况提供应有的便利。一般情况下，当电力系统发生问题后，继电保护装置会在最短时间内动作，并对存在故障问题的部位做好检测以及分离工作，确保其他部分可以有条不紊地运行下去。并且，该设施也会在第一时间反馈给相关工作者，便于他们能够对电力系统的实际运作状况有一个全面的认识，为立即解决故障问题提供应有的方便。

2、继电保护技术的有效运用通常是继电保护器在充分发挥价值的过程，该保护器主要由以下几个部分一同构成:一是开关；二是电源二号电流互感器等。该互感器一般在感应到电压电流异常以后，就会在第一时间将主回路切断来切实确保设备不会受到影响。一般情况下，继电保护器通常涵盖过流、距离、差动等保护功能。因此，应定期对继电器及保护装置的工作和特性进行测试。对继电保护设备进行功能性测试，应将其置于电网各种实际运行场景之中，以模拟继电保护设备在系统不同工况下的反应。

3、随着计算机技术在电力系统中的应用,微机型的继电保护测试装置——继电保护测试仪投入使用。继电保护测试仪以微机为核心,利用计算机的计算功能,生成工频信号波形以及其他频率的信号波形,如谐波和直流信号波形；基于先进的电子技术，将数字波形通过数模转换芯片转换成模拟信号；经过功率放大器将幅值较小的模拟信号放大成能够模拟电力系统互感器二次侧输出的较大的电压和电流信号；利用计算机的记忆功能,记录被测试装置的动作情况；利用计算机的处理功能,分析一定输入信号情况下的继电保护动作性能,判断继电保护的准确性和可靠性。典型的继电保护测试仪由以下几部分组成:信号生成单元、数模转换单元、功率放大单元和开关量检测单元以及通信单元组成。

4、信号生成单元生成模拟电力系统正常运行和故障情况的电压电流。早期的故障测试仪,模拟生成的信号仅是工频正弦。随着技术的发展,目前生成的信号可以是工频正弦叠加谐波分量和直流分量。数模转换单元将信号发生单元生成的数字信号转换为小信号模拟量。功率放大单元将数模转换单元输出的小信号模拟量放大成0～100v,0～50a大电压、大电流信号,模拟电力系统互感器二次侧输出；开关量检测单元检测外部开关量的状态，记录被测试装置动作；通信单元是测试仪本体与外部计算机进行通信，交互测试内容和测试结果。另外,通过通信单元,继电保护测试仪还可完成将现场录波数据回放的功能。现有的故障测试仪一方面由于是面向基于工频电气量的继电保护的测试需求研制的，另一方面也由于功率放大单元性能的限制，输出电流电压的频率在1khz以内,所以,不能提供大电流、大电压、宽频带的故障信号。

5、目前的继电保护多数都是通过检测稳态工频电气量的故障特征而构成的，这些技术为保证电力系统安全运行发挥了重要作用。但是,由于作为故障信息的稳态工频电气量存在先天性缺陷,比如,难以区别故障和重负荷,受电流互感器饱和特性的影响,受过渡电阻的影响,受长线分布电容的影响,使得故障检测的可靠性、灵敏性大打折扣。严格地讲,电力系统中的输电线路、配电线路、母线、变压器和发电机的绕组都属于分布参数电路。分布参数电路发生故障后的暂态过渡过程实际上是电磁波的传播过程。故障行波是故障过渡过程中所特有的电气量，反映了故障的发生、发展和变化值。根据所研究的电力系统的特点，将整个网络分为核心区、周边区和外围区。核心区对研究对象的电磁暂态有很大的影响，需要精确建模，强调计算精度；周边区对研究对象电磁暂态影响不大，可以建立适当简化的模型，综合考虑计算精度和计算时间；外围区对研究对象的电磁暂态影响较小，可以建立简化的等值电路。

6、目前常用的测试手段有3种：电力系统动态模拟、实时数字仿真器rtds(real timedigital simulator)和传统的微机型继电保护测试仪。动态模拟系统能比较真实的反映电力系统的故障特征,基于动模系统的继电保护测试直观可靠。动模系统是基于相似原理，按照真实电力系统缩小的尺寸，设计出不改变真实电力系统物理特性的模型系统。动模系统可模拟真实电力系统中的以下设备:同步发电机,变压器,输电线路,负荷等等。模拟发电机采用在发电机定子三相绕组中性点侧增设了中间抽头或者在发电机定子三相绕组机端增设中间抽头的特制发电机；驱动模拟发电机的原动机采用直流电动机。采用集中参数的п型电路模拟输电线路。中间支路是空芯电抗器,模拟线路的阻抗,两侧并联支路是电容器,模拟线路导纳。根据线路长度的不同,采用不同个数的输电线路单元串联。采用常规升压变压器、降压变压器模拟大容量实际变压器；采用白炽灯泡模拟静态负荷，用异步电动机——直流发电机组模拟动态负荷。但是动模系统并非针对继电保护测试设计的专门系统,且结构复杂，使用不便，只能在专门的动模实验室进行,不能满足现场投产前检测的需要。另外,动模系统中的输电线路采用集中参数电路，因此动模系统模拟出的故障电气量中无行波分量，不能完全真实地反映电力系统故障。同时,继电保护的动作结果记录需要附加设备来完成,增加了测试的工作量。本研究所研发的继电保护测试仪具有体积小，重量轻，整机重量小于10公斤，适合便携式测试需求的优势,且与模拟系统实现动态波形和暂态波形输出，并且拥有八对开入量，可以读入继电器动作信号，形成动作报告，进一步构成闭环测试系统。

7、rtds可以对复杂的电力系统进行较为全面的实时仿真。rtds采用数字仿真和模拟信号功率放大相结合的方法来模拟电力系统故障过程，具备了测试基于暂态行波故障信息的继电保护装置的基本条件。但是，rtds中的功率放大系统不能产生频率高达数百千赫兹、幅值高达几十安的宽频带大电流暂态行波信号。此外，rtds造价高，整套装置体积大、不便携，且升级难度大，不便于广泛使用。因此其也不能满足基于暂态故障信息的继电保护装置的测试要求。本研究所研发的继电保护测试仪在价格成本上有很大的优势，且输出电流幅值可达35a,电压单相可达350v,同样可以对继保装置进行较为全面的在线实时仿真。

8、传统的微机型继电保护测试仪需要提前准备好故障录波数据，要想进行不同故障测试或者需要改变故障系统参数，还需重新准备故障数据，将会带来不便。本研究将模拟系统与继电保护测试仪相融合，通过与继保测试仪建立实时通信联系，使故障数据的准备和更改变得快捷，构成可以在现场应用的闭环测试系统。

9、综上所述，现有的电力系统动态模拟系统对上述分布参数电路发生故障后的暂态波形缺少校验方法，动模系统模拟出的故障电气量中无行波分量，不能完全真实地反映电力系统故障，因此亟需可以满足基于暂态故障信息的继电保护装置的测试方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是提供一种可以满足基于暂态故障信息的继电保护装置的测试方法。

2、针对现有技术的不足，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种继电保护测试仪暂态波形的校验方法，运行仿真软件的微机平台连接交换机，交换机通过保护测试仪连接保护装置，微机平台通过交换机、保护测试仪向保护装置输入仿真电流波形i1，微机平台也向校验报警系统输入仿真电流波形i1，保护装置接收保护测试仪输出的波形后向校验报警系统输出回采电流波形i2，仿真电流波形i1为暂态特性显著的电压电流信号，将仿真电流波形i1与保护装置回采电流波形i2进行比对校正，具体包括如下步骤，

3、步骤一：将测试仪中采集的实时仿真电流波形i1与保护装置回采电流波形i2进行时间轴对齐；

4、步骤二：对仿真电流波形i1与保护装置回采电流波形i2进行预处理；

5、步骤三：计算实时仿真电流波形i1与回采电流波形i2之间的波形畸变系数μ；

6、步骤四：计算仿真电流波形i1与回采电流波形i2在暂态瞬间波形衰减速率差υ；

7、步骤五：分别计算仿真电流波形i1与回采电流波形i2在暂态瞬间电流中高次谐波含量差wj；

8、步骤六：对畸变系数μ、衰减速率差υ和高次谐波含量差wj进行合理的权重分配进行综合评价得到评价矩阵r；当评价矩阵的结果r>r0则波形校准信号报警。

9、优选的，步骤一中所述的仿真电流波形i1与保护装置回采电流波形i2进行时间轴对齐采用波形校准程序，波形校准程序的具体方法如下：

10、

11、其中，i1为测试仪中采集的实时仿真波形，i2为保护装置回流采集的实际波形，tx为回采电流波形i2与仿真电流波形i1之间的时间差。

12、优选的，步骤二所述的对波形进行预处理的方式为：取每周波200个采样点；在校验过程中，选取暂态特性显著的前四分之一个周波：

13、

14、其中，x(k),y(k)分别为波形校验方法中的仿真波形和回采波形采样值，t为一个周波采样时间，t＝0.02s；n为一个周波采样点数，n＝200；k为前四分之一个周波的采样点数。

15、优选的，步骤三中所述的波形畸变系数μ的计算是将仿真电流波形i1与回采电流波形i2的差值进行归一化处理，作为衡量波形传输畸变程度的指标得到波形畸变系数μ：

16、

17、其中，x(k),y(k)分别为波形校验方法中的仿真波形和回采波形采样值，k为前四分之一个周波的采样点数，k＝50。

18、优选的，步骤四中所述的波形衰减速率差υ是将仿真电流波形i1与回采电流波形i2衰减速率的差值进行归一化处理，作为波形传输中衰减程度差异的指标：

19、

20、优选的，步骤五中所述的高次谐波含量差wj是将仿真电流波形i1与回采电流波形i2中高次谐波含量的差值进行归一化处理，作为波形传输中高次谐波损失程度的指标得到高次谐波含量差wj：

21、wj＝w1j-w2j

22、其中，wj为j次谐波的损失程度，w1j为仿真电流波形i1中j次谐波的损失程度，w2j为回采电流波形i2中j次谐波的损失程度。

23、优选的，评价矩阵r的计算方法如下，

24、

25、其中，aj为评价系数，a1＝0.5；a2＝0.2；

26、优选的，r0的范围为0.3～0.4。

27、本发明的有益效果如下：

28、1、本发明基于便携式微机平台，能够解决现有保护测试仪输出暂态分量不精确的弊端，能够准确模拟故障发生时波形的暂态特性，提高了保护测试仪对继电保护装置检测的可靠性。

29、2、本发明对测试仪中采集的实时仿真电流波形与保护装置回采电流波形进行比对校正，形成了闭环检测系统。

30、3、本发明在波形校准方法中采用综合评价矩阵，避免了单一评判标准对波形校正的误导。

31、4、本发明在价格成本上有很大的优势，具有体积小、重量轻适合便携式测试需求的优势；且与模拟系统实现动态波形和暂态波形输出，并且拥有八对开入量，可以读入继电器动作信号，形成动作报告，进一步构成闭环测试系统。本发明系统输出电流幅值可达35a,电压单相可达350v,可以对继保装置进行较为全面的在线实时仿真。