基于數(shù)字化PID的剩余電流動作保護(hù)器自動測試裝置

王偉能，陳福勝，盧萍

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)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(shù)字化PID的剩余電流動作保護(hù)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(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)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(shù)字化PID的剩余電流動作保護(hù)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(zhǔn)確的測試剩余電流動作保護(hù)器性能。試驗結(jié)果表明，相比于已有產(chǎn)品，本裝置提升了輸出電壓、電流準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，自動完成相關(guān)測試工作。

剩余電流動作保護(hù)器；數(shù)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(fù)雜，線路維護(hù)檢修工作難度大。特別是在農(nóng)村配電網(wǎng)絡(luò)中，電力故障時有發(fā)生，安裝剩余電流動作保護(hù)器 (以下簡稱保護(hù)器)是防止低壓電網(wǎng)中人身觸電、電氣火災(zāi)及電氣設(shè)備損壞的一種有效的防護(hù)措施〔1－4〕。目前某些保護(hù)器在現(xiàn)場運行時由于受過電流和溫升的影響經(jīng)常出現(xiàn)誤動作和拒動作等故障，而多數(shù)的剩余電流動作保護(hù)器測試裝置 (以下簡稱測試裝置)僅對保護(hù)器的單個性能進(jìn)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(hù)器的過電流下的動作特性和負(fù)載電流溫升特性缺乏科學(xué)、有效的檢測手段。為了保證保護(hù)器在現(xiàn)場的穩(wěn)定、可靠運行，必須對其性能進(jìn)行全面、有效的測試。

在進(jìn)行過電流動作特性的測試時，為保證試驗的準(zhǔn)確性，測試正弦電流必須穩(wěn)定、精確。根據(jù)文獻(xiàn)〔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(tǒng)采用的是短路法，但其試驗電流的精度和穩(wěn)定度難以滿足要求。

對于保護(hù)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(shù)易出錯，對于不同保護(hù)器的測試一致性較差，且難以記錄整個升溫過程。

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

針對目前保護(hù)器測試裝置的不足，依據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，文中提出了一種基于數(shù)字化 PID (Proportion Integration Differentiation) 的新型保護(hù)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(zhǔn)確地測試剩余電流動作保護(hù)器性能。

1 數(shù)字化PID在本測試裝置中的應(yīng)用

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

圖1 PID閉環(huán)控制原理框圖

圖1中，r(t)是給定值，y(t)是系統(tǒng)的實際輸出值，給定值與實際輸出值構(gòu)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(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中 Kp為比例系數(shù)；TI為積分系數(shù)；TD為微分系數(shù)；u0為控制常量。

對式 (2)中的積分項和微分項進(jìn)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(yīng)著連續(xù)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(shù)字化PID表達(dá)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(jī)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(shù)，kI＝KpT/TI；KD為微分系數(shù)，KD＝KpTD/T；u0為進(jìn)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(jié)果。由式 (4)可得數(shù)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(shù)字化PID控制算法公式為:

由式 (6)可以發(fā)現(xiàn)，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(shù)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(yīng)用的數(shù)字化PID控制算法。軟件的具體實現(xiàn)流程如圖 2所示。

圖2 數(shù)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(dāng)前測量值為0.5 A，按Kp＝150，Ki＝2，Kd＝1.2計算:

經(jīng)過3次計算后，電流到達(dá)預(yù)定值1.2 A，整個控制在6個采集周期內(nèi)完成。按工頻信號20 ms的3倍時間采樣，加計算機(jī)的其它運行時間，電流穩(wěn)定時間小于0.5 s。由于計算是實時的，當(dāng)負(fù)載本身變化時，仍能保持良好的電流特性。

給出預(yù)設(shè)電流為2 000 A時，采用變比為1 000 A/0.5 A的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器采樣，在二次回路通過1 Ω標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)一步在不同預(yù)設(shè)電流條件下，測試輸出電流，發(fā)現(xiàn)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(hù)器動作性能測試的要求。

2 基于PID技術(shù)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(jī)及應(yīng)用軟件等部分組成。其中，交流變頻電源采用數(shù)字化PID技術(shù)，輸出高精度電壓和電流。測量控制儀采用高速工業(yè)級CPU作為核心處理器，向交流變頻電源發(fā)送控制指令，實現(xiàn)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(shù) (如試驗電壓、動作電流、動作時間等)，并將測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)。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(gòu)成多路溫度測試系統(tǒng)，并將溫度數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)絇C機(jī)。交流變頻電源、變流器、電流互感器構(gòu)成測試裝置的輸出模塊，輸出試驗所需的電壓、電流。PC機(jī)安裝了基于LabView的測試軟件，控制試驗流程的進(jìn)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(jī)測試

3.1 測試環(huán)境

整機(jī)功能測試環(huán)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(tǒng)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(tǒng)裝置的輸出性能進(jìn)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(tǒng)裝置要??；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(wěn)定的輸出，對于外界環(huán)境具有更好的抗干擾能力。

表1 測試環(huán)境

圖4 環(huán)境溫度20℃時，不同相對濕度下，與傳統(tǒng)測試裝置的輸出比較

圖5 相對濕度40%時，不同環(huán)境溫度下，與傳統(tǒng)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(tǒng)裝置動作測試性能，分別用本裝置和傳統(tǒng)裝置 (ABB－800塑殼斷路器延時特性檢驗臺)進(jìn)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(hù)器4只，標(biāo)記為1－1/1－2/1－3/1－4。

對比表2中數(shù)據(jù)可知，使用傳統(tǒng)裝置時由于電網(wǎng)的允許波動、人工目測觀察，及人工按鈕操作，造成響應(yīng)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(guī)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(hù)器進(jìn)行溫升性能試驗時，利用PC機(jī)軟件設(shè)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(hù)器各部件的溫升，并自動結(jié)束試驗。

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

表2 動作特性測試結(jié)果

4 結(jié)語

文中基于數(shù)字化PID的剩余電流動作保護(hù)器自動測試裝置，已在國網(wǎng)湖南電力公司電力科學(xué)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(hù)器測試裝置不能自動開展動作特性測試、負(fù)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(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，實現(xiàn)了測試流程的自動化，減少了檢測工作的工作量，為保護(hù)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(hù)器的正確測試 〔J〕.農(nóng)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(hù)器現(xiàn)場測試程序〔J〕.農(nóng)村電工，2008(12):29-30.

〔7〕奚永源，羅銳利.A型剩余電流動作保護(hù)器的動作特性測試技術(shù) 〔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(wǎng)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(fā)。