智能型继电保护试验电源屏的研制可行性研究报告

1、智能型继电保护试验电源屏的研制可行性研究报告一、研究内容研制开发新型的智能型继电保护试验屏，旨在给现场继电保护工作及其它试验工作提供稳定、方便的交、直流试验电源，提高 各种试验工作的质量、保障人身、设备安全；结合XX供电公司实际情况，编写智能型继电保护试验屏的运行维护相关规程规范， 在公司范围内推广智能型继电保护试验屏的应用，提高智能型继 电保护试验电源屏的可用率。二、立项依据（包括项目的研究意义、国内外研究现状分析和发 展趋势）电网中运行的继电保护试验电源屏普遍采用通过三相调压、 升流再经桥式整流和 LC电感电容滤波的模式，存在无稳压和稳流 功能、直流输出不稳定、不易调节等问题。继电保护试验

2、电源屏 在工作时其输出为大电流 ，容易造成调压器与其他设备的老化和 损坏。有些产品的整流和滤波技术不过关，造成直流输出中交流含量较高，纹波系数较大；有些产品的直流输出未采用直流专用型 空气开关；有些产品甚至未采用漏保开关。总之，现有的继电保护试验电源屏存在技术上落后以及元器件老化等问题，形同虚设不能满足现场继电保护检验工作的要求，甚至发生由于其交流以及直流输出没有区分而引起的交流串入直流，导致保护和开关误动作的事故，严重威胁到电网的安全运行。为此，需要开发新型继电保护试验电源屏。电力电子元器件的问世为继电保护试验电源屏开拓出一条光辉灿烂之路，使电源技术步入崭新的时代一一全数字化、智能化时代。对

3、UPS而言，它的输入部分取消了用于与市电隔离的工频变 压器或为降压用的自耦变压器，而采用SPWM技术实现。整流高频化（AC/DC ）。一方面减少直流侧滤波器尺寸，改善直流侧调节 性能，提高市电电压允许变化范围；另一方面在控制技术中采用 数字信号处理器 DSP控制，使输入电流正弦化，并与市电电压相 同，从而实现 UPS高输入功率因数（PF约为1），消除对市电的 谐波污染”大幅度减少无功损耗，明显降低了运行成本，达到 环保的目的。其次，取消了 UPS逆变器中的工频变压器，用高频变压器来 实现UPS与市电的隔离，而 UPS的输出级采用SPWM变换方式 （不用变压器直接逆变） 输出工频电压。逆变器中的

4、功率 MOSFET 或IGBT工作频率在20kHz以上，因此输出滤波器小而简单，而 且输出的正弦波非常光滑。对于 UPS内部的蓄电池组采取高频变 化降压方式（DC/DC ）充电，当市电停电，UPS转换为蓄电池， 给逆变器供电时亦采取咼频变换降压方式（ DC/DC ）实现。在逆变器控制电路中采用正弦波直接反馈技术，使其调节高 速化，远远优于传统模式模拟反馈技术，再加上小的输出滤波器 和20kHz以上的SPWM调制，使UPS动态相应特性非常好。在 逆变器保护电路中采用性能优良的过流保护技术，使逆变器不仅 具有较强的过载能力，允许100%负载不平衡（指三相逆变器），而且具有强有力的自身保护。也正是在

5、上述条件保证下，抛弃了 传统式逆变器输出变压器， 不仅噪音低而且效率高。 全数字化UPS 是新一代UPS,它具有咼质量、咼可靠、咼指标、多功能等特点。21世纪初，全球UPS技术将向着多功能的方向发展。使其全系列产品的功率范围从12kVA拓展到300kVA，全面满足客户的需求，提供包括特殊环境下的关键应用系统所需的中央电源保护 功能，内置式DCexpert电池监察系统，能够高准确地提供运行时 间和电池状况，避免因突如其来的故障导致数据丢失，其指示的 电池运行时间误差仅为 3%。内置式数字化Token-Ring网络采用数字信号处理专利算法， 有效地解决并行系统之间的相互沟通问题，并采用有效的设计将

6、 产品的元件数量减至最低程度，以减少故障机会，成为业界首家 提供99.99%可用性的并行冗余系统。新推出的Remote Notify选件 在大部分情况下能够自行诊断故障，并且随即解决问题。如果遇 到重大故障，可以就用户预测的190多种故障情况，自动向传呼机或个人电脑发出最多长达40个字的求助信息。Remote Notify可以向两个不同的电话号码发出呼叫，并且最多可以重拨 256次，以确保信息可以顺利传达，而网络管理人员则可通过拨号进入系 统内部检查UPS的全面运行情况。UPS的智能化包括系统运行状态自动识别和控制、系统故障 自诊断、蓄电池自动监测管理、智能化内部信息监测与显示等。UPS的异地

7、远程监控包括系统专用远程监控控制盘、 RS232/485通信口与监控 PC间的交互控制、将UPS系统作为网络 的一个节点的网络交互控制等。UPS的智能化主要通过系统的控制软件实现。 UPS的智能化的另一个方面是通过运行于PC机内的监控软件实现的。通过RS232C等接口将UPS与PC机串口连接，并在PC机上运行相关平台的 UPS监控软件，由PC机定时发 送查询指令，UPS则在规定的时间内返回运行参数信息。由PC机进一步对UPS的运行状态、故障的具体部位等进行判断，并在 必要时对UPS发出指令进行运行干预和提醒现场维护人员。目前，UPS厂商新推出的多种新产品，包括多种不间断电源供 应技术，电源管理

8、软件以及连接装置，都不会由于电源冲击、浪 涌、陡降、电力不足和电力中断等问题而使受保护的重要信息资 源遭受损失。在计算机网络以及通信事业迅猛发展的推动下，当今UPS已在大量引进微处理监控技术的基础上发展成为一种能在UPS网络和计算机网络之间建立起双向通信调控管理功能。UPS网络化有两方面的含义。一是 UPS及其监控系统与其所保护的负载 一一计 算机或局域网络间的交互作用。当电源出现异常时，UPS内部的微控制器会及时把异常信息发送给它所保护的计算机或局域网， 并发出告警信息，提醒操作员或网络管理员及时处理，并在UPS供电时间结束前自动中止计算机或局域网的运行，并将现场信息 自动存盘。通过MODE

9、M 向有关人员发出 EMAIL、BP-CALL等， 在这个意义上UPS是其保护网络的几个节点。另一方面的含义是 把UPS当做广义网络的一个独立节点并装上通信适配器，给UPS分配独立的IP地址。这样，网管员或被授权人可在网络的任何地 方通过网络像管理计算机一样对UPS的情况进行实时远程监控，利用这种控制功能用户可在计算机网络终端上实时监控UPS的运行参数。此外，用户还可以在计算机网络终端上对UPS的输出执行定时的自动开机、自动关机操作。在自动完成将程序和数据转 入磁盘操作之后，再自动 关闭操作系统”。这样有序的关机操作， 将确保用户的软件和数据的安全可靠。UPS生产厂家也可以直接通过网络了解分布

10、在世界各地的UPS的运行情况，便于向用户提供系统诊断和维修等守候服务，提高 了服务的快速性和准确性。为实现控制功能，在目前市售的先进UPS上可向用户提供 RS232、DB9、RS485等通信接口。对于要 求能执行计算机网络管理功能的 UPS来说，还应配置简单网络管 理协议SNMP卡，才能配套运行。总之，UPS使用MOSFET及IGBT功率元件，使其走向高频化、 小型化、高效率，也延长了蓄电池的寿命；采用冗余技术，进一 步增强了 UPS的容量和可靠性，而网络智能化UPS技术不仅提供完全可靠的网络电源管理，也为节能提供了一种最佳的解决方案，可以说UPS技术总的发展趋势是逐步向小型网络智能化和具有长

11、 时延方向发展。随着科技进步，UPS技术在不久的将来也将开辟一个更新的领域。20世纪推动电源性能和质量不断提高的主要技术有以下几个方面：1、新型高频功率半导体器件的推广如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶体管和中小电流 的晶闸管，使开关电源工作频率可达到 40OKHz(AC-DC开关变换 器)和IMHz(DC-DC)开关变换器，实现开关电源高频化有了可能。 超快恢复功率二极管和 MOSFET同步整流技术的开发，也为研制 高效低电压输出( 3V)的开关电源创造了条件。2、软开关技术的应用PWM开关电源按硬开关模式工作 (开/关过程中，电压下降/上升 /下降波形有交叠),因而开关损耗大。

12、开关电源高频化可以缩小体 积重量，但开关损耗却更大(功耗与频率成正比)。为此必须研究开 关电压/电流波形不交叠的技术， 即所谓零电压(ZVS)/零电流(ZCS) 开关技术，或称软开关技术(相对于PWM硬开关技术而言)。由于 在开关过程中，电流和电压没有交叠，因此可以认定在开关过程 中没有功率损耗，这对于提高变换器的效率及提高开关频率具有 重要的意义。3、有源功率因数校正技术的应用由于输入端有整流元件和滤波电容，单相AC- DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备，其电网侧(输入端)功率因数仅为0.65。用有源功率校正技术 (Active Power Factor Correction)，简称

13、 APPC，可提高到0.95-0.99，既治理了电网的谐波“污染”，又提 高了开关电源的整体效率。单相APFC是DC-DC开关变换器拓扑和功率因数控制技术的具体应用，而三相APFCA则是三相PWM整流开关拓扑和功率因数控制技术的结合。4、控制技术的发展电流型控制及多环控制(Multi-loop control)己得到较普遍应用； 电荷控制(Charge control)，单周期控制(One- Cycle Control)，无源 控制，滑模变结构控制，数字信号处理器(DSP)控制等技术的开发及相应专用集成控制芯片的研制，使开关电源动态性能有很大提 高，电路也大幅度简化。5、电源智能化技术和系统的

14、集成化技术的应用开关电源微处理器监控、电源系统内部通信、电源系统智能化 技术以及电力电子系统的集成化与封装技术等。数字电源就是数字化控制的电源产品，它能提供配置、监控和 管理功能，并延伸到对整个回路的控制。也就是说，数字电源包 括两部分PWM反馈回路的全数字控制，电源管理与通信。数字 电源与模拟电源的区别主要集中在控制与通信部分。在简单易用、参数变更要求不多的应用场合，模拟电源产品更具优势，因为其 应用的针对性可以通过硬件固化来实现，而在可控因素较多、实 时反应速度快、需要多个模拟系统电源管理的、复杂的高性能系 统应用中，数字电源则具优势。此外，在复杂的多系统业务中， 相对模拟电源，数字电源是

15、通过软件编程来实现多方面的应用， 其具备的可扩展性与重复使用性使用户可以方便更改工作参数， 优化电源系统。通过实时过电流保护与管理，它还可以减少外围 器件的数量。当前，智能型电网是国家电网公司主要发展战略目标，设备的 智能化进程势在必行。但目前的研制研发目光主要集中一次设备 的电流电压互感器和继电保护装置本身，对处于辅助装置地位的 继电保护试验电源投入的研发精力相对较少，使得这一块的研发 还存在较大的一片空白。而部分厂家自行研发的所谓智能型继电 保护试验电源屏只是简单的将仪表进行数字化，操作按键化等。 少数在继电保护试验电源屏研制方面做得较好的厂家也只是将试 验电源的可调节性和精确性方面比较先

16、进，仍旧停留在综自型或 数字型阶段，装置功能的单一性、固定型还是比较明显，在直接 服务继电保护试验工作，提供直接可用的继电保护试验仪器，创 造安全、舒适的工作环境，提高继电保护试验工作效率，服务电 网安全稳定运行方面的效果都不是很突出。实际上，数字电源迟迟得不到接受是因为顾客认为数字技术未 得到证明、技术复杂及成本高昂。这不足为奇，因为业界在70年代末遇到了相似的情况：当时电源从线性改为开关式，而最初开 关式也被认为价格昂贵、不可靠 （输出噪音大）。不过，一旦顾客认 识到开关式电源所具有的优点（性能更高、尺寸更小），并且学会了 如何实施新的开关式电源技术，线性电源很快就被淘汰了。几年 后，随着

17、对其具有的优点逐渐熟悉，市场上出现更多的提供商和 解决方案、看到无需额外成本就能带来的比模拟解决方案更好的 效果，数字技术也将会出现类似的转型。目前数字电源技术并非十分成熟，实现全数字化控制还存在许 多难点，需要有大的突破。具体包括以一下几个方面：1）、数字信号处理速度与高频开关的开关速度不相称。2）、变换器的开关动作对采样的严重干扰。3）、检测信号的量化误差导致输出响应极限环振荡，从而会大大降低控制精度。4）、高速运行下数字 PWM分辨率急剧下降。目前，国内外学者针对以上问题提出了许多的解决方案，通过 这些解决方案进一步推动了数字电源技术走向成熟。同时，基于数字控制方式，一些先进的控制方法逐

18、渐应用于数 字电源控制中，以提高电源的动态响应性能，如安森美公司提出 改进型V2控制，仙童公司提出 Valley电流控制，IR公司提出多 相控制，并且美国的多所大学也提出了多种其他的控制思想。特 别是模糊控制在数字电源中的应用，由于该控制方法能够弥补传 统PID控制在高性能开关电源中存在的缺陷，近年来一直成为国 内外学者的研究热点，并在各种数字电源拓扑中得以实现。三、研究方案3.1研究内容、研究目标和拟解决的关键问题研制开发新型的智能型继电保护试验屏，旨在给现场继电保护工作及其它试验工作提供稳定、方便的交、直流试验电源，提高 各种试验工作的质量、保障人身、设备安全；结合XX供电公司实际情况，编

19、写智能型继电保护试验屏的运行维护相关规程规范， 在公司范围内推广智能型继电保护试验屏的应用，提高智能型继 电保护试验电源屏的可用率。拟解决的关键问题如下：1）三相交流程控功率放大模块的研制，该模块要求输出的各相交 流电压、交流电流的电压幅值、频率，相位可单独调节，幅值输 出精度0.2级，相电流输出有效值 040A，三相并联输出有效值最 高可达0120A，频率范围（基波） 201000Hz，谐波次数 120 次。2）直流可调电源，抗负荷能力强，最大瞬时工作电流可达30A，采用PWM技术，体积小，重量轻，损耗小，短路自保护，输出 电压精度小于0.5%，输出电流精度小于 0.5%。3）液晶显示各路电

20、压，电流，采用高速32位DSP加8路同步采样16位AD转换器，加上数字信号处理技术，能滤除各次谐波，保证的高精度显示。3.2拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析1、对工频试验电源的要求为了保证检验质量，国际电工委员会IEC试验标准中，对不同类型继电器的试验电源作了不同规定。我国也对继电保护 装置的试验电源作了相应的技术规定。如继电器及继电保护 装置基本试验方法、静态继电保护及安全自动装置通用技 术条件、继电保护及电网安全自动装置检验条例等。这 些标准对继电保护装置试验电源的质量有如下要求：1）波形良好；2）三相电压平衡：三相电压和电流的负序分量、零序分量如果均不超过正序分量的1%,

21、则可认为该三相系统是实际平衡系统；3）相序正确；4）直流分量小；5）频率稳定；6）电压、电流稳定并有足够的调节范围；7）电压、电流输出精度要符合相关规程规范要求。2、对直流试验电源的要求试验用直流的额定电压应与被试保护装置所用的直流电压 相同。应采用独立试验电源，不允许用运行中设备的直流支路 电源作为直流试验电源。直流试验电源的电压调节范围应大于 额定电压的35 %115 %，峰值波纹系数应不大于6 %，对静态保护装置，试验直流电源的峰值波纹系数应不大于2%。这些标准对继电保护装置试验电源的质量有如下要求：1）电源电压平稳，纹波系数应满足相关要求。2）电源可调节范围应符合相关要求，电源调节应方

22、便可靠， 输出电压、电流精度应满足相关要求。3）输出电源稳定可靠，在装置失去交流电源的时候，依然 可以可靠输出精度符合要求的电压、电流。4）直流电源具备独立性，不得窜接站内其他装置直流电源， 不得存在寄生回路。5）交、直流系统即要具备互相转换的功能，在回路上又必 须严格加以区分和有效隔离，防止交直流混接现象及交直流 系统互相影响。继电保护试验时，对试验电源的允许偏差应根据国家测量 标准确定。智能型继电保护试验电源屏操作面板，包括有交流操作区和直流操作区，二者分别具有交流电源连接部和直流电源连接 部，交流电源连接部为一种插座结构，而直流电源连接部为一 种导线连接结构。本实用新型的特点在于，针对交

23、流和直流的 不同特点，对其电源连接部进行结构化区分，交流因其具有多 线连接和高压的特点，采用插座的结构，而直流则为单线双极 连接和低压的特点，采用导线连接的结构，从而防止交流、直 流误串接、误操作。继电保护试验电源大多取自电力系统本身，而电力系统供 给的交流电压、电流的波形往往是一种畸变失真的非正弦波， 除基波分量外，还含有高次谐波。引起失真的原因除电力系统 本身原因外，试验接线中的调节设备如果容量不足，也会引起 波形畸变。波形畸变可通过观察电源的波形和测量畸变系数来确定， 以便采取措施来改善。例如，当试验电源相电压波形差，三次 谐波分量较大时，可改用相间电压；当移相器过载或负载不对 称而引起

24、波形严重畸变时，可变更接线或者更换性能良好的移 相器；当发现含有某次谐波时，可增设滤波器。装设有复杂保护装置的变电所，应先直接由所用变压器的 低压侧，经专用线接至容量不小于10KV电压为380/110V的专用试验变压器上，专用试验变压器应采用D，yn接线。装设一般保护装置的现场，最好也设置专用试验变压器，以保证试验 电源三相平衡、波形良好的电源。直流部分，现场直流电源有蓄电池、带电容储能的硅整流 电源和复式整流电源三种。蓄电池供给的直流电源平滑、波纹 系数小，可由直流电源母线引出并经保安措施供试验用的独立 支路，提供额定值和 80 %额定值两种电压。带电容储能的硅整 流装置的电容容量有限，因而

25、所供的直流电压是时间的函数， 波纹系数较大。复式整流装置输出电压不够稳定，没有采取滤 波措施，波纹系数大，其速饱和变流器空载输出电压可能短时 很高，要采取稳压措施。3.3本项目创新点及特色1）采用大屏幕液晶显示屏显示电压，电流，谐波，相位等参数，显示直观，显示信息量大，以微控制器为核心加上高精度数据采 集电路，通讯接口，功能扩展，联机方便；2）采用集成的三相可调电源，实验电源与系统电源相隔离，输出 自由可设定，有很高的稳定性；3）集成交流电源采用高速，高性能微控制器，软件上应用双精度 算法产生各相任意的高精度波形；4）集成交流电源采用高速高分辨率D/A转换器，保证了全范围内电流，电压的精度和线

26、性，波形失真小，具有很好的暂态特性，相频特性，幅频特性易于实现精确移相、谐波叠加，咼频率亦可 保证高的精度。5）集成交流电源的各相电流，电压不采用升流、升压器，而是采 用直接输出方式，使电流、电压源可直接输出从直流到含各种频 率成份的波形，如方波，各次谐波叠加的组合波形，故障暂态波 形等，可以较好的模拟各种短路故障时的电压，电流特征。6）集成的交流电源使用进口大功率高保真功放电路，具有完备的 过热，过流，过压及短路保护。7）集成的直流电源采用独特设计，即可作为恒压源使用，也作为 恒流源使用。8）集成的直流电源输出精密连续可调输出，全程稳压值，恒流值 任意调节。3.4年度研究计划2012年1月2

27、012年1月调研、收集数据阶段2012年2月2012年2月相关理论、技术标准及规定的学习2012年3月2012年3月确定电路的框架结构2012年4月2012年7月电路设计与制作2012年8月2012 年 10电路测试与试验电源屏的试运行月2012 年 11月2012 年 12月制疋运行维护手册和使用标准； 撰写研究报告；总结和验收。3.5预期研究成果1、研制XX供电公司第一台智能型继电保护试验电源屏。2、制定XX供电公司智能型继电保护试验电源屏运行维护手册。3、 制定XX供电公司智能型继电保护试验电源屏使用标准。4、 在省级以上刊物发表论文1-2篇科技论文。四、研究基础1、设备条件现有新投运220kV孙田变电站试验电源屏一块，目前该屏未 投入使用，在智能型继电保护试验电源屏研制方法基本确认后， 可直接对该屏进行技术改造和创新。且XX公司所辖站所试