郭佳豪，楊雄，方鑫，李冠飛

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103；2.南京工程學院機械工程學院，江蘇 南京 211167）

傳統(tǒng)配電開關的開發(fā)設計分離，試驗驗證分離[1-2]，不同廠家間一二次設備接口不匹配，兼容性、擴展性、互換性差。近年來，隨著國家電網(wǎng)實施配電一二次同步規(guī)劃、同步設計、同步建設，配網(wǎng)設備采取一二次整體設計、相互融合、整體招標的方式應用于現(xiàn)場[3]，促進配電一二次融合技術快速發(fā)展。配網(wǎng)一二次融合技術通過提高配電一二次設備的標準化、集成化水平，提升配電設備運行水平、運維質(zhì)量與效率[4-6]。

隨著配電網(wǎng)一二次的深度融合，以往針對配電網(wǎng)一次或二次設備元器件的獨立檢測手段有些捉襟見肘，因此需要更有效的設備測試方法來保證融合設備的每一項功能都能正常運行[7-10]。分析國家電網(wǎng)發(fā)布的《國家電網(wǎng)公司一二次融合成套柱上開關及環(huán)網(wǎng)箱入網(wǎng)專業(yè)檢測大綱》的要求，一二次融合智能開關需要檢測一次開關互感器精度[11-13]、二次控制終端功能、性能以及一二次成套傳動功能，也就是要求既有分體的測試，也有總體的測試。

為了提高一二次融合設備的檢測效率，本文構建了成套化檢測系統(tǒng)，設計了一種綜合切換裝置。該系統(tǒng)配合綜合切換裝置可實現(xiàn)一次接線，完成一次開關互感器精度、二次控制終端功能以及一二次成套傳動功能的檢測工作。

1 一二次融合智能開關成套測試方案

1.1 成套化檢測系統(tǒng)架構

構建一二次融合及深度融合配電設備檢測系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)包括二次終端檢測系統(tǒng)、一次互感器檢測系統(tǒng)、升壓升流系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4 個子系統(tǒng)。4 個子系統(tǒng)相互獨立，各子系統(tǒng)之間采用通信方式連接，由控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。

圖1中二次終端檢測系統(tǒng)包括終端測試儀和二次信號切換裝置。二次信號切換裝置具備三路信號接入通道，分別是終端測試儀通道、第二終端通道和第二開關通道。二次信號切換裝置具備信號通道切換功能，能在二次信號切換裝置的三路信號接入通道間建立任意的信號通路。終端測試儀的輸入輸出信號都接入所述二次信號切換裝置的終端測試儀通道。

一次互感器檢測系統(tǒng)包括互感器測試儀、電能表校驗儀、標準負載箱和一次信號切換裝置。電能表校驗儀具備校核待測配電終端線損計算功能。標準負載箱包括電壓負載箱和電流負載箱，用于模擬二次信號回路上的終端負載。一次信號切換裝置具備三路信號接入通道，分別是互感器測試儀通道、第一開關通道和第一終端通道。一次信號切換裝置具備信號通道切換功能，能在一次信號切換裝置的三路通道間建立任意的信號通路?；ジ衅鳒y試儀的信號接入所述一次信號切換裝置的互感器測試儀通道，其中二次信號切換裝置的第二開關通道和一次信號切換裝置的第一終端通道相互連接。

升壓升流系統(tǒng)包括程控功率源、升壓互感器、升流互感器和標準電壓互感器（potential transformer，PT）及標準電流互感器（current transformer，CT）。程控功率源為大功率電源，輸出電壓電流信號通過升壓、升流互感器提升至配網(wǎng)工作的電壓電流范圍。標準PT及標準CT的信號輸出到所述一次互感器測試系統(tǒng)中的互感器測試儀。

控制系統(tǒng)包括以太網(wǎng)交換機、串口服務器和計算機設備。其中，計算機設備通過以太網(wǎng)交換機和串口服務器與系統(tǒng)中的設備進行通信。

一二次融合智能開關接入成套測試系統(tǒng)時，配電終端與開關本體之間的航插線，要分別接入綜合切換裝置，為不同的檢測模式切換打下基礎。

1.2 軟件控制系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件架構如圖2所示，其中，展現(xiàn)層負責人機交互界面、測試腳本可視化；服務層負責測試函數(shù)封裝、測試腳本解析、數(shù)據(jù)庫維護；協(xié)議層負責協(xié)議解析、硬件通信。

圖2 層次化軟件架構Fig.2 Hierarchical software architecture

軟件平臺開發(fā)和運行環(huán)境采用成熟穩(wěn)定、界面友好的Win10專業(yè)版64位操作系統(tǒng)，開發(fā)工具采用可視化編程功能強大的VS2017，圖形開發(fā)框架采用主流開發(fā)框架QT，數(shù)據(jù)庫采用輕量級關系型數(shù)據(jù)庫MySQL，可以兼顧數(shù)據(jù)安全穩(wěn)定性和資源消耗，測試腳本采用Lua 腳本，上手快、可讀性強、執(zhí)行效率高。

該軟件平臺具有測試管理、終端測試、開關測試及聯(lián)合測試功能，覆蓋了一二次融合測試所有的技術要求。針對終端測試可完成測量性能、錄波功能性能、遙信功能性能、遙控功能、基本功能、故障處理等測試項目。針對開關測試可完成測量性能、相位誤差等傳感器精度測試。聯(lián)合測試可完成測量性能、短路故障、接地故障、自動重合閘、傳動性能、帶載能力等測試項目。并且以腳本驅(qū)動方式，可支持定制化測試要求，滿足不同類型用戶對不同類型測試的多樣化需求。

2 綜合切換裝置原理

綜合切換裝置切換原理如圖3所示，圖中*號表示多個，比如開關量輸入*4 表示有4 個開關量輸入。通過對S1，S2，S3的切換控制，實現(xiàn)一次開關互感器精度測試、二次控制終端檢測、一二次成套檢測三種模式的自動切換。在分體、總體單個自動測試的基礎上，進一步實現(xiàn)一二次融合智能開關總體與局部的閉環(huán)全自動檢測。

圖3 綜合切換裝置切換示意圖Fig.3 Schematic diagram of integrated switching device

2.1 綜合切換裝置的接入功能設計

綜合切換裝置實現(xiàn)了總體與局部測試的自動切換。為實現(xiàn)智能開關多模態(tài)融合接入，增加了綜合切換裝置的接入功能，使得綜合切換裝置集成接入和切換的功能。

硬件上，綜合切換裝置外部面板接口如圖4所示。在開關側(cè)和終端側(cè)，分別具備電磁式互感器、電子式互感器接入接口。

圖4 綜合切換裝置的接口面板示意圖Fig.4 Schematic diagram of interface panel of integrated switching device

綜合切換裝置為了實現(xiàn)智能開關多模態(tài)的融合接入，將電磁式信號與電子式信號設計采用相互隔離的獨立端口。測試準備過程中，根據(jù)待測設備信號的類型（電磁式或電子式）接入對應的物理測試接口；測試過程中，綜合切換裝置的通道切換功能將會自動與樣品信息中的電壓電流信號屬性綁定，保證在測試任意案例時，可自動切換到對應的通道進行測試，解決信號采集適配的問題。并且通過多通道同步采樣的方法，在一次側(cè)、二次側(cè)進行大信號與小信號同步采集，實現(xiàn)對大小信號混合的一二次融合開關檢測，其創(chuàng)新體現(xiàn)在其廣泛的適應性。

2.2 多模態(tài)信號同步采樣原理

一二次融合開關測試過程中，綜合切換裝置根據(jù)電壓電流的信號類型進行通道切換后，信號流向多功能標準表與二次程控功率信號源，因而這兩個設備也需支持電磁式信號、電子式信號以及混合信號的接入。傳統(tǒng)的測試方法中，需要分別采用對應信號類型的測試設備進行測試，但由于電壓與電流信號的同步性問題，傳統(tǒng)方法對混合信號的測試支持較弱。本文所提測試系統(tǒng)中二次程控功率信號源采用多通道設計，按照最大配置需滿足4 路電磁式電壓、4 路電磁式電流、4路小信號電壓、4 路小信號電流的輸出，并采用觸發(fā)式同步總線技術，保證16個輸出通道間的同步性；對于多功能標準表來說，為測量互感器的角差與比差已采用了16 通道表（前8 路用于一次電壓電流的回采，后8 路用于二次電壓電流的采集），測試系統(tǒng)配置兩臺標準表，分別對二次電磁式信號和電子式小信號進行測試。圖5為多模態(tài)信號同步采樣原理圖，兩臺標準表間連接有高精度同步信號線，可以滿足混合信號的測試，實現(xiàn)了測試系統(tǒng)對融合過程中的多模態(tài)開關完成自動測試。

圖5 多模態(tài)信號同步采樣原理圖Fig.5 Schematic diagram of synchronous sampling of multimode signals

圖5 中，B22 是16 路全為電磁式信號采集的多功能表；B32 是前8 路為電磁式信號、后8 路為電子式信號采集的多功能表。

2.3 配電開關的接入方式

普通饋線終端設備（feeder terminal unit，F(xiàn)TU）、傳統(tǒng)互感器開關接入方式如圖6所示。圖中的接口面板上，A，B，C，D，E，F(xiàn)，G 是綜合切換裝置的端子線接口，根據(jù)一二次融合智能設備的互感器配置情況，有不同的接法。

圖6 普通FTU、傳統(tǒng)互感器開關接入方式Fig.6 Common FTU，traditional transformer switch access mode

普通FTU、傳統(tǒng)互感器開關接入方式為：開關側(cè)電流（ABC相及零序）、3個開入、4個開出接入接口A；電源側(cè)2個電壓與2個電源接入接口B；FTU側(cè)電流（ABC相及零序）、3 個開入、4 個開出接入接口C；FTU側(cè)電壓及2個電源接入接口D。

與此類似，一二次成套智能設備接入方式為：開關側(cè)電流（ABC相及零序）、零序電壓、3 個開入、4 個開出接入接口A；電源側(cè)2 個電壓與2個電源接入接口B；FTU 側(cè)（ABC相及零序）、零序電壓、3 個開入、4 個開出接入接口C；FTU 側(cè)2 個電壓與2個電源接入接口D。

一二次融合智能設備接入方式為：開關側(cè)電流（ABC相及零序）、電壓（ABC相及零序）、3 個開入、3個開出接入接口E；FTU 側(cè)電流（ABC相及零序）、電壓（ABC相及零序）、3 個開入、3 個開出接入接口G，2個電源接入接口F。

由此可知，設計的綜合切換裝置可以兼容電磁式、電子式信號接入，適應智能開關多模態(tài)融合接入，測試系統(tǒng)接入具有很高的適應性。

3 綜合切換裝置對測量精度的影響

3.1 綜合切換裝置對電壓精度的影響

現(xiàn)場應用中，10 kV 的PT 二次側(cè)直接通過線纜連接到配電終端的PT 采集端口。在對二次側(cè)組合體進行實驗室精度測試的過程中，為了檢測的便利性引入了切換裝置，該切換裝置采用繼電器進行切換，如圖7所示。

圖7 電壓切換裝置接線示意圖Fig.7 Wiring diagram of voltage switching device

串接在回路中的切換裝置對檢測電壓精度的影響進行分析如下：串接在回路中的切換裝置對電壓精度的影響主要由繼電器的觸點電阻引起，查詢電壓切換繼電器的數(shù)據(jù)手冊可知其最大接觸電阻為0.1 Ω。查詢配電終端電壓采集互感器的勵磁電流數(shù)據(jù)，得知其電壓采集互感器勵磁電流小于0.5 mA。則可通過下式得出電壓最大的變化量為0.05 mV。

式中：ΔUmax為電壓最大變化量；Imax為配電終端電壓采集互感器勵磁電流；Rmax為繼電器最大接觸電阻。

在配電終端電壓額定值下，測試系統(tǒng)造成的電壓采集影響量Ue的計算方式如下：

式中：Ur為配電終端電壓采集額定電壓值，典型值一般為100 V。

配電終端的采集精度要求為0.5%，由式（2）根據(jù)手冊計算出在測試時對電壓的最大影響量為0.000 05%，該影響量相對于配電終端精度要求可忽略，因此測試系統(tǒng)切換裝置對電壓精度的測量沒有影響。

3.2 綜合切換裝置對電流精度的影響

現(xiàn)場應用中，CT二次側(cè)直接通過線纜連接到配電終端的CT 采集端口，在對二次側(cè)組合體進行實驗室精度測試的過程中，同樣引入了切換裝置，如圖8所示。

圖8 電流切換裝置接線示意圖Fig.8 Wiring diagram of current switching device

串接在回路中的切換裝置對電流精度的影響主要由繼電器的觸點電阻引起，根據(jù)電流切換繼電器的數(shù)據(jù)手冊，在10 A 電流時最大接觸壓降為250 mV。若折合成5 A 電流，則最大壓降為125 mV，可由下式計算出繼電器觸點消耗的功率：

式中：Pc為在額定電流下消耗的最大功率；Ir為額定電流；Umax為額定電流時的最大壓降。

查詢配電終端電流采集互感器的功率消耗數(shù)據(jù)，得知其最大消耗功率為0.1 V·A。若繼電器觸點按照最大值計算消耗功率，在5 A 時由式（3）得出其最大消耗功率為0.625 V·A，而傳統(tǒng)配套600 A/5 A 的CT 額定容量為5 V·A，繼電器觸點與終端采集互感器消耗的功率占比額定容量較小，待測CT 的負載遠小于其額定容量，因而測試系統(tǒng)切換裝置對電流精度的測量沒有影響。

4 融合設備成套化測試流程及測試效果

試品開關與一次互感器檢測系統(tǒng)中的一次信號切換裝置的開關通道相連。待測配電終端與二次終端檢測系統(tǒng)中的二次信號切換裝置的終端通道相連，待測配電終端的以太網(wǎng)通信接口連接到以太網(wǎng)交換機。開關、待測配電終端和信號切換裝置都采用航空插頭方式引出信號，如二者航插端子定義完全一致，則可以通過航插電纜直接相連；如二者航插端子定義不一致，則可以采用航插連接到接線排，再連接到航插的方式轉(zhuǎn)接。開關、待測配電終端和信號切換裝置的連接信號包括電壓、電流、開入、開出。測試過程中，全程無需測試人員操作和干預，完成樣品檢測后自動出具檢測報告。

4.1 配電終端檢測

圖9所示展示了柱上開關二次側(cè)測試框圖。控制軟件設定測試系統(tǒng)為終端測試模式，即控制二次信號切換裝置建立終端測試儀通道到終端通道的通路。如配電終端為電磁式信號輸入，則控制軟件選擇終端測試儀（電磁式）作為信號源，若配電終端為電子式信號輸入，則控制軟件選擇終端測試儀（電子式）作為信號源?？刂栖浖鶕?jù)測試大綱要求控制信號源輸出電壓、電流、開出信號，接收終端的開入信號。其中，控制軟件采樣IEC104通信協(xié)議與配電終端通信，獲取配電終端的遙測、遙信、遙控、遙脈信息，并將這些信息與預期結果進行對比，計算誤差，實現(xiàn)對配電終端的檢測。

圖9 柱上開關二次側(cè)測試框圖Fig.9 Block diagram of secondary side test of column switch

4.2 一次互感器檢測

柱上開關一次側(cè)測試框圖如圖10所示。控制軟件設定測試系統(tǒng)為互感器測試模式，即控制一次信號切換裝置建立互感器測試儀通道到開關通道的通路。控制軟件控制電源控制裝置輸出控制指令到電壓電流功率源，然后輸出要求的大功率電壓電流信號，再通過自升壓標準PT和自升流標準CT 提升電壓和電流，產(chǎn)生控制軟件要求的0～10 kV 和0～600 A 信號施加到試品開關上。標準互感器和試品互感器同時輸出信號到互感器測試儀，通過采樣計算，互感器測試儀實現(xiàn)對試品互感器的精度誤差和相位誤差的檢測。

圖10 柱上開關一次側(cè)測試框圖Fig.10 Block diagram of primary side test of column switch

4.3 一二次設備成套化檢測

成套檢測的流程如圖11所示?？刂栖浖O定測試系統(tǒng)為一二次成套測試模式，即控制二次信號切換裝置建立終端通道到開關通道的通路，控制一次信號切換裝置建立開關通道到終端通道的通路，這樣試品開關的信號就直接與待測終端連接。控制軟件控制電源控制裝置輸出控制指令到電壓電流功率源，然后輸出要求的大功率電壓電流信號，再通過自升壓標準PT和自升流標準CT 提升電壓和電流，產(chǎn)生控制軟件要求的0～10 kV 和0～600 V 信號施加到試品開關上。試品開關的互感器電壓電流信號、開出信號輸出到終端，接收終端的控制信號?？刂栖浖c配電終端通信，獲取配電終端四遙信息，將獲得的信息與預期結果對比，計算誤差，實現(xiàn)一二次設備成套化檢測。

圖11 成套測試過程Fig.11 Complete test process

4.4 測試效率對比

將傳統(tǒng)的測試方法和成套化測試方法進行對比，結果如圖12所示。

圖12 測試方法對比Fig.12 Comparison of test methods

對于一二次融合設備，使用傳統(tǒng)的測試方法效率很低，測試人員需要針對被測對象設計測試案例，切換不同的測試項目時，需要改接線，要將設備搬來搬去。測試結果需要測試人員記錄分析，測試人員需要全程參與。成套化測試方法相比于傳統(tǒng)測試方法少了兩個檢測工位，檢測場地面積節(jié)約了6.8 m2，每天的檢測成本減少了2個工時，由于成套化檢測可以一次接線實現(xiàn)所有檢測內(nèi)容，其安全性也提高了很多。

以一二次融合智能開關為例，每套智能開關的檢測時間節(jié)省了80 min，測試效率提升了60%以上。表1為傳統(tǒng)測試方法與成套化測試方法對每套一二次融合開關檢測時間的對比結果。相比于傳統(tǒng)測試方法，本文提出的一二次融合測試方案配合綜合切換裝置，大幅度提高了檢測效率，其完全覆蓋了目前市場已有產(chǎn)品功能，可完成一二次融合及深度融合柱上開關和環(huán)網(wǎng)箱的全自動化檢測，提高了一二次融合設備的檢測能力。

表1 柱上開關測試時間對比Tab.1 Test time comparison of column switch

此外，相比于傳統(tǒng)測試方法，成套化測試方法的技術優(yōu)勢在于：臺體可完成一次互感器測試、二次終端測試以及一二次融合聯(lián)調(diào)測試，滿足各種應用場景需求；互感器測試系統(tǒng)兼容傳統(tǒng)電磁式互感器大信號和電子式互感器小信號；終端測試系統(tǒng)可完成電磁式互感器大信號和電子式互感器小信號兩種終端的測試；具有自動和手動信號鏈路切換裝置，可用人工和軟件控制測試信號切換，在不改接線的情況下完成各種實驗；高壓開關、低壓終端測試儀和高壓源完全電氣隔離，保證儀器安全和操作安全；自動生成檢測報告和檢測記錄，具有測試過程整體回溯功能。

5 結論

本文研究了新型融合設備的成套化檢測方案，配合設計的綜合切換裝置解決了無法兼容電子式以及電磁式互感器設備的檢測問題，實現(xiàn)了配電設備的一次、二次及成套化檢測。與現(xiàn)有技術相比，該檢測方案中的二次終端測試系統(tǒng)、一次互感器測試系統(tǒng)和升壓升流系統(tǒng)相對獨立，相互之間采用通信方式連接，由控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制；其既能獨立完成終端測試和互感器測試，也能完成一二次成套化測試，綜合切換裝置使得測試過程中無需改接線，可實現(xiàn)一次接線自動完成所有測試項目，提高了檢測效率；四個子系統(tǒng)之間沒有強電耦合，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的強弱電隔離，增強了安全性。