智能型变电站继电保护试验屏的研制申请立项可行性研究报告.doc

智能型继电保护试验电源屏的研制

可行性研究报告

湖北省XX供电公司

2011年7月
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——全数字化、智能化时代。
对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高频变换降压方式（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，它具有高质量、高可靠、高指标、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——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MODEM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：
l、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1MHz(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。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Val1ey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0~40A，三相并联输出有效值最高可达0~120A，频率范围（基波）20~1000Hz，谐波次数1~20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％，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，高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
-
2012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月
电路测试与试验电源屏的试运行
2012年11月
-
2012年12月
Ø 制定运行维护手册和使用标准；
Ø 撰写研究报告；
Ø 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公司所辖站所试验电源屏目前均处于闲置状态，研制和推广工作具备较大的空间。
2、人员条件
XX供电公司变电中心目前已经和武汉豪迈公司继电保护产品研发部达成共识，共同致力于智能型继电保护试验电源屏的研发工作。该公司具有多年的继电保护仪器仪表研发工作，拥有一批高技能、高素质的研发人才，在继电保护设备研发方面具备很强的竞争力。而XX供电公司变电中心作为XX公司主网变电站运行维护单位，拥有一批熟悉现场设备运行需求和维护要点的员工，对智能型继电保护试验电源屏的研制研发也提出了很多要求和建议。我们还邀请了南昌大学电气工程自动化系徐敏副教授等提供专业理论支持，团队综合实力强大，完全可以胜任智能型继电保护试验电源屏的研制开发工作。
五、项目经费预算（单位：万元）
科　　目
金 额
申请资助
自 筹
备 注
（一）直接费用
8.7
8.7
0

1.人员费
3.3
3.3
0

（1）研究机构人员费
2.5
2.5
0

（2）临时工工资
0.8
0.8
0

2.设备及软件费
2.7
2.7
0

（1）购置
2
2
0

（2）试制
0.7
0.7
0

3.业务费
2.7
2.7
0

（1）材料费
0.4
0.4
0

（2）资料费
0.3
0.3
0

（3）外协测试试验及加工费
0.3
0.3
0

（4）会议费
1.2
1.2
0

（5）差旅费
0.5
0.5
0

4.其他直接费用
0
0
0

（二）间接费用
1.3
1.3
0

1.现有仪器设备使用费
0.5
0.5
0

2.直接管理费用
0.5
0.5
0

3.其他间接费用
0.3
0.3
0

（三）协作研究支出
86
86
0

协作支出1
86
86
0

合 计
96
96
0

注：与项目有关的前期研究(包括阶段性成果)支出的各项经费不列入本项目预算；
六、效益核算
本项目在公司推广应用后，可以有效地改变设备闲置的情况，取得明显的直接、间接经济效益。加上试验屏采用新型的电力电子元件组成，降低了制作成本，并且具有低功耗、稳定的特点，这也带来了直接和间接的经济效益。
七、结论
随着电力电子技术的发展，继电保护试验屏的智能化程度不断提高，设备的自检、通信能力将不断增强，新型的智能型的继电保护试验屏将更有应用市场，本项目的研究更能体现这一优势，目前已对研制工作做了大量前期准备工作，不久的将来继电保护试验屏必将在XX供电公司得到广泛的推广应用。