「技术应用」配电网智能开关试验技术及实用化方案-科试特

目前，一二次融合是配电网智能开关的趋势，但相应的试验技术及实用化设备研究尚不充分。本文针对配电网智能开关，系统性地将智能开关试验技术分为一次和一体化两部分，指出了关键试验技术，并提出了具备多通道精度测试、高精度故障反演和自动化流程控制等功能的实用化方案，最后通过性能检测结果和试点应用成果验证了本文所提试验技术及实用化方案性的有效性和可操作性。

引言

配电物联网[1]建设是数字化配电网建设和能源转型的重要环节，一二次融合是配电物联网技术进步的必然途径。配电网智能开关基于一二次融合技术，实现了开关设备的运行状态、控制状态、负载能力等智能化感知，旨在满足一二次接口即插即用、终端线损采集、单相接地故障快速自愈等迫切需求[2]-[4]。

传统配电网自动化开关的一、二次部分分体试验，其试验技术难以解决智能开关融合后的一二次设备局放控制、一二次设备间阻抗匹配和单相接地故障自愈能力等新增问题。且现有试验装备均为一、二次部分独立设计，实用化程度低，不具备一体化试验能力。

因此，研究配电网智能开关的试验技术及其实用化方案尤为重要。文献[5]针对智能开关的电压、电流和电量采样等关键功能测试方法进行了研究。文献[6]通过搭建高电压温度环境箱和雷电压冲击测试平台模拟一次设备工况环境,从温度和电磁干扰两个方面进行二次部分的试验测试和数据分析。文献[7]提出了单相接地故障和相间故障的保护功能一二次融合试验方法。然而，在配电网物联网快速发展的趋势下，智能开关一二次融合后面临着一二次绝缘处理、小信号传输与处理、故障就地处理等挑战，但现有方法均未针对这些薄弱环节提出的系统性的试验技术及实用化方案。

为此，本文系统性地提出了智能开关试验的一次和一体化试验技术方案，提出了多通道准确度测试、高精度故障反演和全闭环试验案例控制等实用化方案，最后通过性能验证和试点应用验证了本文所提试验技术及实用化方案性的有效性和可操作性。

试验技术

传统配电网自动化开关独立制造、分体试验，难以保证确保集成后产品性能。配电网智能开关一二次融合后，二次传感器和取能装置融入一次设备，一次绝缘设计、二次精度匹配均受到影响。为此，本文修订了传统的一次试验技术，新增了一体化试验技术，以保证融合后原有设备性能不受影响、整体设备质量可靠。

一次部分试验技术

传统柱上开关的物资抽检试验项目包括绝缘试验、机械试验、准确度试验、回路电阻试验及温升试验等项目，本文所提一次部分试验技术在修订了传统柱上开关的绝缘试验，新增了准确度试验。全自动互感器校验台

在绝缘试验中，传统柱上开关无采样、取能及控制终端，为保证融合后的整体绝缘性能，本文所提一次部分试验修订了传统工频耐压试验和雷电冲击试验，要求在试验过程中智能开关的所有部件应按实际工作情况进行安装，控制设备应处于正常工作状态，并且，做相间测试时将外部相间PT拆除；断口工频耐压试验时，控制设备应不带电且处在连通状态；绝缘电阻试验时，控制设备应不带电且处在连通状态。传统柱上开关本体不涉及局部放电试验，为保证整机绝缘水平，本文所提一次部分试验新增智能开关相对地、相间、断口局部放电试验，被试品通过判据为在13.2kV时，不大于20pC。

在准确度试验中，相对于传统柱上开关，智能开关采用保护、测量一体化的宽范围、高精度传感器，且采样值用于支持高级配电自动化、物联网边缘计算功能。因此，有必要在一次侧部分试验中新增传感器准确度试验。

具体地，在参比条件下，相电压误差试验方法为施加单相电压或者三相电压测量误差（三相电压不平衡度应满足2%要求）。零序电压误差试验方法为三相并接施加零序电压测量误差。相电流误差试验方法为分别施加单相电流测量误差。零序电流误差试验方法为零序电流分成近似相等的三份，分别同时从A相、B相、C相施加。

特别地，配电网单相接地故障发生时，零序电流的主要为系统容流，故障线路的故障相与非故障相流过的电容电流差异较大。并且，不同工艺水平下的互感器负荷电流重叠特性受制造工艺影响。在极端情况下，非故障线路上的零序互感器会受正常负荷电流影响，产生一定的电流输出，导致故障误判。因此，在零序电流准确度试验中，一方面需要考虑故障线路中容流的实际不平衡度，另一方面需要考虑非故障线路中的实际负荷电流，以保证实际运行工况下零序电流互感器的准确度。

一体化部分试验技术

传统配电网自动化开关分体试验，现场组装，缺少一体化试验环节，产品整体性能难以把关。为此，本文针对整机系统提出了一体化试验技术，包括一体化精度、一体化传动和FA功能支撑试验。

在一体化精度试验中，主要开展稳态精度和暂态精度试验。其中：稳态精度试验包括准确度试验、影响量试验和稳态录波试验。准确度试验针对交流电压量、电流量及功率量从一次侧施加交流电压、电流量，读取控制终端实际采集值，与标准表所测基准值进行比对；影响量试验通过改变环境温度、不平衡度、频率、谐波和功率因数等影响量，测量准确度试验中所测电气量的受改变程度；稳态录波试验通过在一次侧产生不同启动条件的故障量，比较录波文件与施加的稳态波形文件的幅值，以考察期稳态录波性能。暂态精度试验通过在一次侧产生不同启动条件的故障量，比较录波文件与施加的暂态波形文件的最大峰值瞬时误差，以考察其暂态录波性能。特别地，考虑到一二次阻抗匹配，还应针对不同典型长度航空电缆开展上述一体化精度试验。全自动互感器校验台

在一体化传动试验[8]-[10]中，主要开展短路、接地和防误动试验。其中：短路故障研判试验根据设定定值，分别研判区内、区外故障动作情况及时间。特别地，考虑严重短路时的互感器饱和情况，如图1所示，二次侧波形的线性区仅1ms～2ms，传统傅氏算法或积分算法均无法适用，可能导致开关举动，本文所提短路故障研判试验也增加了此饱和情况的测试案例；接地故障研判试验主要考察不同中性点接地方式下的接地故障的研判能力，若仅通过传统的零序过流研判试验方法，则难以匹配实际运行工况。为此，本文所提接地故障研判试验方法通过波形反演方式，在一次侧施加不同中性点接地方式下的金属性、小电阻、高阻和弧光接地故障波形，通过多次施加同类型的不同故障波形计算得出研判成功率。为保证测试真实性，不同类型的故障波形均通过现场录波或动模仿真形式产生；防误动试验主要通过在一次侧施加负荷波动变压器空载合闸涌流、线路突合负载涌流、人工投切大负荷、其他线路故障等典型工况波形，以测试智能开关短路故障、接地故障的防误性能。

在FA功能支撑试验中，主要针对智能开关对不同逻辑的FA功能的支撑开展一次侧HIL试验。智能开关主要通过边缘计算、彼此配合以提高系统供电可靠性。传统的FA功能测试，主要面向二次终端或者主站，未考虑传感器及一次开关。为此，本文所提一次侧HIL试验，在传统FA测试[11][12]基础上，通过集成测试台在一次侧硬件在环，将一次电压、电流信号施加至被测智能开关，以实现覆盖一次开关本体、传感器及二次配电终端的一体化FA功能支撑试验。

▲图1  严重短路时的电流互感器二次侧波形

实用化方案

针对传统配网设备一、二次分体试验的盲区，本文在一次试验中考虑了二次设备对整机性能的影响，并新增了一体化试验技术。然而，传统试验方法主要通过继保仪对智能开关二次配电终端开展传动试验，通过升压、升流装置及单相互感器校验仪开展准确度试验。无法同杆输出电压、电流信号，其准确度、稳定度、暂态响应均难以达到试验要求，并且接线繁杂，效率低下。为此，本文提出了一种智能开关试验实用化方案，支持多通道准确度测试、高精度故障反演和自动化流程控制，一次接线，闭环试验，无需人工干预即可快速完成所有测试项目，自动生成试验报告。全自动互感器校验台

系统架构及试验方案

本文所提的智能开关一体化实用化方案由硬件系统及其配套软件系统组成（见图2）。硬件系统包括低压功率源、高压功率源、升压器、升流器、标准电压互感器、标准电流互感器、低压多通道互感器校验仪、高压多通道互感器校验仪、切换路由装置和电能表校验仪。软件系统实现了试验方案管理、被试样品管理、试验报告管理以及试验模拟主站等功能。

▲图2  试验系统结构与基本原理

▲图3  多通道标准表硬件架构图

本文所提实用化试验方案包括以下步骤：

步骤1：建立测试系统高压输出电气接口与智能开关的一次侧的电气连接，建立智能开关的二次侧输出与测试系统的切换路由装置的电气连接，建立测试系统切换路由装置与智能开关配电终端的电气连接。

步骤2：建立测试系统与智能开关的通信连接。

步骤3：测试系统通过步骤1的电气连接向智能开关施加稳定的电压信号和电流信号，在进行一次侧试验时，切换路由装置将开关二次侧输出通过端子转接入一次侧标准互感器校验仪；在进行二次侧试验时，切换路由装置将低压程控源输出通过端子转接入智能开关的配电终端；在进行一体化试验时，切换路由器通过端子将开关二次侧输出直连如智能开关的配电终端的输入。并经步骤2的通信连接将被测智能开关采集到的电压、电流回采至测试系统，进行一次侧、二次侧和一体化精度、保护测试。

步骤4：将步骤3的试验结果输入至工控机，生成测试报告。

具体地，步骤3包括以下关键技术：多通道准确度测试系统、高精度故障反演测试系统和全自动测试案例控制系统。

多通道准确度测试系统

为完成智能开关一次侧及一体化侧准确度试验，本文所提实用化方案向被测智能开关三相同时施加规定的电压、电流信号。为此，本文所提实用化方案研发了一套能同时采集2路（每路4U4I，8个通道的）信号的多通道标准表，配合三相功率打造了多通道准确度测试系统，以模拟现场实际工况、提高检测效率。

多通道标准表硬件组成如图3所示，采用双高速处理器和大规模逻辑阵列结构，ADI 400MHz的DSP结合CPLD负责采样和计算，ARM负责显示和通讯。CPLD与DSP配合控制2块AD，实现采样的同步，同步相位误差小于0.1us。DSP根据采样到的16通道采样数据，同时计算电压、电流、功率、谐波等参数，确保每个周波的数据都参与计算，实现无缝采样和计算功能，设计准确度达0.05级。全自动互感器校验台

高精度故障反演测试系统

传统一二次成套设备的传动试验仅用于验证一二次设备间的控制回路正确性。然而，作为配电物联网云-管-边-端核心架构的重要设备，智能开关硬件上属于智能感知终端，逻辑上搭载边缘计算计算功能。为此，本文研制了故障反演测试系统，预置短路、接地和防误动等故障场景[13][14]，通过软、硬件精度控制手段，在一次侧施加高保真电压、电流信号，验证智能开关故障研判、处理等边缘计算功能、性能。

在硬件层面，故障反演测试系统通过过阻抗传递方式，把负载侧阻抗传递到源侧，控制电流采用电流反馈方式，通过快速响应的无静差自动反馈控制电路，驱动大电流MOS管产生非线性电压驱动负载回路得到高精度一次信号。

并且，在软件层面，对于稳态信号，实时回采一次输出信号，根据负载差异进行补偿修正；对于暂态信号，定期按电流输出范围分段进行幅度、相位校准整定，以保证一次输出信号的幅度、相位、响应时间等性能可靠。

全闭环试验案例控制系统

智能开关测试中涉及一次开关本体、二次配电终端和一体化多个部分，传统方式试验过程需根据不同项目配置案例和人工换线，耗时耗力为此，本文所提实用化方案研发了综合切换路由装置，配合试验控制系统，可以实现一次接线，闭环检测。

综合路由切换装置工作原理如图4所示。一方面，切换路由可根据智能开关传感器实现方式选择功率源和互感器校验仪，另一方面，切换路由可根据测试项目选择接入一次开关、二次配电终端或一体化智能开关。

▲图4  综合路由切换装置硬件架构图

试验控制系统架构如图5所示。试验控制系统纵向分层，通过适配器完成与一次功率源控制器、二次功率源控制器、波形分析服务器、通信服务器的适配，通过访问接口完成对数据库、excel、COMTRADE文件的访问封装。横向应用功能分模块，包括：用户管理、方案管理、样品管理、报告管理以及模拟主站。

▲图5  试验控制软件架构

结果分析

为保证试验系统的有效性及实用性，对本文所提智能开关一体化试验系统进行校准检测和暂态波形输出一致性比对。并且，沿海某省电网公司配网物资检测中心对本文所题试验系统开展实用化试点应用。全自动互感器校验台

试点应用成效

本文所提智能开关试验系统及其实用化方案已于沿海某省电网公司配网物资检测中心试点应用，可开展3类40项试验项目，日检测量8套。

本文所提实用化试点应用试验范围覆盖该省2017-2019年度投运的配电网智能开关，其中智能开关检测年平均不合格率由80%提升至92%，该省安装智能开关的线路发生故障的平均停电时长为由3.98小时减少至2.06小时，试点应用结果表明本文所提实用化方案能够有全面提升智能开关质量管控能力，保障配电网联网边缘计算功能可靠，有效提高了系统供电可靠性。

结论

本文系统性地将智能开关试验技术分为一次和一体化两部分，指出了关键试验技术，填补了国内智能开关试验技术的空白，并针对智能开关一体化试验满足多通道精度测试、高精度故障反演和自动化流程控制功能的实用化方案，最后介绍了相性能测试结果和试点应用成效，验证本文所提试验技术及实用化方案的有效性和可操作性。