1 引言
随着新型继电保护装置，特别是微机保护的推广应用，对测试技术有了更高的要求，涉及计算机自动测试等先进技术的继电保护微机型试验装置已成为不可缺少的专用设备。为此，电力部已颁发了“继电保护微机型试验装置技术条件”，使选择试验装置有了依据。有的省电力试验研究所对进口和国产继电保护试验装置进行了测试，并公布了各种试验装置的对比结果。本文从智能电子仪器的原理和继电保护试验校验要求的综合角度，简述目前国内外继电保护微机型试验装置的技术性能及检验方法。
2 试验装置的电子线路结构特性
微机型试验装置是由人机对话设定输入电流、电压的参数，由程序控制信号源指导电子线路、D/A转换、功率放大，输出具有一定功率的三相电流、电压送给继电保护装置，同时接受继电保护装置的反馈信息，作出系列响应，予以记录，以达到自动测试结果，并将结果以文字、图表打印报告。
2.1 人机对话
国产的试验装置具有汉字菜单，进入各种专用试验程序，程序界面友好，并有帮助菜单。进口试验装置则为英文界面。
2.2 参数设定
通过屏幕画面直接输入或修改参数，一般试验装置在出厂前必须调整好，使得输出的电流、电压信号就是设定的数值。由于试验装置在自动测试过程中(如二分法渐近)都是电流、电压突变，一般没有用仪表监测。在日后的试验中，不论装置工况如何，就认定设定值就是输出值。这里就存在一个大问题，一旦负载阻抗较大，输出波形削顶或产生自激振荡或功放回路参数有了变化，使输出值和设定值有误差，就会造成继电保护误整定。现将国内外装置中解决这些问题的几种办法分述如下。
(1) 瑞典OMICRON CMC156采用A/D测量自动反馈修正。它的优点是当功放级尚未饱和时能提高精度。如负荷阻抗较大，功放级饱和后，自动反馈修正的误差反而会变大，但试验装置在误差超标时能在计算机屏幕上告警。
(2) 江西华东电力仪器厂JJC—1H采用专有的失真判别措施，相当于用电路比较信号源和输出是否一致的办法。若输出电流、电压的有效值与计算机设定值误差超过3％时，就发出音响告警，超过5％时延时关机，并指示误差相别，避免错误整定。JJC—111试验装置设有电流、电压回路的开路、短路保护，失真判别措施还加强了电流、电压电源的开路、短路保护。这是国内其它试验装置所不具有的。
2.3 程序控制信号源
目前大多数的试验装置都是由数据通讯线将微机中已计算的瞬时值数据传往D/A，产生信号源，有的是逐点传送，有的是批处理传送，这对试验波形每周分隔的点数有很大关系。
北京威特MRT—02B、广东昂立的3100D据悉基波每周只有40个点，幅频特性很差，谐波叠加和变频试验只是定性地，而非定量地进行测量，在这两个项目中输出的试验值与计算机整定值有误差。
江西华东电力仪器厂JJC—1H试验装置为无变压器输出，基波每周点为180点，幅频特性大为提高。在叠加2、3、5、7次谐波时，其谐波输出值和计算机设定值的误差不超过3％。从计算机逐点传送、通讯握手所需机时考虑，每周180点也已到了极限，否则要增加硬件存储器，实行批处理传送。但逐点传送也有它的好处，能仿真输出长过程的故障信号。
国外试验装置都保证任何频率下海周的点数有256点，送出的波形十分光滑，幅频特性很好。在20次谐波时，其和计算机设定值的误差均在3％以下，因而做单频率的试验时，效果特好。由于采用批处理传送需要前置存储器，而前置存储器容量有限，在故障仿真时，仿真信息的长度就有限制。国外试验装置容量偏小，增加容量需要增设功率放大器，增加体积重量，选择时要考虑应用场所。
2.4 数模变换D/A
数模变换一般都采用12位或以上。在阻抗元件试验中，电压信号可能降得很低，这时信号源的D/A的有效位数就减少，影响波形的台阶数。如考虑叠加谐波的幅值裕度，一般相电压取80V是适宜的。零序电压3Uo一般应设计为100V。
2.5 功率放大级
目前有两种设计。一种是经变压器输出，好处是通过变压器进行阻抗匹配，充分发挥功放管的容量，缺点是不能传送非周期分量，暂态响应和幅频特性都不好；另一种是无变压器输出，暂态响应好，且高电压、大电流功放管的价格低。使用无变压器输出已是目前的趋势。功放级设计有很多的关键技术，与制造厂家硬件投入有关。对试验装置而言，电压级的功放一般都能满足，而电流级功放容量要求最大，功放级的功放管参数选得高低不同，厂家提供容量的表达是不同的，下面只比较电流功放级的容量。
(1) 江西华东电力仪器厂JJC—1H参数为：最大输出功率300VA/相，电流30A/相时，输出到负载上的不失真电压为10V。当环境温度20℃时，30A电流允许持续5min，这个指标目前在国内外都是很高的。电流10A/相时，输出到负载上的不失真电压为15V，此时允许长期工作。在现场用JJC—1H校验故障录波器的电流时，可同时串24个CT，而同样条件下昂立3100—D试验装置只能串6个CT，可见前者带载能力较大。
(2) 瑞典CMC156、OMICRON、CMA156带功放装置后的参数，经江苏省电力试验研究所测定：最大输出功率为150VA/相，电流0～15A/相时，输出到负载上不失真的电压都为10V；电流20A/相时，输出到负载上允许的电压为6.25V；电流30A/相时，输出到负载上的允许电压只为3.85V；电流50A/相时，输出到负载上的允许电压只为1.413V。当环境温度20℃、50A/1.4V时允许8min。必须注意，当电流超过15A时，功放级的限制是由于热负荷的原因，在30A时输出功率也只有115VA，可见带载能力也很小。
(3) 新加坡VENUS330和FREJA300输出不失真电压只能达到3.8～3.5V，输出带载能力很低。
(4) 北京威特MRT—02B和广州昂立3100D参数为：输出电流范围0～30A/相，长期允许工作电流10A/相以下。当输出电流大于10A/相时，试验时间不宜超过10s，说明功放级的热容量不足。
2.6 自动加载测试
根据继电保护测试项目的要求，试验装置能按设定程序输出电流、电压，自动寻找动作边界。如差动继电器助磁特性试验需要同时输出工频电流和直流电流，并自动按二分法渐近寻找动作边界。如直流助磁电流选择20A，交流动作电流将接近30A，因而大电流下的允许持续时间是不宜太短的。有的装置在上述工况下测试会发生中途超温停机，使自动寻找边界过程不能完成。
2.7 继电保护的反馈信息
继电保护反馈信息有多种，如空接点、电位式、脉冲式，还有正、负极性之分。早期的试验装置智能判别很差，需要用改变硬件开关位置来约定反馈信息的处理，操作不便。目前，国内大多数装置也同国外装置一样，已做到自动智能判别，十分方便。选择试验装置时，同样要注意这个特点。
2.8 试验数据处理
距离保护动作区试验是通过自动二分法渐近寻找动作边界，得到一系列测试结果，并在屏幕上绘制这些测试点。目前有很多试验装置不能用智能拟合的办法来绘制动作区曲线，也得不到实测的动作阻抗，因而表达不出实测的阻抗和整定值有多少误差。江西华东电力仪器厂JJC—1H微机继电保护测试仪开发了这些软件：包括阻抗元件动作区曲线、精工电流曲线、差动保护的助磁特性曲线等的智能拟合程序，尤其是试验叠加谐波对阻抗元件动作区的影响时，该程序能描绘非圆曲线的动作区，并形成一页完整的试验报告(见图1、图2)
图1 谐波对阻抗继电器动作区的影响
图2 差动继电器比率制动特性
3 如何在实验室测试试验装置的性能
在实验室测试，往往没有复杂的继电保护，但有较多的仪表和测试装置。
3.1 幅频特性测试
较为简单的方法是用双线示波器观测。令试验装置在叠加谐波状态，其中一相送工频电压U1，另一相送高频电压Un，计算机设定它们幅值相等，即U1=Un。如果幅频特性很好，在示波器上这两个不同频率的波形应有相同的高度。国外装置在高频频率为1000Hz时，两个波形的幅值是一样高，从高频波形看曲线依然光滑，说明信号源波形每周的点数是很多的。由于没有阻容平滑，幅频特性很好。江西华东电力仪器厂JJC—1H试验装置每周点数为180点，在高频频率为350Hz以下时，两个波形的幅值是一样高。北京威特MRT—02B试验装置，由于每周点数只40点，采用了较大的阻容平滑措施，因而幅频特性很差，在5次谐波时，其幅值对计算机设定值的误差都已达到了50％以上。
3.2 线性和精度测量
继电保护试验主要保证50Hz下的线性和精度，这可用一般的电流、电压表对其进行校验。对电流精度的校验，应让试验装置从大电流往下逐点试验，有利于那些热容量不足的装置避免过热。由于D/A的位数有限，要注意小电压时的精度，对电流只需校核0.2～30A范围。OMICRONCMC156由于采用A/D反馈自动修正精度，故精度和线性均很好。欠缺的是输出容量较小，往往在小电压和小电流时，试验装置由于D/A的位数少，失真度会偏大。这一点对微机保护影响不大，由于在小电压和小电流时，其微机保护的AD采样的位数也减少，读入的精度也降低，输出波形的台阶化对测距的影响还不少。
国内试验装置在工频时的精度一般都很好，但在小电压下的精度要差些，原因是A/D位数减少。
3.3 带载能力
用示波器配合负载电阻测量试验装置在输出波形不失真下的带载能力时，必需同时指出送多大电流和其输出波形不失真的的最大电压。带载能力测试是重要环节，要求可调的负载电阻阻值在1Ω以下，通流能力在30A。一般不易找到合适的可调电阻器，可用几个电抗变压器串联来代替，测量的结果如表1。当通30A时，江西JJC—1H输出不失真电压为10～11V，新加坡VENUS330输出不失真电压为3.8V，显然前者带载能力要大得多。
3.4 叠加谐波能力
用谐波仪测试试验装置叠加谐波的能力同时可考核精度和幅频特性。国外装置由于幅频特性好，其谐波合成都很好。江西JJC—1H其谐波合成效果也好，送台阶波时，它的响应也很快。
对无变压器输出的试验装置，可用示波器观测试验装置输出方波和台阶波的能力。
3.5 差动继电器的助磁特性试验
该项试验是考核试验装置能否自动进行测试，并如何处理试验结果的简便方法。
3.6 阻抗继电器动作区试验
该项试验也是考核试验装置能否自动进行测试，并如何处理试验结果的简便方法，用以判明其有否叠加谐波或自动描绘拟合曲线的能力。
3.7 阻抗继电器的精工电流试验
该项试验是考核试验装置进行动态测试的能力。如果暂态响应不好，两次精工电流测量的结果相差会较大，特别是在小电流下的情况更是如此。这就要分析是保护装置的暂态分散还是试验装置暂态特性所引起的。同时要考核精工电流拟合绘线的结果，尤其是数据分散的情况下，拟合绘线是否会产生不合理的振荡，以此考核绘图软件的质量问题(图3)。国内外继电保护微机型试验装置的性能比较见表1。
图3 精工电流曲线拟合
4 软件菜单设计的审查
软件丰富与否，也是对试验装置的选择条件。一般来说，常用软件都应具备如下内容：
(1) 三相电流、电压能任意设定初始值、故障值；能叠加谐波；能设定各段状态时区的长短；能智能判别继电保护反馈接点的信息；能按一定的模式，自动寻找继电器临界动作值。如保持电流和角度不变的情况下，按二分法改变电压幅值，寻找阻抗元件的临界动作值。也可保持电流和电压不变，让电压、电流之间的角度连续变化，看继电器进入动作区域的角度范围。它可用于测量上抛圆特性的阻抗继电器，也可测量方向继电器的动作区。
(2) 三相电流、电压源能独立变频，也可根据需要改变。如做差动保护助磁特性试验时，其中一相送直流电流，另一相送交流电流。如做差动继电器的谐波制动特性时，A相送谐波电流，B相送50Hz电流。新加坡VENUS 330却没有做到分相独立变频。
(3) 三相电流、电压也可根据输入的线路参数R、X和选择的故障类型来自动计算产生。这一点FREJA300做得较好，它可以输入R、X；或Z、Φ；或I、Z；或U、I；或U、Φ等任何一种方式，据此产生故障信息。
(4) 三相电流、电压的谐波不能随意叠加。因为一旦基波电流、电压已设定，相当于线路的参数R、X已确定。如果谐波电流先随意设定，则谐波电压就必须满足参数R、X的制约。
(5) 三相电流、电压要能设定多段状态的时区。如正常态、故障态、非全相态、重合于故障态、切除后态，以便能校验综合重合闸的动作情况。
(6) 三相电流、电压要能模拟复杂故障转换。如正常态、单相接地故障态15ms(可调)后，再转两点接地故障态，这种设定是考核微机保护对转换性故障的响应方式的需要。因为前15ms是单相接地故障，其后是两点接地故障，故障距离计算的公式对单相接地和两点接地故障的计算是不一样的。微机保护此时面临的问题是，在一个周波的数据是混淆数据，它究竟按哪个公式计算或是再等待，还是混算?由于新型的继电保护复杂，它的内核不是很清楚，究竟在运行中它的表现如何?继电保护微机型试验装置要肩负此考核的责任。
(7) 试验装置要能产生系统振荡时的三相电流、电压模型，用于试验振荡解列装置；也要能产生系统振荡，又伴随故障的三相电流、电压(包括先故障，后振荡或先振荡，后故障等)的模型。
(8) 高级仿真。用EMTP电磁暂态程序计算故障仿真数据，以一定的格式转换成试验装置的数据文件，用D/A经功率放大送出三相仿真的电流、电压。对于用计算机信息逐点传送，每周有40点以上的无隔离变压器的试验装置而言，做到这点并不难，北京威特MRT—02完成故障仿真工作较早，而后国内其它装置也完成了这项工作。每周点数多一点，仿真更细腻一点。也可计算复杂故障下短路电流、电压，将计算的电流、电压的幅值和相角直接输入到试验装置的菜单程序中对继电器进行仿真试验。
(9) 故障信息再现。原则上应该可以将故障录波器记录数据通过试验装置予以再现输出，但这中间也需要进行数据文件的翻译(幅值定标)。如国内故障录波器每周只记录20点，就要用等距插值法将它转为每周180点(对JJC—1H试验装置而言)，对逐点传送的试验装置，可边插值边送数，使输出更细腻。对于压缩存储的文件，更要妥善处理。
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