基于數(shù)字物理混合仿真技術(shù)的繼電保護自動化實訓(xùn)系統(tǒng)

彭勇 呂政權(quán) 郝琳娜 許燕

（上海市電力公司，上海 200438）

近年來，電力系統(tǒng)內(nèi)投入了大量的調(diào)度員仿真實訓(xùn)系統(tǒng)（DTS）和變電站運行人員仿真實訓(xùn)系統(tǒng)（OTS），它們對提高電力系統(tǒng)調(diào)度、運行人員的專業(yè)素質(zhì)起到了很好的作用。但是，DTS主要側(cè)重于對電網(wǎng)一次系統(tǒng)的動態(tài)行為特征的模擬和對調(diào)度自動化監(jiān)控界面的模擬，而對繼電保護、自動化等二次系統(tǒng)的模擬比較簡單。OTS對繼電保護、自動化系統(tǒng)的仿真雖然比電網(wǎng)調(diào)度員仿真實訓(xùn)系統(tǒng)詳細，但也只是對設(shè)備或系統(tǒng)的操作界面進行模擬。而真正面向繼電保護和自動化專業(yè)技術(shù)人員的專業(yè)仿真實訓(xùn)系統(tǒng)還不多見。另一方面，通過對現(xiàn)場實訓(xùn)需求進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對繼電保護和自動化系統(tǒng)等專業(yè)技術(shù)人員進行運行操作、調(diào)試維護和檢修試驗等內(nèi)容的實訓(xùn)是十分必要的。

針對上述問題，近幾年有部分實訓(xùn)中心和科研機構(gòu)建立了基于電磁暫態(tài)仿真的繼電保護實訓(xùn)系統(tǒng)，但其一次模擬電網(wǎng)規(guī)模和保護配置都難以滿足電網(wǎng)繼電保護專業(yè)人員的實訓(xùn)需求[1-2]。

本文通過建設(shè)一套基于混合物理仿真技術(shù)的新型繼電保護實訓(xùn)系統(tǒng)，解決上述問題。該系統(tǒng)以數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采取電網(wǎng)數(shù)字化模型與真實的變電站二次設(shè)備相結(jié)合的方式，形成一套完整的實時閉環(huán)實訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備聯(lián)機調(diào)試功能，可滿足電網(wǎng)生產(chǎn)實訓(xùn)需求。電網(wǎng)數(shù)字化模型選取500kV變電站典型接線方式，保護設(shè)備選擇國內(nèi)主流保護廠家產(chǎn)品，并配置有變電站綜合自動化系統(tǒng)，可實現(xiàn)對繼電保護、自動化及遠動系統(tǒng)專業(yè)人員進行綜合實訓(xùn)，對增強相關(guān)專業(yè)人員安全工作能力和電網(wǎng)穩(wěn)定運行有重要意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

該新型繼電保護實訓(xùn)系統(tǒng)由3部分構(gòu)成，即數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)、繼電保護設(shè)備屏柜和變電站綜合自動化系統(tǒng)。

繼電保護實訓(xùn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)通過對電網(wǎng)模型進行實時仿真計算，輸出與實際運行基本一致的電壓、電流波形，并將計算出的電壓、電流瞬時值信號經(jīng)高速實時接口輸出，通過D/A轉(zhuǎn)換和電流、電壓放大器及輸入輸出系統(tǒng)送入繼電保護裝置或自動控制裝置中[3-4]。繼電保護裝置和自動控制裝置在接收到電流、電壓信號后，將動作信號通過高速信號轉(zhuǎn)換箱實時反饋回數(shù)字仿真系統(tǒng)，形成數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理設(shè)備之間的閉環(huán)連接，并將斷路器跳、合閘信號送給模擬斷路器裝置，控制模擬斷路器的狀態(tài)。同時通過站控層以太網(wǎng)，將動作信號上傳給變電站綜合自動化系統(tǒng)，而綜合自動化系統(tǒng)通過接收仿真系統(tǒng)模擬出的電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀態(tài)信息，真實模擬出變電站的運行操作。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

繼電保護實訓(xùn)系統(tǒng)各主要子模塊及其功能簡介如下：

1）數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)

數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)組成如圖2所示，通過電磁暫態(tài)仿真軟件建立電網(wǎng)動態(tài)模型，進行潮流計算和短路計算，并將計算結(jié)果經(jīng)高速通信系統(tǒng)、信號轉(zhuǎn)換及輸入輸出裝置送入保護和自動裝置，同時亦可接收外部裝置送來的開關(guān)量信號，修改網(wǎng)絡(luò)拓撲。考慮實訓(xùn)人員的實際需求，本實訓(xùn)系統(tǒng)選擇500kV變電站典型接線方式建立電網(wǎng)模型，如圖3所示。

圖2 數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)（系統(tǒng)組成）

圖3 系統(tǒng)主接線圖

電網(wǎng)模型由教學(xué)站和對端站組成，教學(xué)站包含500kV、220kV、35kV三個電壓等級，兩臺1000MVA自耦變壓器組，500kV系統(tǒng)采用 3/2斷路器主接線方式，2回500kV線路和兩臺主變500kV側(cè)構(gòu)成兩個完整線路變壓器串；220kV系統(tǒng)采用雙母雙分段主接線方式，包括兩臺主變220kV側(cè)、2回線路和1臺發(fā)電機－變壓器組共5個間隔；主變35kV側(cè)為無功補償裝置。對端站包含500kV電壓等級，采用3/2斷路器主接線，由2回線路構(gòu)成線線串，另有一不完整串接入1臺發(fā)電機-變壓器組。

2）繼電保護裝置和屏柜

按照國網(wǎng)繼電保護產(chǎn)品國產(chǎn)化要求，選取國內(nèi)主流保護產(chǎn)品，按照雙重化原則進行配置。為豐富實訓(xùn)內(nèi)容，線路和斷路器保護配置了多套不同廠家的保護產(chǎn)品，同時，亦采取技術(shù)手段設(shè)置保護裝置與屏柜的連接：保護裝置通過規(guī)范接線的航空插頭與屏柜相連，同類型保護的不同裝置切換時，只需插拔航空插頭即可實現(xiàn)。因?qū)嵱?xùn)系統(tǒng)在設(shè)計時嚴格按照繼電保護國網(wǎng)“六統(tǒng)一”原則[5-6]，因此保證了外回路端子的統(tǒng)一性和航空插頭接線的規(guī)范性。

實訓(xùn)系統(tǒng)共配置包含線路保護、斷路器保護、主變保護、母線保護、高抗保護、發(fā)變組保護、低容、抵抗保護和故障錄波器等在內(nèi)的90多套保護裝置。

3）綜合自動化系統(tǒng)

本系統(tǒng)中，綜自系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，按控制層次和對象配置全站控制級和就地單元控制級。全站控制級實現(xiàn)站級單元的信息共享以及站內(nèi)設(shè)備的在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理以及站級實時控制，包括操作員站、監(jiān)控系統(tǒng)軟件和網(wǎng)絡(luò)交換機。就地單元控制級按控制區(qū)域分布式配置，完成對控制區(qū)域的數(shù)據(jù)采集和控制。就地單元控制級與全站控制級采用IEC 61850規(guī)約通信。

2 技術(shù)特點

與常規(guī)繼保實訓(xùn)系統(tǒng)相比，本文所述的實訓(xùn)系統(tǒng)在調(diào)試方式、保護裝置與屏柜連接方法和保護裝置配置等方面有很大優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）同時支持保護裝置單屏調(diào)試和閉環(huán)聯(lián)調(diào)

現(xiàn)有常規(guī)繼保實訓(xùn)系統(tǒng)大多只配置有保護屏柜，實訓(xùn)時學(xué)員通過測試儀器進行單屏調(diào)試。單屏調(diào)試將各套保護裝置孤立開來，難以測試復(fù)雜情況下發(fā)生故障時的裝置特性，同時也無法形象地模擬現(xiàn)場故障。本實訓(xùn)系統(tǒng)建有數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過搭建精確的一次設(shè)備數(shù)學(xué)模型，模擬區(qū)域電網(wǎng)運行，并將運行參數(shù)實時傳輸至繼電保護和自動控制裝置中。同時，繼電保護和自動控制裝置的動作信號亦可通過高速信號轉(zhuǎn)換箱實時反饋回數(shù)字仿真系統(tǒng)，形成數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理設(shè)備之間的閉環(huán)連接。因此，本實訓(xùn)系統(tǒng)既可實現(xiàn)保護裝置的單屏調(diào)試，亦可建立閉環(huán)聯(lián)調(diào)。

閉環(huán)聯(lián)調(diào)時，在數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)中可設(shè)置線路、主變、母線等各種故障，仿真系統(tǒng)真實模擬故障過程和狀態(tài)。繼電保護裝置在采集到故障信息后，即可根據(jù)保護原理動作，并將開關(guān)跳、合閘信號傳輸至仿真系統(tǒng)。閉環(huán)聯(lián)調(diào)除了可以測試簡單的接地和相間故障，還能準確測試重合閘、轉(zhuǎn)換性故障、跨線故障、系統(tǒng)振蕩等復(fù)雜情況下裝置的特性，實現(xiàn)對保護裝置的全面測試；還可以方便地模擬系統(tǒng)中的多重故障和多個繼電保護裝置之間的相互影響；亦可在真實的二次回路設(shè)置缺陷，由此引起的故障由系統(tǒng)實時響應(yīng)，無需人工干預(yù)。從而，可以更真實地模擬故障，使實訓(xùn)工作更接近現(xiàn)場，從而提高實訓(xùn)人員在現(xiàn)場面臨真實故障時的應(yīng)對能力。

2）保護裝置通過可插拔航空插頭與屏柜相連，裝置切換靈活

在生產(chǎn)現(xiàn)場和現(xiàn)有繼保實訓(xùn)系統(tǒng)中，保護裝置和屏柜配置的常規(guī)做法是，每套保護裝置單獨組柜，裝置與屏柜通過端子排接線直接相連。采用此方式保證了每套保護裝置工作的獨立性，但也存在很多問題。例如，當(dāng)保護裝置需更新時，則要重新修改端子接線和電纜布線；每套保護裝置單獨組一面屏，也導(dǎo)致系統(tǒng)占地規(guī)模大和電纜布線復(fù)雜，造成浪費。

圖4 實訓(xùn)系統(tǒng)

為解決上述問題，在本實訓(xùn)系統(tǒng)中，保護裝置通過可插拔的航空插頭與屏柜外回路相連。每個保護屏柜，其所有外回路接線按照一定規(guī)律通過端子排引入屏后的航空插座（如圖4（a）所示），每套保護裝置的所有引出線亦按照一定規(guī)律匯總至航空插頭處（如圖4（b）所示）。保護裝置與屏柜相連時，將保護裝置的航空插頭插入對應(yīng)屏柜的航空插座即可。通過此方法，多套同類型保護裝置可共用一面屏柜，當(dāng)不同裝置替換時，只需插拔與裝置相連的航空插頭即可，無需對每套裝置都配置保護屏柜和端子接線，減少了系統(tǒng)硬件配置及二次電纜鋪設(shè)，節(jié)省了費用，具有很高的推廣和應(yīng)用價值。

3）遵循“六統(tǒng)一”設(shè)計原則，保護裝置配置多樣化

本實訓(xùn)系統(tǒng)為模擬的一次系統(tǒng)配置了完備的系統(tǒng)保護和元件保護，保證了實訓(xùn)系統(tǒng)面向各地不同受訓(xùn)人員的適用性。在保護裝置配置時，充分調(diào)研，選取目前國內(nèi)最新、最常用的保護設(shè)備進行配置。同時，考慮各變電站保護設(shè)備配置的差異性，在保護配置時盡可能選擇多種類型保護，使得實訓(xùn)系統(tǒng)保護設(shè)備基本涵蓋了全國各主流繼保設(shè)備生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品。由于實訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計時嚴格按照國網(wǎng)“六統(tǒng)一”原則，因此不同廠家同類型保護裝置的對外接口和回路配合都具有統(tǒng)一性，同類型保護裝置可在同一面保護屏上互換，為保護配置的多樣性提供了保證。通過以上方式實現(xiàn)了保護配置的多樣性，可針對不同實訓(xùn)人員靈活選取不同廠家產(chǎn)品進行實訓(xùn)，增加了實訓(xùn)的靈活性。

4）促進智能變電站新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

常規(guī)變電站自動化通信規(guī)約不統(tǒng)一，加大了調(diào)試復(fù)雜性，同時也增加了運行、維護的難度，制約了變電站新技術(shù)的發(fā)展。隨著智能電網(wǎng)、數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展，迫切需要一個簡約、智能的系統(tǒng)，以減少投資，提高運行、維護效率。

本實訓(xùn)系統(tǒng)間隔層與站控層通過IEC61850規(guī)約通訊，間隔層設(shè)備在與監(jiān)控后臺操作員站信息交換時，都基于統(tǒng)一的IEC61850協(xié)議，極大地方便了系統(tǒng)的集成，保證了投資的持續(xù)性和系統(tǒng)的互操作性，為實訓(xùn)系統(tǒng)后續(xù)的智能電網(wǎng)新技術(shù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3 應(yīng)用示例

本實訓(xùn)系統(tǒng)在實際應(yīng)用時，指導(dǎo)工程師可在一次模擬系統(tǒng)中設(shè)置各種故障，保護裝置接收到故障信息后，根據(jù)保護原理進行相應(yīng)動作，綜合自動化系統(tǒng)實現(xiàn)對一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的監(jiān)視、管理和控制。利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)對電廠和變電站繼保和自動化人員實訓(xùn)。

例如，一次模擬系統(tǒng)220kV仿真二線發(fā)生A相瞬時故障，誤投“停用重合閘”硬壓板導(dǎo)致線路單相瞬時性故障開關(guān)三跳故障。220kV主接線圖如圖5所示。

220kV仿真二線第一套線路保護為南瑞RCS-931，采用光纖通道的分相電流差動和零序電流差動保護；第二套線路保護為南瑞RCS-901，采用高頻閉鎖式的縱聯(lián)變化量方向和零序方向保護。模擬系統(tǒng)輸出的220kV仿真二線故障后電流、電壓如圖6所示。

圖5 220kV仿真二線運行方式

圖6 線路故障后電流、電壓波形

故障發(fā)生后，仿真二線A相電流突然明顯增大，220kV IV母A相電壓出現(xiàn)降低，B、C兩相電流、電壓基本不變。保護裝置的動作情況和綜合自動化系統(tǒng)如下分析：

3.1 線路第一套保護裝置

線路故障發(fā)生后，保護裝置RCS-931面板顯示如圖7所示，由圖7可見，保護面板“跳A”、“跳B”、“跳C”指示燈亮，說明保護裝置發(fā)出了跳A、跳B、跳C指令；“重合閘”指示燈不亮，說明保護裝置重合閘模塊沒有動作。

圖7 RCS-931面板顯示

RCS-931保護事件報文如表1所示。

表1 220kV仿真二線第一套保護動作列表

由表1可見，線路第一套保護裝置動作，發(fā)出的跳閘相為ABC三相，但故障選相為A相，且重合閘沒有動作。

3.2 線路第二套保護裝置

線路故障發(fā)生后，保護裝置RCS-901面板顯示如圖8所示。

圖8 RCS-901面板顯示

由圖可見，與RCS-931面板燈亮情況相似，RCS-901面板“跳 A”、“跳 B”、“跳 C”指示燈亮，說明保護裝置發(fā)出了跳A、跳B、跳C指令；同樣保護重合閘模塊也沒有動作。RCS-901保護事件報文如表2所示。由表可見，保護啟動5ms后，線路第二套保護工頻變化量阻抗動作，跳閘相為A相，隨后距離 I段和縱聯(lián)保護也分別動作，跳閘相都為A相，但54ms時，縱聯(lián)變化量方向保護再次動作，跳閘相選為ABC三相，故障相別選為A相。

表2 220kV仿真二線第二套保護動作列表

3.3 操作箱

操作箱面板如圖9所示。跳閘信號 I、II指示燈（紅燈）都點亮，表明其兩組跳閘回路自保持繼電器收到保護三相跳閘信號且正確動作，同時向模擬斷路器送出了三相跳閘信號。重合閘指示燈不亮，表明保護沒有送出重合閘動作信號。

圖9 操作箱面板

3.4 光字牌

光字牌是運行人員監(jiān)視站內(nèi)設(shè)備運行狀況、保護動作情況等的重要信號。故障發(fā)生后，監(jiān)控后臺光字牌動作情況如圖10所示。

圖10 220kV仿真二線光字牌

由圖可見，線路第一、二套線路保護跳閘動作，線路第一套保護第一、二組出口跳閘出口動作，兩套保護的重合閘均沒動作。

在本案例中，由表2可見保護啟動5ms后，線路第一套保護工頻變化量阻抗保護即動作，且跳閘相為ABC三相；第二套保護在故障后先發(fā)出A相跳閘脈沖，斷路器三相跳開后（由仿真二線電流三相都為零知），又發(fā)出三相跳閘信號。仿真二線 A相故障，但第一套保護直接三跳，懷疑第一套保護重合閘被閉鎖。檢查仿真二線第一套保護裝置，沒有壓力降低閉鎖重合閘信號，保護控制字設(shè)置正確，軟壓板投切正確。檢查到硬壓板時，發(fā)現(xiàn)仿真二線第一套保護柜上的“停用重合閘”保護硬壓板處于投用狀態(tài)，如圖11中紅色橢圓所示。

圖11 220kV仿真二線第一套保護柜硬壓板

仿真二線線路第一套保護投“停用重合閘”硬壓板，當(dāng)線路發(fā)生單相接地后，第一套線路保護即發(fā)三相跳閘信號，第二套保護先發(fā)A相跳閘信號，斷路器收到第一套保護的三相跳令后，三相跳閘，此時縱聯(lián)變化量保護出口條件仍滿足，而斷路器三跳后，位置繼電器觸點閉鎖第二套保護重合閘，故發(fā)三相跳閘令。

3.5 故障解決

由以上分析可見，由于220kV仿真二線第一套保護誤投“停用重合閘”壓板，導(dǎo)致線路A相故障后，第一套保護因“重合閘停用”，直接溝通三跳；第二套保護先檢測出A相故障，發(fā)A相跳閘信號，因斷路器收到第一套保護的三相跳令，三跳后閉鎖第二套保護重合閘，故第二套保護隨即也發(fā)三相跳令。當(dāng)把線路第一套保護的“停用重合閘”壓板退出后，線路發(fā)生相同故障，保護動作正常，監(jiān)控后臺和故障錄波數(shù)據(jù)信息報告正常。至此，仿真二線“停用重合閘”壓板誤投退問題解決。

4 結(jié)論

本文基于混合物理仿真技術(shù)的新型繼電保護實訓(xùn)系統(tǒng)以500kV變電站典型接線為基礎(chǔ)建立區(qū)域模擬電網(wǎng)，配置有目前最新、最常用的保護設(shè)備和基于IEC61850的綜合自動化系統(tǒng)，是一套具有前瞻性和完整性的繼電保護實訓(xùn)系統(tǒng)。該實訓(xùn)系統(tǒng)有如下特點：

1）系統(tǒng)建設(shè)有數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)能真實模擬區(qū)域電網(wǎng)運行，實現(xiàn)保護裝置的閉環(huán)聯(lián)調(diào)。

2）保護裝置通過可插拔的航空插頭與屏柜外回路相連，可實現(xiàn)同類保護的同屏不同裝置替換，方便系統(tǒng)的擴展。

3）保護裝置配置完備、種類豐富，可針對不同變電站繼電保護和自動化人員開展不同的專題實訓(xùn)，提高其處理系統(tǒng)故障時的綜合分析能力。

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