數模混合仿真技術在繼電保護培訓系統中的應用

摘要：基于數模混合仿真技術的變電站仿真培訓系統擁有一個

完整的電力網絡模型，能反映變電站的各種信號的動態特性，模擬一個完整的變電站運行場景。系統能夠模擬電網的正常、故障下的運行狀態，同時將數據下發到數模轉換裝置驅動各種二次設備動作，通過培訓室內的各種一次二次設備可監測到一個完整的電力系統動態。通過開發并建立一個基于數模混合仿真技術的繼電保護仿真培訓系統，能夠系統地、快速地培訓繼電保護專業人才，提高繼電保護人員的專業知識水平和業務技能，以適應電網的發展，從而更好地保護電網的安全運行。

關鍵詞：數模轉換 HELP裝置 故障模擬 二次仿真

1 概述

隨著電網的不斷擴大、繼電保護及變電站綜合自動化技術的不斷發展，對從事繼電保護工作人員的專業知識與技術要求越來越高。而呂梁供電分公司，由于地域差異和歷史發展等原因，技術人才嚴重匱乏，特別是繼電保護專業人才更是如此。通過開發并建立一個基于數模混合仿真技術的繼電保護仿真培訓系統，來系統地、快速地培訓繼電保護專業人才，以提高我們繼電保護人員的專業知識水平和業務技能，以適應電網的發展，從而更好地保護電網的安全運行。在繼電保護人員的培訓環節上，通常采用單純的繼電保護測試儀進行培訓學習，但是變電站二次系統復雜難以模擬，其逼真度難以達到與真實變電站一致的效果。基于數模混合仿真技術的變電站仿真培訓系統能模擬電網的正常、故障下的運行狀態，同時可將正常或故障數據下發到數模轉換裝置來驅動各種二次設備，培訓室內的各種二次設備可監測到一個完整的電力系統數據。

2 系統設計

2.1 設計內容。仿真系統中可以擴充的應用特需的元件模型、參數、畫面等也應基于基礎支撐平臺進行統一擴充。基于數模混合仿真技術的變電站仿真培訓系統主要的各個模塊及其功能如下：①一次系統穩態仿真：穩態培訓模擬基于動態潮流計算，針對電力系統的靜態特性，考慮電力系統的發電、負荷以及其它裝置的頻率特性，計算快速、準確，能有效地反映電網在無穩定問題時電力系統的相應特性，構成電網中長期仿真的基礎。②一次系統動態仿真：采用全動態仿真技術對各種不同的簡單故障、復合故障進行暫態、中期、長期動態模擬，給出動態過程中的電壓、搖擺角、頻率、線路潮流、短路電流等模擬結果，同時將故障仿真計算結果轉為標準COMETRADE錄波文件。標準錄波文件可能是在培訓過程中由動態仿真軟件準實時生成，也可能是由其它獨立商用仿真軟件離線生成后載入完成。③監控后臺軟件：該監控后臺將完成對實際保護裝置信號的采集和對實際測控裝置信號的采集，以及對模擬斷路器的遙控等，這一部分和常規變電站監控后臺軟件基本一致。同時，該監控后臺將顯示并相應由仿真軟件產生的電網一次系統及二次系統的各種信號以及操作指令，這一部分相當于一個仿真的變電站監控后臺軟件。④數模轉換裝置：負責接收由動態仿真計算結果轉換生成的標準COMETRADE錄波文件，其中包括電壓、電流和開關量，再將錄波文件的數字信號轉換為模擬信號發送給保護、測控裝置，在保護裝置中形成波形回放。

上述各個功能模塊通過過程控制及支持系統連接為一個整體，總體的功能描述如下：

教員可在廠站圖上設置故障，對于教員設定的故障，能夠經動態仿真計算后實時通過數模轉換裝置發送給保護裝置，若滿足動作條件，則保護裝置跳開模擬斷路器。另外，也可以使用離線準備好的故障錄波數據驅動保護裝置動作。

監控后臺系統可實時監視到模擬斷路器的動作以及保護裝置的動作信息，并通過仿真前置反送數字仿真系統，重新形成潮流斷面。在監控后臺上可以對有關模擬斷路器進行遙控操作，其結果同樣通過仿真前置反送仿真系統，重新形成潮流斷面。

站內的功率電壓電流等模擬量首先由仿真系統進行計算模擬，再由仿真前置發送給監控后臺上進行顯示。對于站內沒有配置保護硬件的二次系統，將由仿真軟件進行模擬，相關保護動作信號由仿真前置發送給監控后臺上進行顯示。

2.2 數模仿真技術路線。變電站仿真培訓系統模擬電網的各種運行狀態，正常或故障狀態下的電流、電壓波形可生成COMETRADE格式文件，并實時回放到保護、測控裝置，同時保護、測控裝置狀態實時反饋至數字仿真系統，從而形成了一個完整的仿真培訓場景。教員可在廠站圖中人工觸發各種電氣故障，電力系統動態仿真計算出故障波形，經數模轉換裝置后經功率放大器驅動實際二次設備，故障下保護的相應動作結果通過動作報文反饋給監控后臺，繼電保護人員可以培訓熟悉在實際運行狀態下的保護設備特性，鍛煉電網故障下的分析和處理能力。

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HELP裝置與保護裝置連接示意圖

3 技術創新

3.1 HELP裝置硬件開發，實現數模混合仿真技術，其將仿真的數字量轉換為模擬量，為故障數據的下發提供通道；HELP-9000繼電保護測試裝置是專門為完成傳統高低壓保護、測控、穩控以及數字化保護、合并單元等各類裝置進行測試、仿真而自主開發的一種便攜式多功能繼電保護測試儀器。該項目中使用的HELP裝置為數字化繼電保護測試裝置HELP-9000H，其主要功能是將故障仿真數據下裝，將數據量轉換為模擬量，驅動保護裝置動作。

3.2 HELP裝置接口軟件開發，故障仿真數據由動態仿真程序生成，并實時下發至HELP裝置，進行波形回放驅動保護裝置；變電站仿真培訓系統模擬電網的各種運行狀態，正常或故障狀態下的電流、電壓波形和開關量可記錄到COMETRADE格式文件，并通過數模轉換裝置實時回放到保護、測控裝置，同時保護、測控裝置狀態實時反饋至數字仿真系統，從而形成了一個完整的仿真培訓場景。教員可在廠站圖中人工觸發各種電氣故障，電力系統動態仿真計算出故障波形，經數模轉換裝置后經功率放大器驅動實際二次設備，故障下保護相應動作結果通過動作報文反饋給監控后臺，變電站運行人員可以借助此系統熟悉在實際運行狀態下的保護設備特性，鍛煉電網故障下的分析和處理能力。

4 結論

基于數模混合仿真技術的繼電保護仿真培訓系統重點在于進行事故處理培訓，就是在教練員計算機上設置各種運行方式下的各類故障（可設置線路、母線、主變等設備的單相接地、兩相短路、三相短路故障，也可設置單一故障或由多重簡單故障復合而成的復故障），并在仿真變電站中的控制屏、中央信號屏、繼電保護屏及模擬斷路器上反應。學員根據事故現象、各種信號等進行綜合分析、判斷，以確定事故的類型、范圍，快速、果斷地處理事故。通過事故處理培訓，有助于提高學員分析及處理事故的能力，從而保證電網安全穩定運行。

綜上所述，通過認真、仔細的現場使用，基于數模混合仿真技術的繼電保護仿真培訓系統模擬形成了一個完整的實時閉環數模混合仿真培訓場景，為變電站運行人員與繼電保護人員仿真培訓營造了更為逼真的運行環境，有利于快速提高人員的技術水平，能節省大量時間和培訓成本。

參考文獻：

[1]趙曉波.220kV變電站混合仿真培訓系統實現與應用[D].華北電力大學，2011.

[2]邸凱.基于改進邏輯法的變電站繼電保護仿真模型的研究[D].華北電力大學，2011.

[3]劉曲.變電站仿真培訓系統二次設備數據平臺的研究與開發[D].華北電力大學（北京），2003.

[4]郝曉衛，圖木.呼和浩特供電局變電運行仿真培訓系統設計思路[J].內蒙古石油化工，2006.

[5]宋丹.電力系統故障仿真培訓系統的設計與開發[D].大連理工大學，2007.

[6]武衛平，孔玉娟.變電站數字物理混合仿真培訓系統[J].東北電力技術，2010（02）.