繼電保護仿真案例庫系統開發研究

廖小君?韓花榮?黃忠勝?王婷婷

摘要：國內外對繼電保護案例分析仿真是通過暫態分析軟件或動模試驗進行，但一般用于對系統或保護裝置的性能試驗，不針對培訓。就如何利用數字動模系統DDRTS對繼電保護典型缺陷和四川典型事故進行仿真重演，結合實際保護培訓設施設備，進行高層次的繼電保護帶負荷測試、故障查找和分析及簡單、復雜事故分析的架構與實現方式方法等問題進行了研究。

關鍵詞：繼電保護；仿真案例庫；DDRTS；測試

作者簡介：廖小君（1974-），男，四川榮縣人，國網四川省電力公司技能培訓中心，副教授；韓花榮（1981-），女，山西壽陽人，國網四川省電力公司技能培訓中心，講師。（四川 成都 610072）

基金項目：本文系四川省電力公司群眾創新科技項目的研究成果。

中圖分類號：TM74 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）15-0230-03

目前，國網公司系統建成了多個先進的繼電保護培訓實訓基地，配置了良好的繼電保護實訓設備，可以開展各種保護設備的技能操作培訓，但對于保護系統的仿真案例庫培訓系統，尤其利用真實的保護設備開發相應的事故案例分析培訓模塊目前尚未進行開展。各電力科學研究院利用各種動模系統可開展各種保護設備的動模試驗，但一般用于對系統或保護裝置的性能試驗，不針對培訓，并且僅限于保護裝置，不涉及保護二次回路等。

下面就利用DDRTS仿真系統或其他保護測試系統結合實際的保護實訓基地開展繼電保護仿真案例庫開發的有關問題進行研究，包括仿真案例庫系統應具備的功能應用、系統構成方式研究，并對兩種方式的構成進行了測試，對測試結果進行了分析，提出了開發存在的問題和改進方法，并對以后的應用前景進行了分析。

一、DDRTS系統仿真應用情況

目前培訓中心擁有一套和 RTDS類似的數字動態實時仿真系統DDRTS（Digital Dynamic Real Time Simulator），是一個軟硬件結合的電力系統數字仿真與試驗裝置。DDRTS由大型電網仿真軟件和高速通信系統、信號轉換及輸入輸出系統等硬件設備組成。利用電磁暫態仿真軟件可建立全數字的仿真系統模型，對電力系統進行實時仿真模擬，將繼電保護裝置和安全自動裝置試驗所需的電壓、電流等信號經通訊卡輸出，通過數模轉換和電壓、電流放大器送入需要試驗的繼電保護裝置和安全自動裝置中以進行裝置的實時試驗。同時繼電保護裝置和安全自動裝置的響應信號可實時反饋回計算機形成閉環試驗。

DDRTS系統由于可以進行實時閉環測試，因此對于擁有和實際變電站類似的保護系統進行試驗及培訓具有良好的效果，尤其對于較復雜的保護動作培訓，但如何充分利用DDRTS的特點進行適合現場人員培訓的事故案例仿真培訓是一個值得研究的課題。目前DDRTS應用于現場一些簡單的事故回放和一些保護裝置的閉環測試等情況較多，但對于保護系統的用于現場培訓的仿真案例開發則很少。

二、仿真案例庫系統功能

仿真案例庫的開發以典型事故案例結合崗位培訓教程中事故分析、帶負荷測試、綜合故障處理等培訓和考核模塊進行仿真，仿真的事故包括正常工作狀態、保護正確動作和不正確動作。其中正確動作的分析以典型錄波分析為主，開展典型故障特征及錄波分析方法培訓，并給出標準化事故分析簡報模板供進行正確匯報事故借鑒。該部分仿真庫的開發重點在于培訓事故分析方法，和培訓學員查看錄波及分析事故流程。不正確動作事故則根據不正確動作原因，包括二次回路故障、設置錯誤、整定錯誤、誤操作等，重點在于培訓學員能夠根據仿真庫仿真的現象及錄波數據進行分析和判斷或故障查找及排除（如果涉及回路故障）。

仿真案例庫建設能夠滿足繼電保護較高層次的培訓，如技師、高級技師、優秀技能人才選拔、競賽比武。案例庫內容選擇應考慮不同的難易程度、基本案例（如帶負荷測試）、正確故障分析、簡單案例（如單一回路故障、壓板或控制字設置等）、復雜案例（如整定配合、系統故障、保護裝置缺陷、復雜故障等）。

仿真案例庫開發應充分和繼電保護專業培訓課程體系結合，其開發成果包括了繼電保護專業培訓和考核標準的多個模塊，包括以下內容：故障錄波報告調閱模塊；110kV線路、變壓器、母線等保護帶負荷測試、故障錄波動作分析模塊；220kV線路、變壓器及母線保護帶負荷測試、故障錄波動作分析模塊；典型保護裝置和回路故障查找和排除模塊；復雜案例事故分析模塊。

三、仿真案例庫系統實現架構研究

為充分滿足實際培訓的需求，仿真案例庫在實現架構上需考慮許多問題，包括：仿真模型系統如何搭建；DDRTS和實際保護裝置及二次回路等物理設備的交互；其他相關系統的接入；故障模擬及考核方式等。除仿真案例網絡模型外，還包括了培訓時實施方案，如試驗時涉及到的保護設備、是否對保護型號有要求、試驗接線（電流電壓接入方式、電流串接設備、故障錄波和監控系統接入和測試方式、開關和刀閘狀態接入和測試方式）、故障模擬設置、考核方式（如波形分析、負荷測試、回路查找、事故判斷方法等）。

1.仿真案例庫模型搭建及相關設置

仿真案例庫的模型搭建是一個很重要的問題，首先模型應該和接入的實際保護設備的一次接線滿足一致，這樣才能保證保護動作行為的正確性和合理性。其次，仿真案例庫的運行方式應當靈活，以適應不同的培訓需求，如可以方便調整潮流，以靈活地開展帶負荷測試等培訓模塊，或者進行不同的故障設置模擬。最后，仿真案例庫的搭建應考慮一定的擴展性，尤其外部等值系統的考慮以及和安控系統的接口等等。220kV保護實訓室仿真案例庫模型如圖1所示。

2.數字物理混合仿真案例測試系統搭建

一般的數字物理混合系統主要考慮仿真直接和保護系統接入，不會考慮和外部回路進行接入，但作為一個用于培訓的保護仿真，則應考慮對保護回路的完整測試。

（1）交流信號輸入系統。交流信號輸入系統應通過交流信號二次回路送入到保護設備，以方便對保護二次回路的有關缺陷查找和排除模塊進行培訓，為此，保護培訓設備應有較完善的保護輸入二次回路，一般可采取接口屏或者設置端子箱模擬屏以模擬CT端子箱和PT端子箱。對于交流回路，考慮到節約放大器，可采用電流放大器輸出后通過接口屏將需要測試的各保護、錄波等設備串接起來，這樣實現在本間隔的多個設備聯動。以線路保護為例，其電流包括線路保護1、線路保護2和故障錄波裝置。

（2）跳閘回路接入。一般的動模系統直接接入保護跳閘和合閘接點，進行保護有關動作行為實驗。但作為培訓，保護的控制回路是非常重要的一環，較方便的模式是保護均通過模擬斷路器實現完整的跳閘回路，仿真系統通過模擬斷路器輔助接點引入，實現閉環測試。應注意的是，模擬斷路器應滿足雙跳圈的功能，并應具備完善的信號輸出。

（3）模擬刀閘系統接入。完善的二次回路還應考慮一次刀閘信號的接入，為此應配置一套完善的模擬刀閘系統，接入相關二次設備。對于仿真系統，在進行諸如充電保護等仿真動作時宜接入模擬刀閘信號，從而更準確地進行仿真試驗。

3.其他系統接入

（1）故障錄波系統接入。仿真案例的重要功能是進行事故案例分析培訓，因此必須接入故障錄波系統，故障錄波系統應接入完整的錄波信號，包括保護信號和斷路器跳閘位置信號。同時錄波電流電壓應和保護系統一致。

（2）監控系統接入。為更好地進行較復雜的保護事故分析培訓，應考慮接入監控系統，尤其在進行事故案例分析時應和監控系統一同進行仿真，為此方案考慮了接口屏包括保護接口屏和測控接口屏，以實現較復雜的案例仿真。

（3）故障信息系統接入。220kV系統考慮了一套故障信息系統，在進行案例仿真時將其接入可更好地開展故障信息系統的培訓，因為故障信息系統的培訓可能涉及多個保護甚至多個站的動作行為才能更好地對其進行培訓。

（4）通道接入。通道接入主要是通信系統，保護涉及到的專用光纖通信系統和復用光纖通信系統對于涉及光纖保護的仿真時尤為重要。

4.系統整體架構

系統整體構架如圖2所示。

5.故障模擬及考核方式

繼電保護仿真案例庫的開發應包含仿真案例及培訓實施方案，其測試內容及需記錄的內容包括：保護動作信號、相關狀態記錄、相關保護動作錄波、故障錄波、監控記錄。該部分通過圖片和錄波圖的方式以附件的報告形式完成，便于進行離線培訓。

仿真案例庫的開發主要依靠DDRTS進行各種信號的仿真和模擬及培訓。為了使培訓能夠讓學員參與案例庫的相關案例的測試和培訓，案例庫的各種測試模型可以由DDRTS測試后，輸出為故障波形文件，這樣可以通過多個測試儀進行同步輸出，可以在培訓過程中進行多組培訓，解決了只有一套DDRTS系統而不能同時開展多個培訓任務的問題。

四、系統開發問題及應用前景

1.開發有關問題

（1）仿真案例的選取具有一定的局限性，現場發生的相關案例有些屬于二次回路缺陷、雷擊、非電量等，用DDRTS難以模擬。

（2）仿真案例中有些需要較大的故障量輸出，但受制于放大器30A的最大輸出，因此需要對仿真模型等進行調整，一定程度上影響了針對性。同時，原來的放大器帶負載能力不夠，也影響了仿真的實用性。

2.應用前景

仿真案例庫的開發成果已經用在了繼電保護優秀技能人才選拔、保護競賽、履職能力崗位培訓等科目中，取得了很好的實踐效果。后續可以在以下領域發揮更大作用：

（1）利用仿真案例庫可以擴展保護和安控系統的聯合仿真培訓。

（2）如果有繼電保護故障信息培訓系統，利用仿真案例庫可以更好地對故障信息系統培訓進行有益的補充。

（3）現場仿真培訓：繼電保護仿真案例庫可以很好地用在繼電保護崗位培訓的簡單事故分析、帶負荷測試、保護缺陷分析和查找、動作報告分析、復雜事故分析等培訓模塊中。DDRTS離線輸出的相關案例也可以用于保護人員現場進行學習和測試、提高現場培訓效果。

（4）自動化系統培訓。仿真案例庫開發建設的建模方法、測試技術和方法可以為自動化子站、主站、智能變電站等仿真案例庫的開發積累豐富的經驗，促進這些專業技能培訓能力的提升。

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（責任編輯：王祝萍）