智能變電站繼電保護仿真案例庫研究

黃忠勝,劉 娟,廖小君,王婷婷,韓花榮,劉興海

(1.國網四川省電力公司技能培訓中心，四川 成都 610072; 2.國網成都供電公司，四川 成都 610081)

智能變電站繼電保護仿真案例庫研究

黃忠勝1,劉 娟2,廖小君1,王婷婷1,韓花榮1,劉興海1

(1.國網四川省電力公司技能培訓中心，四川 成都 610072; 2.國網成都供電公司，四川 成都 610081)

結合數字物理混合仿真系統和110 kV實訓智能變電站對繼電保護仿真案例庫開發的有關問題進行研究，包括數字物理混合仿真系統架構研究與智能站繼電保護案例庫開發方案，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。該仿真案例庫的開發有效地提高了智能變電站的培訓效果。

數字物理混合仿真系統；智能變電站；仿真案例庫；培訓

0 引 言

智能變電站作為堅強智能電網的重要基礎和節點支撐，是必不可少的建設內容。隨著智能變電站的相繼投運， 為滿足智能變電站檢修和運行人員的培訓需求，國網四川省電力公司技能培訓中心于2011年建成一座110 kV實訓智能變電站，主要作為教學培訓使用。 由于智能變電站技術是新事物，智能變電站培訓工作需要借助數字信號仿真這樣的先進工具，開發智能變電站繼電保護仿真案例庫能夠滿足繼電保護和變電運行人員的培訓，并能承擔變電站整組復雜調試、故障排查分析等高層次培訓。

1 數字物理混合仿真系統架構研究

仿真系統采用數字物理混合仿真技術，充分利用110 kV實訓智能變電站現場真實的物理設備，實現實時電網仿真與真實的物理設備無縫對接，實現了智能變電站數字物理混合仿真。智能變電站混合仿真需要對仿真變電站及其相鄰線路組成的局部電網采用電磁暫態模型，通過電磁暫態計算實時輸出變電站正常運行和事故狀態下的電壓和電流波形，實時反映保護動作后電網或變電站的電壓和電流信號的動態特性。通過信號輸入輸出接口裝置，智能一次設備操作機構模擬裝置、電子式互感器模擬裝置等，將電磁暫態仿真系統和真實二次設備有機結合起來，實現了數字仿真與實際二次設備的無縫連接。智能變電站混合仿真可以將數字仿真設備和真實的二次設備放置于同一個仿真系統中有機連接、靈活配置，構造了更為逼真的運行環境，更加有效的對智能變電站繼電保護和運行人員進行培訓。圖1是展示了數字物理混合仿真系統的結構。

1.1 軟件系統

電磁暫態仿真軟件采用并行計算技術、綜合友元法以及輸電線路任意點故障在線仿真算法實現實時電磁暫態仿真軟件的長期連續穩定運行能力、高實時性及強交互性。該軟件建立了交流電壓源、多相分布參數輸電線路、變壓器、負荷、斷路器、整流器、逆變器、交直流濾波器、平波電抗器各類刀閘以及集中電阻、電感和電容等一次設備的電磁暫態模型，建立了母線、線路、變壓器等設備的短路和斷線等故障模型，也可以進行任意的組合以構建更為復雜的復合故障模型。

圖1 仿真總體結構

1.2 采樣值輸入系統

智能變電站采樣值輸入的實現有兩種方案：一是模擬電子式互感器，電流電壓數字信號接入合并單元；二是模擬合并單元，將IEC 61850-9-2采樣值報文直接接入保護測控裝置[1，2]。考慮到培訓的針對性和靈活性，數字物理混合仿真系統具備這兩種方案的功能，在系統設置中對這兩種方案可以方便地切換。

1.2.1 電子式互感器的模擬

電子式互感器模擬系統是模擬電子式互感器輸入輸出信號的設備，可以按照現場配置與過程層設備相連，主要用于過程層合并單元運行和檢修技能的實訓。

電子式互感器模擬系統可以模擬基于羅科夫斯基線圈的互感器(簡稱羅氏互感器)和基于法拉第磁旋光效應的電子式電流互感器、基于電阻或電容分壓原理(電子式)和基于Pockets效應(光學)的電子式電壓互感器。按照現有主流廠家的電子式互感器通信規約，提供光纖串口輸出，實現與不同廠家合并單元的連接。可以根據不同廠家產品設計，接受合并單元的觸發脈沖信號，按照合并單元的控制輸出采樣值；也可以按照固定采樣頻率自動向合并單元輸出采樣值。

考慮仿真站采用二次設備廠家、型號較多，接口方式復雜，為減少投資和提高系統可擴展性，優先采用集中設計、統籌配置、靈活設置的電子式互感器模擬裝置模式。

1.2.2 合并單元的模擬

遵照IEC 61850-9-2標準，模擬過程層合并單元發出的通信報文，將電磁暫態仿真計算結果波形實時轉化為通信信息發送，為間隔層設備提供真實可靠的仿真數據源，實現智能變電站中合并單元的模擬。

集中式合并單元模擬裝置采用集中配置方式，可以提高設備利用率。為確保仿真實時性的要求，不同合并單元的模擬采用獨立網絡接口，帶寬不低于100 Mbit/s，即可實現點對點接入保護裝置，又可采用組網方式接入交換機設備。

1.3 GOOSE變位接入系統

常規變電站仿真系統通過斷路器(或模擬斷路器)輔助接點引入，實現閉環測試。智能變電站與常規變電站相比，雖然也是通過模擬斷路器輔助接點引入，但信號是斷路器GOOSE變位報文，而且所有斷路器GOOSE變位報文都會經過GOOSE交換機[3]，所以在回路上只需要有光纖從仿真系統連接到GOOSE交換機，在配置上設定相應的GOOSE訂閱，仿真系統能較方便地采集實際斷路器位置信息，完成整組閉環試驗，此方式是仿真系統的“外部控制”方式。如果仿真系統的開關位置按照仿真建模的方式運行，不需要外部真實的開關位置信息，此方式是仿真系統的“內部控制”方式。

1.4 過程層模擬設備配置

實訓智能變電站110 kV保護、測控裝置通過合并單元接收電流、電壓信息；10 kV保護測控裝置接常規互感器。其中110 kV線路保護和主變壓器保護雙重化配置，第一套采用SV點對點方式接入合并單元模擬系統，第二套采樣值采用SV組網方式接入；110 kV備自投、內橋測控裝置、電度表、故障錄波及網絡分析儀設備的采樣值采用SV組網方式接入。

2 繼電保護仿真案例庫開發方案

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；仿真系統和實際保護裝置設備的信息交互；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、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)。

2.1 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。圖2是按照110 kV實訓智能變電站搭建的一次設備模型。

圖2 110 kV實訓智能變電站一次模型

2.2 仿真案例開發方案

仿真案例庫開發充分和智能站繼電保護培訓課程體系相結合，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，每個仿真案例應包含仿真案例說明和培訓實施方案。仿真案例說明主要闡述該案例的分析說明、仿真的系統參數等，以便培訓時提供給培訓師使用。培訓實施方案主要包括故障前運行方式說明、保護相關定值、保護動作記錄、故障錄波報告、事故分析考核模塊，培訓時提供給學員使用，該部分通過圖片和錄波圖的方式以附件報告的形式完成，便于進行離線培訓。

目前結合110 kV實訓智能變電站的保護裝置，已完成110 kV線路保護、主變壓器保護、110 kV備用電源投入裝置的繼電保護仿真案例。仿真案例庫主要包括3個方面的內容：保護裝置帶負荷測試、典型故障仿真和典型事故仿真。仿真模型能方便進行各種潮流的調整，通過設置虛端子回路故障、修改TA變比等[4]，讓培訓學員掌握帶負荷測試方法、儀器使用、分析和查找回路問題的方法。典型故障仿真庫建設通過仿真系統仿真包括瞬時性故障、永久性故障、非全相故障、高阻接地故障等。通過仿真系統模擬保護正確動作，通過分析保護裝置的動作報告和錄波報告，讓培訓學員了解光纖差動保護、距離保護、零序保護及自動重合閘等保護正確動作時的動作行為，學會進行保護和故障錄波裝置典型錄波報告的分析，掌握分析判別典型故障的特征。典型事故案例庫的建設以近3年國網四川省電力公司典型保護事故案例以及各種保護選拔和競賽典型回路故障為參考，精選有代表性的保護不正確動作案例。利用典型事故案例庫，可以讓培訓學員掌握較復雜的事故分析方法、培訓學員綜合利用系統知識和技能知識的能力。

3 系統開發問題及應用前景

3.1 開發有關問題

仿真案例庫開發過程中的主要問題包括以下幾點。

(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如電子式互感器雙A/D采樣異常、丟幀、錯序等，用仿真系統目前難以模擬。

(2)目前該庫仿真的變壓器保護、線路保護都是110 kV電壓等級的裝置，其虛端子二次回路與220 kV及500 kV智能變電站比較相對簡單，故障類型較少。待以后培訓基地有220 kV及以上電壓等級的智能變電站保護設備后，可以考慮擴展該庫的內容，滿足220 kV及以上電壓等級的培訓需求。

3.2 應用前景在仿真系統平臺上完成的繼電保護動作案例，收集案例的參數設置、動作報告和故障波形，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，即該案例庫可以在實訓站的仿真系統上故障再現，也可以脫離110 kV實訓智能變電站離線使用，培訓地點靈活。通過變壓器保護、線路保護、備自投裝置案例，使智能變電站繼電保護常見的保護動作行為和帶負荷測試分析得到了完整的、具體的呈現，便于學員理解和掌握。

目前該案例庫已在國網新員工培訓和智能變電站技術培訓班中使用，在實訓操作培訓之后，再使用案例具體地分析故障過程，易于學員理解，加深印象，取得了良好的培訓效果。后續可以在以下領域發揮更大作用。

(1)利用數字物理混合仿真系統和110 kV實訓智能變電站的現場設備，可以開展變電運行和廠站端自動化專業的培訓。

(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做有益的補充。

(3)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的能力提升。

[1] Q/GDW 383-2009，智能變電站技術導則[S].

[2] Q/GDW 426-2010，智能變電站合并單元技術規范[S].

[3] Q/GDW 428-2010，智能變電站智能終端技術規范[S].

[4] 高亞棟，朱炳銓，李慧,等．數字化變電站的“虛端子” 設計方法應用研究[J]．電力系統保護與控制，2011(5): 120-123．

黃忠勝(1982)，碩士，講師，從事繼電保護方面研究；

劉 娟(1984)，學士 ，助理工程師，主要研究方向智能用電和配電自動化；

廖小君(1974), 碩士，副教授，從事微機繼電保護方面研究及信息系統的研究；

王婷婷(1977)，大學，高級工程師，從事繼電保護方面研究；

韓花榮(1981)，碩士，講師，從事繼電保護方面研究。

Combined with the digital-physical hybrid simulation system and the training of 110 kV smart substation, the relevant problems about the development of case database for relay protection simulation are studied, including the research on the structure of digital-physics hybrid simulation system and the development scheme for case database of relay protection in smart substation. The existing problems of the development and its improvement methods are proposed,and the future application is analyzed. The development of simulation case database can effectively improve the training effect of smart substation.

digital-physical hybrid simulation system; smart substation; simulation case database; training

2014年國網四川省電力公司科技項目(521922140003)

TM74

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1003-6954(2015)01-0006-03

2014-12-22)