基于RTDS的集中式保護動模試驗研究

李鵬里，金世鑫，李 華

（1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015）

專論

基于RTDS的集中式保護動模試驗研究

李鵬里1，金世鑫1，李 華2

（1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015）

集中式保護是由許繼電氣公司研發的適用于智能變電站的保護裝置，該項技術于2012年8月首次應用于工程實際中，保護裝置采用簡化集成的設計理念，實現了采樣SV（IEC61850－9－2）、GOOSE及IEEE1588三網合一的過程層網絡接入方式。文中應用數字仿真儀（RTDS）作為測試平臺，搭建了智能變電站一次系統模型，通過動模試驗對集中式保護裝置的功能進行測試，提出了220 kV線路、元件、母線保護以及66 kV備自投功能的測試方法，在試驗中發現并解決了集中式保護軟件功能及虛端子配置的一些問題。

集中式保護；RTDS；虛端子；GOOSE；IEEE1588

1 集中式保護概述

1.1 簡介

集中式保護是由許繼電氣公司研發的適用于智能變電站的保護裝置，采用簡化集成的設計理念，從技術上已經實現將同一電壓等級的所有線路保護及測控功能集成在1臺裝置上，將同一電壓等級的所有元件（母線、母聯）及母線保護及測控功能集成在另1臺裝置上［1］。集中式保護盤柜配置如圖1所示，220 kV裝置（1）實現3臺主變、220 kV母線、220 kV母聯保護測控功能，裝置（2）實現8條220 kV線路保護測控功能，裝置（3）、（4）作為熱備用裝置功能同裝置（1）、（2）。66 kV裝置（1）實現66 kV母線保護功能，6臺電容器、1臺所用變保護測控及計量功能，裝置（2）實現13條66 kV線路、間隔保護測控及計量功能，裝置（3）、（4）為B套裝置，功能同裝置（1）、（2）。

1.2 組網方式

集中式保護采用SV（IEC61850－9－2）、GOOSE及IEEE1588三網合一的過程層網絡接入方式［2］，裝置組網結構如圖2所示。

SV通過劃分VLAN的方式將SV數據傳輸保護裝置，再通過保護內部接口程序將各智能單元的SV分別打包后送至CPU進行邏輯處理；GOOSE不劃分VLAN，保護及測控發出的GOOSE報文通過交換機發送至智能單元，智能單元內部已經配置好有效的GOOSE，會過濾掉不匹配的GOOSE報文；由于過程層交換機及中心交換機相互級聯，主時鐘發出的IEEE1588對時報文會傳送至所有交換機及智能單元，實現過程層對時。

圖1 集中式保護配置

220kV保護采用單網雙套的配置方案，即統一網絡下采用2臺裝置（1臺為運行態，1臺為檢修態），保護裝置檢修時A網不用退出，將熱備態裝置投入運行，66 kV保護采用傳統的單網單套配置，保護裝置檢修時A網需要退出運行，切換至B網運行。

2 何家智能變電站RTDS測試模型

2.1 一次系統模型

模型由220 kV智能站側5條出線，220 kV傳統站側5條出線，無窮大系統，發電機，220 kV母線，220 kV母聯，3臺主變，66 kV母線，66 kV母聯，3條66 kV線路，66 kV側負荷構成。

2.2 開關量閉環系統

應用RTDS進行何家變電站全站一次系統建模，利用與RTDS板卡相連接的I／O采集板卡、模擬斷路器以及智能單元構成開關量采集閉環系統，開關量系統搭建如圖3所示［2］。

2.3 模擬量輸出系統

RTDS模型一次電流和電壓可以通過模擬量輸出模型GTAO或DDAC轉化為0～5 V的交流量輸出。傳統站側一次模擬量通過TA和TV轉化成二次值后輸出，通過功率放大器轉化為實際的二次電流及電壓輸入到保護裝置中；智能站側的一次模擬量直接輸出，通過采集器后轉化為FT3格式的數字量輸入至智能單元，最后通過交換機傳送至保護（測控）裝置實現采樣值的輸入，通過合理設置GTAO（DDAC）板卡、采集器以及智能單元的內部變比及系數就可以將實際的一次值采集到保護裝置中，采樣值輸出系統如圖4、圖5所示［3］。

RTDS智能站側模擬量輸出變比設置如式（1）所示，其中K為RTDS模擬量輸出設置變比，UN或IN是系統一次側額定電壓和電流，AN為采集器額定數字量輸出對應的模擬量輸入；RTDS傳統站側模擬量輸出變比設置如式（2）所示，其中KX為功率放大器變比。

3 基于RTDS的集中式線路保護測試方法

3.1 集中式線路保護測試方法

圖2 何家智能變電站集中式保護二次組網

圖3 開關量傳輸閉環系統

圖4 數字站側模擬量輸出系統

圖5 傳統站側模擬量輸出系統

通過在模型上設置各種類型的故障點來模擬線路故障，對集中式線路保護進行測試，檢驗集中式保護內部邏輯以及虛端子是否正確［4］。故障點設置如圖6所示，故障點設在傳統站側線路區外k1，傳統站側開關出口k2，線路中點k3，智能站側開關出口k4，智能站側線路區外k5以及跨線故障k6。線路測試時，將保護投單重。測試需要滿足以下結果：線路區外發生故障，線路差動保護不會誤動；線路區內發生單相接地瞬時故障，保護單跳單重；線路區內發生相間短路故障，保護三跳；線路區內發生單相接地永久故障時，保護單跳單重后加速三跳并發出永跳令閉鎖重合閘；線路區內發生異鳴相跨線故障時，保護動作；柳河2線保護動作同時，其他線路保護不能誤動；將線路保護出口退出，模擬故障線路失靈保護能夠動作；模擬系統振蕩時，線路保護應閉鎖，在振蕩中發生故障時，保護應正確動作，系統頻率偏移時（48 Hz和52 Hz）發生故障，保護應正確動作；傳統站側TA飽和且發生故障電流波形線性度滿足要求時保護應能夠正確判別出是區內故障還是區外故障造成的飽和。

圖6 柳河2線保護測試故障點設置

3.2 集中式線路保護測試發現的問題

a.單一智能單元SV晶振異常后，會導致集中式保護所有線路及元件出現SV斷鏈，從而閉鎖母線保護和元件保護。該問題的原因是保護裝置內部接口程序（NPI）將所有線路智能單元發出SV全部采集編號后才能傳送至CPU進行計算，由于柳河2線晶振損壞導致SV報文只發出2 000幀／s（其他正常線路為4 000幀／s），NPI沒有完成所有間隔的SV采樣及編號就不會將其傳送至CPU進行計算，保護裝置在規定時間內沒有收到各間隔的SV報文導致所有線路及元件SV斷鏈，從而閉鎖全站保護，這是集中式保護接口程序的一個重大問題，單個智能單元發出的SV異常會導致全站保護閉鎖。經過廠家修改程序后，該問題已經解決。

b.220 kV線路失靈GOOSE信號發送方式為1對1，即線路保護動作時只向1套（A1／B1或A2／B2）元件保護發送失靈GOOSE，而沒有向另1套元件保護發送，導致失靈保護動作也為“2取2”方式。由于220 kV是單網雙套配置，智能單元內部配置雙出口繼電器，當A1和A2都為運行態時，智能單元出口策略為“2取2”方式，這就導致線路保護處于某種運行方式時，例如1套運行而另1套投檢修，而元件保護兩套都投運行，此時線路保護動作時只有1套元件保護能夠收到失靈GOOSE報文，導致失靈保護動作無法跳開斷路器。經過與廠家協商后通過修改失靈GOOSE報文的傳送機制解決了問題。

4 基于RTDS的集中式元件保護測試方法

4.1 集中式元件保護測試方法

集中式元件保護集成了母線保護、母聯保護和主變保護的功能，元件保護的測試和線路保護類似，模擬不同類型的區內外故障，檢驗集中式元件保護動作的可靠性，故障點設置如圖7所示，故障點設置分別為：主變66 kV側區外k1，主變66 kV側區內k2，主變220 kV側區內k3，主變220 kV側區內k4，220 kVⅠ母k5，220 kV母聯k6，220 kVⅡ母k7。測試需要滿足以下結果：主變區內故障時，主變差動保護動作；區外故障時差動保護不誤動；主變區外發生永久性故障時，主變高壓側后備或低壓側后備保護動作；主變保護區內故障斷路器未跳開后主變失靈保護能夠正常動作；主變發生區內故障時，其他主變不能誤動作；220 kVⅠ母線或Ⅱ母線發生故障時，母線差動保護應正確動作；母線充電時發生死區故障母線差動應短時閉鎖，通過大差后備瞬時跳開母聯，以防止誤跳正常母線間隔開關；發生死區故障后保護能夠延時封母聯TA，使得另一母線差動保護動作；母線區內故障時母聯未跳開，母聯失靈保護能夠正常動作。

圖7 元件保護故障點設置

4.2 集中式元件保護測試發現的問題

模擬母聯充電于母線死區永久故障時，母線保護沒有按照正確邏輯閉鎖差動保護，誤跳正常母線間隔，經過檢查是由于監控系統發出的手合控制報文沒有發送至保護導致保護沒有判斷出充電故障，經過廠家修改配置文件后該問題解決，當發生充電死區故障時母線大差后備保護動作瞬時跳開母聯，同時會閉鎖差動保護300 ms，避免死區故障誤跳正常間隔的問題［5］。

5 基于RTDS的備自投功能驗證

5.1 集中式保護中備自投功能測試方法

集中式保護備自投功能集成在66 kV元件保護裝置中，利用RTDS對其進行測試可以檢驗備自投功能及其閉鎖邏輯是否正確，許繼集中式保護備自投有4種典型方式。

方式1：一主變帶兩段母線并列運行，另一主變作為明備用，采用主變互投。

方式2：每臺主變各帶一段母線，兩主變互為暗備用，采用分段自投。

方式3：一主變帶兩段母線并列運行，同一側所帶有源線路作為明備用，采用線路自投。

方式4：一主變帶兩段母線并列運行，另一主變作為明備用，同時，同一側所帶有源線路也作為明備用，采用綜合自投時，通過整定合高壓側開關與合有源線路開關時限，來實現先動主變備投或線路備投方式，閉鎖另一備投方式。

故障點設置如圖8所示。

圖8 備自投功能驗證故障點設置

設置1號主變區內故障k1，2號主變區內故障k2，66 kVⅠ母故障k3和Ⅱ母故障k4，測試要滿足以下結果：當主變發生區內故障時，各種方式下的備自投能夠正確動作；當從監控后臺遙分主變開關或發生66 kV母線故障（k3、k4）時，備自投功能應正確閉鎖。

5.2 集中式保護中備自投功能測試發現的問題

利用RTDS進行主變備自投閉鎖邏輯測試時發現遙控分主變開關時，備自投功能未正常閉鎖。原因是遙分開關時測控發出的備自投閉鎖GOOSE與備自投功能中的虛端子連接錯誤。1號主變開關遙分時，應將GOOSE信號作為閉鎖2號主變備自投動作的信號，2號主變開關遙分時，應該將GOOSE信號作為閉鎖1號主變備自投動作的信號，原來的配置正好相反，所以導致遙分開關時備自投功能沒有閉鎖，修改虛端子連接后，該問題已經解決。

6 結束語

集中式保護應用簡化集成的設計理念，大大減少變電站盤柜、交換機以及二次光纖的數量，節省了運維的成本。但是，由于集中式保護裝置內部配置了大量的虛端子，無法像傳統保護裝置那樣便于進行靜態測試，因此，利用RTDS建模進行保護動模試驗無疑是一種行之有效的測試方法。本文的主要工作是利用RTDS作為測試平臺，搭建了智能變電站一次系統模型，通過動模試驗對集中式保護功能進行測試，研究了220 kV線路、元件、母線保護以及66 kV備自投功能動模試驗的方法，在測試過程中驗證了保護的功能及邏輯，同時發現并解決了集中式保護軟件功能及虛端子配置的一些問題，使得集中式保護的功能能夠不斷完善，為日后集中式保護的推廣應用提供參考。

［1］ 馬云龍，王來軍，文明號，等.數字化變電站集中式保護應對邊界信息缺失新方法研究［J］.電力系統保護與控制，2011，39（6）：84－89.

［2］ 杜振華，王建勇，羅奕飛，等.基于MMS與GOOSE網合一的數字化網絡保護設計［J］.電力系統保護與控制，2010，38（24）：178－181.

［3］ 金世鑫，李 華，張靜巍，基于RTDS的區域保護備自投功能動模試驗研究［J］.東北電力技術.2014，35（10）：57－60.

［4］ 李仲青，周澤昕，黃 毅，等.數字化變電站繼電保護適應性研究［J］.電網技術，2011，35（5）：210－215.

［5］ 王長春.母線死區保護的完善［J］.東北電力技術，2008，29（12）：13－14，17.

Test Research of Centralized Protection Based on RTDS

LI Peng?li1，JIN Shi?xin1，LI Hua2
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China）

Centralized protection is producted by XU?JI electric company which is used in protection devices of intelligent substation. This technology is first used in practical project in August 2012.The device used simple and integrate design concept，sampling SV（IEC61850?9?2），GOOSE and IEEE1588 merge in process layer is achieved.This paper uses real time digital simulator（RTDS）as test platform，digital substation's primary system model is building，the centralized protection＇s function through the dynamic simulation experiments is tested，test method of line，element，bus protection and the function of prepared from the cast in 66 kV sys?tem are proposed，some problem of centralized protection software function and virtual terminal's configuration in experiments are detec?ted and solved.

Centralized protection；RTDS；Virtual terminal；GOOSE；IEEE1588

TM774

A

1004－7913（2016）01－0001－04

李鵬里（1976—），男，學士，工程師，從事繼電保護研究工作。

2015－10－18）