直流系統繼電誤動作半實物仿真平臺設計與分析*

劉追，劉振興，王琦

（武漢科技大學信息科學與工程學院，武漢430081）

0 引 言

變電站中錯綜復雜的直流電源供電網絡，用于對繼電器保護裝置、信號系統、斷路器跳合閘、直流充電機、通信UPS等各個子系統提供安全可靠的工作電源。一般含有蓄電池、報警裝置、絕緣監測儀、充電裝置、空氣開關，以及保險等，其接線圖如圖1所示［1］。

隨著變電站規模的擴大、站內電設備的大量使用等因素，隨之給電網帶來“直流系統一點接地引起繼電保護裝置誤動”的頻繁發生。電力系統運行經驗一般認為發電廠、變電站直流系統發生一點接地系統仍能繼續維持運行，但根據現場運行經驗，系統一點接地，同樣可能導致出口保護繼電器的誤動，從而導致變電站主變跳閘或發電廠的發電機組停運，嚴重影響生產［2］。對于一點接地引起的繼電保護裝置誤動作的分析，目前大多采用的技術是利用PSCAD/EMTDC軟件對電廠系統進行仿真分析，得到相關的實驗結果并提出改進的方法與措施［3-4］。但PSCAD/EMTDC軟件只能對系統電磁狀態進行仿真，和實際電力系統之間存在誤差。實物實驗則受硬件設備及環境等因素的影響，往往成本過高，且難以模擬一些極限工況，分析范圍有限。

圖1 直流系統接線圖Fig.1 DC system wiring diagram

綜合上述問題，利用半實物仿真平臺搭建了變電站直流系統仿真模型。半實物仿真亦稱為硬件在回路仿真（Hardware In the Loop Simulation，HILS），是一種將部分硬件實物引入到仿真回路中的仿真［5］，其過程可以分成四個部分：（1）仿真計算機系統；（2）接口；（3）環境模擬設備；（4）被測實物，如圖2所示。其中某一元器件仿真模塊完全由實物替代，將離線仿真和物理實驗有機結合，克服數學模型過于理想化的缺點，使得仿真結果更具真實性。

圖2 半實物仿真系統框圖Fig.2 HILS system structure block diagram

RT-LAB是加拿大Opal-RT公司開發的一套基于模型的仿真系統平臺軟件包，可以讓設計者將基于MATLAB/Simulink以及MATRIXx/SystemBuild等圖形化建模工具所搭建的動力學系統和數學模型，通過上位機和多處理器目標機的模式，在實時仿真平臺上運行。RT-LAB仿真器支持種類非常廣泛的商用貨架I/O產品，它將I/O設備接口制作成Simulink模塊，供Simulink模型中設置和調用，而無需開發Simulink接口［6］。RT-LAB半實物仿真平臺近年來來在多所高校和科研機構中得到使用，其研究成果大量應用到電網、新能源、航空航天等行業領域［7-10］。

在RT-LAB軟件中建立變電站直流系統仿真模型，并將繼電器實物取代仿真模型中的繼電器模塊，形成半實物仿真分析平臺，利用平臺分別對接地電阻和長電纜分布電容對變電站直流系統繼電器誤動作的影響進行分析。

1 直流系統接地模型

變電站直流系統常見的接地故障有正極接地，負極接地和繼電線圈接地。對于直流系統接地故障的監測目前大多仍采用電橋法，這種方法的絕緣監測裝置由信號部分和測量部分兩部分組成。根據實際變電站直流系統的工作狀態和繼電器設備的特性，通過參考文獻［11］，得到如圖3所示負極接地等效電路圖，R為絕緣監測裝置中的平衡橋電阻，R1和R2為絕緣監測裝置中的切換橋電阻，C1和C2分別為正負極所有設備對地電容總和，C3是長電纜分布電容。Rj1是繼電線圈串聯電阻，Rj2是繼電器線圈電阻，Lj則為線圈的電感。系統正常運行時會有微小的電流流經繼電器，但是并不會引起繼電器動作。而當系統發生一點接地時，電橋不再維持平衡，流經繼電線圈的電流增大，則可能會引起繼電器斷開。本文主要討論直流負極接地情況，設負極接地電阻為Rd。

圖3 等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram

初始狀態下開關K1、K2均保持閉合，接著系統發生故障接地，接地電阻為Rd，之后的切換橋的投切過程是首先K1斷開，K2保持不變，然后K1閉合的同時K2斷開。投切過程會產生電流Ij流過繼電器阻抗Zj，線圈阻抗產生電壓Uj，如果Uj超過繼電器動作電壓0.6UD（UD=24 V）時，則引起繼電器控制的開關誤動。

2 半實物仿真平臺搭建

2.1 仿真模型

根據系統等效電路圖，建立仿真模型。在RT-LAB里所有頂層子系統的命名都要含有一個前綴以區分它們的功能，將直流系統及其信號輸出模塊封裝成SM_MAIN主計算子系統，將仿真信號采集及其觀測模塊封裝為SC_SCOPE控制臺子系統。對模型進行分割劃分后，在每個子系統信號輸入端添加OPComm模塊對每個子系統的輸入量進行同步。圖4為直流系統負極接地實時仿真模型的SM_MAIN子系統，元件參數見表1。

圖4 實時仿真模型的子系統模型圖Fig.4 Subsystem of RT-LAB model

表1 部分元件參數Tab.1 Partial components parameters

其中R3為直流電源DC的內阻，Step用來控制電阻Rd的接地時間，Step1、Step2和Step3、Step4分別用來控制K1和K2的斷開和閉合時間，兩次開關動作的時間間隔要能夠使系統達到穩定。本次仿真的目的是分析K1/K2斷開閉合的過程中，在已設定的電路元件參數下，繼電器兩端的電壓是否會達到其動作電壓，即是否會引起繼電器產生保護誤動作，得到如圖5所示的線圈電壓仿真波形圖。

由圖5可知，在t=0 s～8 s之間，由于長電纜分布電容C3的存在，繼電器線圈電壓為0。由于發生了直流系統負極電阻Rd接地故障，繼電器線圈電壓波形在8 s時有輕微波動，之后衰減為0。t=15 s，開關K1斷開，K2保持不變，電容C3開始充電，線圈電壓變為負，當電容充電完成后電壓重新回到0。t=25 s時，K1閉合同時K2斷開，C3開始放電，線圈電壓急劇上升。

圖5 實時仿真繼電器線圈電壓波形Fig.5 Voltage waveform of real-time simulation relay coil

上述仿真中，當繼電器端電壓Uj超過繼電器動作電壓0.6UD時，會引起繼電器控制的開關誤動作。通過觀測電壓波形圖可知，最大波動電壓值為14.5 V，已經超過動作電壓，繼電器狀態理論上會從閉合變成斷開。仿真中繼電器由阻感電路模擬，阻感數值通過實物測量得到，其中存在一定誤差。由于該仿真沒有完整展現實物繼電器動作過程，無法確定仿真中的電壓波動能否真實觸發繼電器實物動作。

2.2 半實物仿真模型

eMEGAsim實時仿真器包括上位機和下位機兩部分，上位機使用普通的PC機，運行Windows操作系統以及RT-LAB軟件，下位機使用加拿大Opal-RT公司生產的并行計算機OP5600［12］。

2.2.1 模型

利用實時仿真器，用實物繼電器取代軟件仿真中的繼電器模擬電路，能夠減少模擬誤差，提高仿真精度，同時實時仿真器能夠有效提高仿真速度，將仿真運行速度和實際時間同步，真實模擬繼電器斷開過程。

在RT-LAB軟件模型中用受控電流源取代原繼電器模塊，受控電流源兩端電流代替前后不變，確保直流系統模型中其他支路不會因為該條線路連接實物設備而受到影響，從而保持整個系統仿真模型保持原有電氣特性，系統除繼電器部分外，其他元器件不受實物替代的影響。替代部分原理圖如圖6所示，在該部分中，采集繼電器回路中的電流，并轉換成相同數值的電壓，通過輸入到仿真機中來驅動受控電流源，使原支路上電流與繼電器回路電流相同。為了避免代數環和最大化并行運行，模型中在信號輸入端添加Memory模塊。

圖6 替代部分原理圖Fig.6 Schematic diagram of replacing part

2.2.2 I/O模塊

在SM_MAIN子系統中添加模擬信號I/O驅動模塊OpCtrl ML605EX1，信號輸入端添加ML605EX1 AnalogIn模塊，輸出端添加ML605EX1 AnalogOut模塊。根據圖5的仿真波形可知最大電壓值為15 V左右，選擇BRK37M板卡（±15 V）進行I/O連接。

半實物仿真模型如圖7所示，模型運行時，電壓測量模塊采集受控電流源兩端的電壓，通過BRK37M板卡輸出并與繼電器線圈組成回路，通過電流-電壓互感器采集繼電器回路的電流并轉換成電壓信號經過BRK37M板卡輸入到仿真器中用來驅動受控電流源，同時采集繼電器線圈的端電壓信號輸入系統中，便可在SC_SCOPE中觀測電壓波形。

圖7 半實物仿真模型圖Fig.7 HILS simulation model

2.2.3 繼電器狀態測量回路

半實物仿真分析平臺采用型號ST1-DC24V的繼電器實物。如圖8所示，a為繼電器的實物圖，b為繼電器無勵磁狀態下的原理圖，其中端子1和端子4構成繼電器的控制回路，主要由電阻及線圈組成，端子5和端子6在無勵磁狀態下為常閉、端子7和端子8在無勵磁狀態下為常開。當控制回路兩端的電壓達到動作電壓時，勵磁線圈產生的電磁力會作用于開關，使得端子5和端子6斷開而端子7和端子8閉合。

圖8 ST1-DC24V繼電器Fig.8 ST1-DC24V relay

為了觀察到實物繼電器動作的時間，將常閉端子5、6間串聯直流穩壓電源，并將直流電壓信號通過BRK37M輸入到仿真器中，令其為Ut，則當繼電器閉合時，該直流穩壓電源輸出大小為Ut的直流電壓，繼電器斷開時，則Ut=0，

測量采用到的硬件和接線如圖9所示。圖中a、b、c、d表示為：

a為直流穩壓電源：5 V；b為電流-電壓互感器；c為仿真機外部接線圖；d為BRK37M板卡。

圖9 部分實物及接線圖Fig.9 Partial physical maps and wiring diagram

2.3 結果分析

在PC端RT-LAB程序執行打開模型、編譯模型、分配節點、加載模型、運行以及重置，軟件將會對仿真模型執行分割、編譯鏈接、加載等操作，將仿真模型應用到半實物仿真系統中。仿真波形如圖10所示。

圖10 半實物仿真繼電器線圈電壓波形Fig.10 The HILS simulation waveform

對比圖5和圖10，繼電器端電壓整體波形基本一致，但在幅值上，采用繼電器模型時候最高電壓值為14.5 V（電壓動作值為14.4 V），采用實際繼電器代替原模型后最高電壓值增加了4.83%，達到15.2 V，這是因為模型的簡化的，與實際繼電器內部復雜的結構相比，會有一定的偏差。從圖11所示的Ut波形可以看出，在0 s～25 s時未達到繼電器的動作電壓，則繼電器的開關處于閉合狀態，此時Ut=5 V；當運行至第25 s的時候，波形發生向下階躍，表明此時實物繼電器端電壓超過動作電壓值，繼電器斷開；當運行至27 s左右時，波形發生向上階躍，表明繼電器端電壓下降到其動作電壓之下，實物繼電器回到閉合狀態。通過半實物仿真結果可確定，在表1參數設置下，當開關K1，K2按序動作時，會引起實物繼電器動作。

圖11 直流電壓Ut波形圖Fig.11 Waveform diagram of DC voltage Ut

半實物仿真系統相較于純仿真來說，會有一些噪聲干擾，但從仿真結果可以看出，半實物實時仿真平臺基本達到了所要求的技術指標，也證明半實物仿真移植到實際系統可行性、便利性。

3 仿真分析

3.1 接地電阻值對繼電器誤動的影響

利用以上搭建的半實物仿真平臺，可以分析直流系統中不同元件參數變化對繼電器動作的影響，本文以Rd為例。在電路中其它參數不變的前提下，不同的接地電阻值有不同的線圈電壓波形圖，如圖12所示的分別為Rd=1 kΩ，10 kΩ和500 kΩ時線圈電壓波形圖。

圖12 不同接地電阻時繼電線圈電壓波形Fig.12 Waveform with different grounding resistances

從圖12可以看出，繼電器線圈電壓波動不僅出現在系統絕緣監測裝置中切換橋電阻投切時，也會出現在發生接地的瞬間，但接地電阻阻值越大，后者的波動幅度越小，因此，其引起的繼電器誤動作主要是發生在低阻值接地狀況下。采集波形的極值點并繪制出如圖13所示的接地瞬間線圈電壓最大值Ujmax1與Rd的關系曲線，而圖14則為切換橋電阻投切時，線圈電壓最大Ujmax2和最小值Ujmin與Rd的關系曲線。

從圖14可知，Ujmin雖然有明顯的變化，但其并不能達到繼電器的動作電壓，因此不會引起誤動作。當接地電阻Rd在0 kΩ～100 kΩ時，Ujmax2隨著Rd增大而明顯增大，并很快達到動作電壓；當Rd大于100 kΩ時，接地電阻對于平衡橋電阻的端電壓分配影響較小，Ujmax2趨于穩定，因此，這種情況引起的繼電器開關誤動作主要發生在高阻接地的狀態下。

圖13 Ujmax1與Rd的關系圖Fig.13 Relationship curve between Ujmax1 and Rd

圖14 Ujmax2和Ujmin與Rd的關系曲線Fig.14 Relationship curve between Ujmax2，Ujmax1 and Rd

3.2 分布電容對繼電器誤動作的影響

由于電路的分布特點而具有的電容叫分布電容。在直流系統中，分布電容的存在對經長電纜跳閘的回路和出口繼電器誤動作都有很大的影響。下圖是繼電器線圈兩端最大電壓與分布電容值的關系曲線。

圖15 Ujmax與C3的關系曲線Fig.15 Relationship curve between Ujmax and C3

如圖15所示，繼電線圈最大電壓Ujmax隨著分布電容C3的增大而先增后減，而且在C3為30μF～350μF間，繼電器線圈的上的電壓均有可能會超過繼電器的動作電壓，從而引起誤動作。在變電站直流系統中，往往會因為設備老舊或地面潮濕的外界因素導致電容的增大，因此，根據實際情況，預留一定的余量，減少繼電引起的誤動作。

4 結束語

在發生電阻接地的變電站直流系統中，系統絕緣檢測裝置中的切換橋電阻投切時，引起繼電器線圈端電壓超過動作值而引發的開關誤動作，從而帶來安全隱患。

本文搭建直流系統負極接地的半實物仿真平臺用于模擬系統故障狀態，直接采用實物繼電器與仿真模型相連接，在減少對繼電器進行仿真建模的同時，也能夠實時展現實物繼電器的動作全過程，便于觀察分析。同時，對比文中所搭建的半實物仿真和全模型仿真的結果可知，前者造成繼電器線圈電壓波動明顯大于后者，引起實際繼電器動作的可能性也可能會更大，因此需要根據工程人員更大范圍地調整系統參數才能降低電壓波動，從而減小繼電器誤動作的可能性。最后利用該平臺，分析了接地電阻和分布電容兩個重要參數對繼電器誤動作的影響，并得到了不同參數與繼電線圈最大電壓波動的關系曲線，這對于實際調試有一定的參考價值。

后續可利用搭建的半實物仿真平臺研究不同系統參數對于繼電器誤動作的影響，達到通過調整變電站直流系統中各項參數去減少繼電器誤動作的目標。