基于數字動模技術的保護定值現地校核研究

楊勝利 徐在林 程世俊 金小波

（1.四川華能寶興河水電有限責任公司，四川 雅安 625000；2.北京殷圖仿真技術有限公司，北京 100190）

0 引言

從公司繼電保護技術監督現場評價結果及非停分析報告來看，由于保護不正確動作造成的電氣一次設備損壞、事故擴大等事件時有發生，給電力系統和電氣設備安全穩定運行帶來風險。保護定值設置不合理和電氣二次回路存在的缺陷是造成繼電保護不正確動作的主要原因，定值原因占總數的21.9%，電氣二次回路缺陷占總數的52.7%，其他因素占25.4%。

目前，系統穩定運行對發電設備制造工藝的要求較高，在現場開展系統短路試驗條件還不成熟。電力系統數字仿真不受原型系統規模和結構復雜性的限制，能夠保障被研究、試驗系統的安全，該系統具有經濟性、方便性等優點，在電力系統很多領域發揮重要的作用[1]。該文將探索利用電力系統數字物理混合實時仿真技術進行繼電保護系統定值現地校核，該項研究包括便攜式電力系統實時仿真裝置的設計、水電廠電氣一次設備仿真、水電站現場定值數字動模校核方法研究、水電站現場實施方案編制等，并結合水電站年檢全停的機會開展現場驗證工作。

1 DDRTS實時仿真裝置設計

1.1 DDRTS實時仿真裝置原理

DDRTS實 時 仿 真 裝 置（Digital Dynamic Real-Time Simulator，DDRTS）是北京殷圖仿真技術有限公司開發的專門用于電力系統二次設備閉環測試的數字動模試驗系統。系統通過圖形化建模對電力系統一次設備進行數字建模，并形成電磁暫態計算模型，電磁暫態程序按設置的計算步長進行計算，通過高速光纖通信系統將計算的電流、電壓信號送至信號轉換裝置進行D/A轉換及功率放大，并通過交流采樣回路接入保護裝置，保護裝置通過控制回路將跳合閘等命令接到斷路器，斷路器的位置狀態再通過信號轉換裝置的I/O模塊返回實時仿真裝置，實現待測系統的一二次設備閉環仿真測試。DDRTS實時仿真裝置原理如圖1所示。

圖1 實時仿真裝置原理圖

1.2 DDRTS便攜式實時仿真裝置設計

1.2.1 便攜式仿真機的選型設計

便攜機搭載數字物理混合實時閉環測試系統，并且基于PCI總線進行專業結構一體化設計，集成仿真試驗系統所需的PCI控制器及各功能模塊，其目的是有效減少現場測試煩瑣的設備拆卸、搬運和部署工作。便攜仿真機設計及選型如圖2所示。

圖2 便攜機樣機

1.2.2 分布式移動仿真裝置的選型設計

現場接入試驗的繼電保護裝置主要分布在機組繼電保護室和升壓站繼電保護室，各類型保護屏柜相對分散布置。因此，仿真裝置的設計須考慮分布式布置，分布式測試結構如圖 3所示。

圖3 分布式測試結構圖

1.2.2.1 通信、信號轉換、功率放大模塊集成化設計

集成化設計的最大優點在于便攜測試、就地使用，功放模塊與仿真主機通過一對光纖線相連，仿真主機的模擬量信號、開關量信號直接在功放模塊內部通過排線配置好，現場無須再配置電纜，信號干擾少，可靠性高。仿真裝置硬件集成結構如圖 4 所示。

圖4 硬件集成結構圖

1.2.2.2 模擬量、開關量接口設計

集成了模擬量輸出、DI輸入、DO輸出的功放裝置，與現場二次裝置的連接，設計為插孔式物理接口，用測試儀專用電纜連接，即插即用，既方便快捷高效，又安全可靠?，F場保護屏柜模擬量回路端子排均采用交流試驗端子，通過測試儀線插頭即可實現功放模擬量輸出與保護模擬量輸入的連接；開關量回路端子排均采用信號端子，通過測試儀線插頭+插針即可實現功放開關量輸入輸出與保護開關量輸入輸出的連接。

1.2.2.3 功放模塊的選型及移動測試車設計

按照電站典型單元接線及典型保護配置統計繼電保護裝置所需電流和電壓模擬量，經統計分析，電流功放選型單臺輸出電流通道數按12路設計，電壓功放選型單臺輸出電壓通道按24路設計，電流電壓最大輸出幅值根據電站實際短路電流水平配置，移動測試車按最大3臺裝置組屏設計。移動測試車的設計還需考慮功放電源、安全接地等問題。移動測試車結構和外觀設計如圖 5所示。

圖5 移動測試車結構圖

2 電站繼電保護系統現場校核方法

DDRTS實時仿真裝置實現電站整站保護定值及二次回路現地校核的閉環仿真試驗，具體方法步驟包括：1） 電站電氣一次設備參數、主接線方式等的收集整理；2） 根據收集的系統及電氣一次設備參數、主接線方式等在仿真裝置中建模；3） 在仿真裝置中設置待校核保護裝置對應電氣一次設備不同的故障類型及故障點，形成故障集；4） 在仿真裝置中進行電氣一次設備不同故障類型及故障點的開環仿真，錄取故障波形，分析故障波形是否正確完整；5） 檢查待校核保護裝置定值是否與下達的正式定值一致；6） 根據繼電保護定值投入保護裝置功能連片、出口連片；7） 在PT/CT二次出線處或匯控柜電壓、電流端子排處拆開并隔離保護相關電壓、電流回路；8） 連接分布式保護移動測試裝置與PT/CT二次出線處或匯控柜端子排處的相關電壓、電流回路并檢查；9） 連接分布式保護移動測試裝置與繼電保護裝置相關開關量輸入及輸出回路并檢查；10） 連接待校核繼電保護裝置所控制斷路器位置至分布式保護移動測試裝置開關量輸入回路并檢查；11） 利用仿真裝置模擬系統空載、分別帶不同負荷正常運行；12） 記錄在系統空載、分別帶不同負荷時保護裝置電壓、電流模擬量采樣值，與仿真裝置中計算出的電壓、電流值比較，誤差不大于5%；13） 利用仿真裝置模擬各開關量輸出信號，檢查保護裝置相應開入量是否實時正確變位；14） 短接保護裝置動作信號、分合斷路器，檢查分布式保護移動測試裝置采集開入量信號是否正確；15） 利用仿真裝置模擬待校核電氣一次設備故障，進行閉環仿真；16） 記錄待校核保護裝置動作情況，導出保護裝置故障波形，分析保護動作是否正確；17） 如果不正確，分析原因，修改保護定值；18） 如果正確，進行其他故障模擬，直到所有故障集模擬完畢，結束本次校核。

所述步驟1）中所涉及系統參數為歸算到本發電廠/變電站高壓母線的系統等值阻抗。

所述步驟3）中故障類型包括單相接地、兩相短路、兩相短路接地、三相短路、斷線、系統振蕩、頻率偏離正常值等；故障點指的是不同的故障位置，如輸電線路的0~100%之間、變壓器繞組的某個位置等。

3 某電站現場試驗方案

某電站裝設3臺80MW水輪發電機組，主接線采用一機一變的單元接線方式，經升壓變壓器接入220kV電網，為確?，F場試驗順利和人員、設備安全，編制水電站繼電保護系統現場校核作業指導書，規定了試驗前準備工作、試驗作業程序和作業標準、試驗后現場恢復等。

3.1 保護常規、異常采樣值校驗

試驗要求：發電機空載、帶25%、50%、75%、100%負荷下檢驗各保護裝置及故障錄波裝置采樣，并錄取波形。

試驗方法：用仿真裝置給電站系統的保護裝置和故障錄波裝置加入對應模擬量，從40Hz~70Hz，每間隔5Hz進行一次采樣值校驗。記錄各處保護裝置和故障錄波裝置的采樣值，計算誤差是否滿足要求。

注意事項：試驗時斷路器斷開，保護裝置處于正常運行狀態，保護的功能壓板、出口壓板均投入運行。

3.2 各種故障、異常工況保護校驗

試驗要求：模擬電站系統各種異常、故障工況，包括接地故障、相間故障、發電機匝間故障、發電機失磁、開關失靈、系統振蕩等。

試驗方法：用仿真裝置模擬相應故障并輸出故障量，測試保護裝置動作行為，并保存錄取的故障波形。

注意事項：試驗時保護裝置處于正常運行狀態，保護的功能壓板、出口壓板、斷路器分合位置隨測試項目切換。

3.3 發電機保護與勵磁系統配合檢驗

試驗要求：模擬系統正常運行，發電機帶不同負荷，檢驗勵磁限制定值與保護配合關系是否正確。

試驗方法：用仿真裝置將發電機機端和中性點電流、發電機機端電壓、轉子電壓分別接入發電機保護屏和勵磁系統屏，檢驗勵磁不同限制定值與保護配合情況。

注意事項：注意接至保護裝置的發電機轉子電壓值。

4 總結

筆者利用DDRTS實時仿真裝置對水電站繼電保護系統定值及回路的就地校核進行研究，彌補了現有數字物理實時仿真裝置現場應用的不足，推動了仿真裝置在電站就地閉環試驗技術的發展，探索了利用數字動態模擬技術校核方法代替保護裝置常規檢驗的可能性。利用機組檢修機會，短時間內開展繼電保護系統定值及回路校驗，有效降低機組安全穩定運行風險，最終形成了一套繼電保護系統定值及回路現場試驗標準，包括系統建模、故障模擬、故障波形審查、試驗流程、試驗前準備工作、試驗作業程序和作業標準、試驗后現場恢復等，開創了一種全新的繼電保護定值校核方法。