基于數字化模擬斷路器的備自投不停電測試裝置的研制與應用

王 賀錢雅云周 磊韓民疇

(1.國網安徽省電力有限公司蚌埠供電公司,安徽 蚌埠 233000;2.武漢凱默電氣有限公司,湖北 武漢 430223)

0 引言

備用電源自動投入裝置(簡稱“備自投”)是當工作電源因故障跳閘后,自動迅速地將備用電源投入的一種自動裝置。它可以提高供電可靠性、簡化繼電保護配置。然而目前備自投變電站現場測試調試還存在如下問題:對備自投進行全面測試時,已投運變電站需要對相關間隔進行斷電配合調試,造成一定的經濟損失;在備自投調試過程中,采用測試儀模擬運行裝置時,多為全人工手動控制開關量和模擬量的變化,自動化水平低,測試效率低;備自投調試過程中動作邏輯復雜,需要同時模擬多個斷路器動作狀態和電壓電流狀態,缺少能實現此功能的測試裝置。

國內研究機構對整裝置功能建模和仿真已經開展研究工作,并有成熟產品,但在模型與實際裝置混合仿真平臺研究方面還處于起步階段。近年來,國電南京自動化股份有限公司開展了智能變電站二次設備仿真相關技術的研究,開發了智能變電站二次仿真培訓系統,采用數字化仿真手段,通過數字化信息接口和二次信息網絡傳輸,構建了包括電力系統一次模型仿真子系統、智能變電站二次仿真子系統。在國內變電站繼電保護設備普及IEC 61850通信規范的大背景下,目前繼電保護測試系統主要基于IEC 61850模型,各廠家生產的“九統一”保護裝置具有良好的兼容性,為開展備自投測試相關設備的數字化模擬奠定了基礎。

目前,國內在繼電保護設備測試,新建變電站驗收,消缺或定檢等任務劃分、任務流轉方面有一定研究,但在備自投保護不停電測試技術方面還缺乏相關研究。本文針對備自投的工作原理[1],研究基于數字化模擬斷路器[2]的備自投保護不停電測試技術,設計備自投測試裝置,實現模擬多斷路器功能和備自投保護不停電檢修測試,對實現不停電檢修具有重要的意義,為推動備自投設備高效可靠測試的工程應用提供指導和借鑒作用。

1 備自投不停電測試裝置

本文設計了備自投測試裝置,并通過開發備自投測試軟件,實現備自投的不停電測試,系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構示意

系統硬件主要由32位嵌入式CPU、32位浮點DSP、FPGA[3]和對外接口組成,對外接口包括8組光以太網、1組光串行接口、1對硬接點開入及1對快速硬接點開出、無線通信接口、SD 卡接口。光以太網接口實現IEC 61850-9-1/2、GOOSE 報文的接收與發送,可接入光數字備自投裝置、合并單元、智能終端及IEEE 1588時鐘;光串口采用復用技術,可接入支持FT3接口的光數字備自投裝置、合并單元,或具有光IRIG-B 接口的時間同步系統。SD 卡接口支持全站配置文件的導入和錄波數據的導出。

本文基于上述硬件系統,開發基于數字報文備自投測試軟件,設置斷路器對象,配置每個斷路器分位與合位狀態所關聯的電壓、電流、遙信量的值,通過觸發各斷路器的狀態,實現模擬斷路器功能;采用數字式模擬斷路器替代不停電間隔設備與停電間隔實際設備相互配合,實現備自投不停電檢修測試工作;并通過圖形化控制界面模擬多斷路器功能,實現備自投保護測試功能。系統軟件架構示意如圖2所示。

圖2 系統軟件架構示意

人機交互模塊用于導入解析SCD 文件,輸入備自投主接線圖參數,建立斷路器圖元的關聯關系和母線圖元的關聯關系。可視化控制模塊,根據人機交互模塊輸入的備自投主接線圖參數、斷路器圖元關聯關系和母線圖元的關聯關系自動生成備自投主接線圖,并在人機交互模塊可視化展示備自投主接線圖。數字模擬斷路器模塊,依據斷路器圖元與SCD 文件中對應位置信號的關聯關系以及備自投邏輯模塊的備自投邏輯控制信息生成斷路器狀態信息,并根據斷路器狀態信息控制斷路器圖元的狀態,進行斷路器圖元的狀態模擬。備自投邏輯模塊,輸出備自投邏輯[46]控制信息到數字模擬斷路器模塊和實驗控制模塊;實驗控制模塊,通過接收數字模擬斷路器模塊輸出的斷路器狀態信息以及備自投邏輯模塊輸出的備自投邏輯控制信息,來控制GOOSE收發模塊、SV 收發模塊以及開關量模塊輸出到備自投,同時將接收到的備自投輸出GOOSE信號和開關量信號傳輸給數字模擬斷路器模塊及備自投邏輯模塊。

2 技術路線的實現

2.1 數字化模擬斷路器

基于數字報文的便攜式數字化模擬斷路器替代傳統模擬斷路器,通過抽象斷路器在調試測試過程中的輸入輸出以及狀態切換,來模擬真實斷路器不同狀態的對外影響,如圖3所示。

圖3 數字模擬斷路器示意

數字化模擬斷路器可根據接收到的GOOSE信號和開關量信號對斷路器圖元的狀態進行控制,觸發斷路器圖元的狀態變化和斷路器圖元對應關聯的電壓信號、電流信號、開關量信號的變化,實現原理如下。

(1)通過軟件虛擬設置多個斷路器對象,每個斷路器對象可配置分位與合位等狀態。

(2)根據實際斷路器分合所影響的電氣量,建立斷路器圖元的關聯關系和母線圖元的關聯關系,包括:建立每個斷路器圖元與SCD 文件中對應位置信號的關聯關系,建立斷路器圖元的分位狀態與合位狀態所對應的電壓信號、電流信號、開關量信號的關聯關系,以及對應的電壓信號、電流信號、開關量信號的分合狀態值;每個數字模擬斷路器關聯位置狀態切換信號;建立各段母線和母線電壓信號的關聯關系以及母線電壓信號對應正常態或失壓態的值。

(3)每個斷路器可關聯位置狀態切換信號,如保護跳閘信號、合閘信號、遙控分合信號、手分手合信號、備自投跳合信號等。模擬斷路器可依據關聯的位置狀態切換信號自動觸發斷路器位置的變化,并觸發對應關聯模擬量、開關量的變化。同時,在模擬斷路器圖元上可手動點擊觸發各斷路器的狀態,并編輯各關聯模擬量和開關量的值。

(4)母線電壓對象通過判斷相關聯斷路器是否與電源端相連來自動實現正常態和失壓態的切換。每段母線正常態和失壓態與各相關斷路器分合態的邏輯關系可預制在程序中。

2.2 備自投不停電檢修

在數字化模擬斷路器基礎上,研究不停電檢修技術[7-8],通過斷路器狀態和關聯信號,以及狀態觸發信號的配置,測試儀能自動仿真斷路器各態的輸出,并能依據備自投的跳合閘命令自動切換狀態。針對智能變電站中的多電源備自投裝置,可同時配置多個斷路器模型,采用數字式模擬斷路器替代不停電間隔設備,并與停電間隔實際設備相互配合,完成備自投保護功能校驗工作。

在臨床產科內，前置胎盤并發胎盤植入屬于較為嚴重并發癥，通常會造成大出血，使產婦與胎兒生命受到直接威脅，對此，強化產婦胎盤植入診斷和檢測尤為重要，不僅可以防止出現產后大出血情況，而且還具有臨床推廣價值[1]。在本次研究中，選擇前置胎盤并發胎盤植入診斷患者89例，主要研究腹彩超多普勒超聲的診斷價值，具體如下。

如圖4所示,母線1、母線2、進線1、進線2和分段1都在運行狀態,分段2、母線3和進線3為擴建間隔,處于停電調試狀態。運用本文不停電調試技術,可以利用數字化模擬斷路器替代運行設備,而不用將圖4中運行設備停電就能與非運行設備聯調測試備自投。具體實現步驟如下。

圖4 備自投不停電測試示意

通過人機交互模塊設置備自投主接線圖參數,可視化控制模塊生成備自投主接線圖。選擇待測備自投IED 后,自動搜索與待測備自投IED有虛端子連接關系的關聯IED。在關聯IED 中確定非停電需要模擬的IED 設備,利用數字化模擬斷路器主要模擬運行設備的合并單元以及智能終端,進線設備狀態切換以及發出與設備狀態對應的SV 信號和GOOSE 信號,同時,可以模擬保護裝置發出閉鎖信號。

數字模擬斷路器模塊根據接收到的GOOSE信號和開關量信號對斷路器圖元的狀態進行控制,觸發斷路器圖元的狀態變化和斷路器圖元對應關聯的電壓信號、電流信號、開關量信號的變化。備自投邏輯模塊根據接收到的GOOSE 信號和開關量信號進行邏輯判定,完成備自投的測試,并生成測試報告。

步驟1,通過人機交互模塊設置備自投主接線圖參數,可視化控制模塊生成備自投主接線圖。如輸入單母三分段接線,每段母線1個進線,就可以自動生成圖4所示主接線。

步驟2,導入SCD 文件,選擇待測備自投IED后,自動搜索與待測備自投IED 有虛端子連接關系的關聯IED。如圖4所示,可搜索出進線1、進線2、進線3以及2個分段和母線的保護裝置、智能終端、合并單元.

步驟3,在關聯IED 中確定非停電需要模擬的IED 設備,利用數字化模擬斷路器主要模擬運行設備的合并單元以及智能終端,進線設備狀態切換以及發出與設備狀態對應的SV 信號和GOOSE信號,同時,可以模擬保護裝置發出閉鎖信號;

步驟4,選擇備自投邏輯模塊的備自投邏輯控制信息。如圖4所示,變電站可選擴展分段備自投邏輯;

步驟5,數字模擬斷路器模塊依據斷路器圖元與SCD 文件中需要模擬的IED 設備對應位置信號的關聯關系,以及備自投邏輯模塊的備自投邏輯控制信息,輸出斷路器狀態信息到對應的斷路器圖元,進行斷路器圖元的狀態模擬,觸發斷路器圖元的狀態變化和斷路器圖元對應關聯的電壓信號、電流信號、開關量信號的變化。如圖4所示,可以建立進線1、進線2、分段1共3個模擬斷路器,并分別將備自投跳合各斷路器的GOOSE 出口信號關聯為斷路器的狀態切換信號,同時將智能終端的斷路器位置信號,以及合并單元的母線電壓、進線電壓以及進線電流,關聯為模擬斷路器的狀態輸出信號;

步驟6,實驗控制模塊通過接收數字模擬斷路器模塊輸出的斷路器狀態信息和備自投邏輯模塊輸出的備自投邏輯控制信息,控制GOOSE 收發模塊、SV 收發模塊以及開關量模塊的輸出到備自投。實驗控制模塊接收待測備自投IED 輸出的GOOSE信號和開關量信號,將接收到的GOOSE信號和開關量信號傳輸給數字模擬斷路器模塊及備自投邏輯模塊。數字模擬斷路器模塊根據接收到的GOOSE信號和開關量信號對斷路器圖元的狀態進行控制,觸發斷路器圖元的狀態變化和斷路器圖元對應關聯的電壓信號、電流信號、開關量信號的變化。備自投邏輯模塊根據接收到的GOOSE信號和開關量信號進行邏輯判定,完成備自投的測試,并生成測試報告。

2.3 圖形可控的備自投測試

備自投測試裝置通過圖形可控的測試方式實現備自投的不停電測試。通過構建常見電氣設備圖元庫,包括母線圖元、線路支路圖元、主變壓器支路圖元,根據母聯類型建立分段圖元或母聯圖元。依據人機交互模塊輸入的備自投主接線圖的母線類型調取母線圖元,并根據每段母線上所配置的線路支路數或主變壓器支路數的最大值,將線路支路圖元、主變壓器支路圖元均勻分布在對應的母線圖元上。各段母線圖元之間依據母聯數或分段數,用母聯圖元或分段圖元進行連接,從而實現主接線圖的自動生成[9],特殊的接線模式可以提前預制好模板。如圖5所示,只需要選擇外橋接線即可,如果模板和實際情況有差異,可以人工進行微調整。

圖5 主變壓器備自投示意

通過圖形可控技術,自動生成的主接線圖上的圖元都是可控對象。測試人員可簡單直觀的在主接線圖上同時操作模擬多個斷路器的狀態,實現備自投的功能測試。主接線圖可由設置接線類型和母線數以及支路數自動生成。工作人員僅需要在裝置圖形化的界面上進行數據量的設置操作,所有通道輸出由平臺后臺程序自動完成。如可以通過點擊斷路器圖元來控制斷路器的分合同時輸出對應狀態的關聯信號數據,點擊母線圖元可以控制母線失壓或單獨控制某相電壓的值。此外,為了便于下次調試,該測試裝置還設置了一鍵存儲功能,可以直接將正確的設置數據保存下來,下次調試時直接調取使用。

3 實際應用分析

本文研究的基于數字化模擬斷路器的備自投保護不停電測試技術在某110 k V 變電站試點應用,使用數字式模擬斷路器替代不停電間隔設備,與停電間隔實際設備相互配合,完成備自投保護功能校驗工作。

圖6是自動繪制的主接線圖,備用線是擴建間隔,需要用測試儀模擬其他運行間隔。具體實施應用如下。

圖6 系統自動繪制的某110 kV變電站主接線圖

第1步,通過人機交互模塊設置備自投主接線圖參數,輸入單母線分段接線,每段母線2個進線,并給設備命名,自動生成圖6所示主接線。

第2步,導入SCD 文件,選擇待測備自投IED后,自動搜索與待測備自投IED 有虛端子連接關系的關聯IED。SCD 解析設置界面如圖7所示。

圖7 SCD解析設置界面

第3步,在關聯IED 中確定河西I回、南山線、分段110、河西II回以及母線的合并單元及智能終端為非停電需要模擬的IED 設備。

第4步,選擇備自投邏輯模塊的備自投邏輯控制信息。該變電站可選進線及分段備自投邏輯。

第5 步,在主接線圖上選擇河西I回、南山線、分段110、河西II回、以及母線I和母線II為模擬對象。將各間隔智能終端的斷路器跳位監視信號以及合并單元的母線電壓、進線電壓以及進線電流關聯為模擬斷路器的狀態輸出信號。

第6步,對河西I回、南山線、分段110、河西II回模擬斷路器分別將備自投跳合各斷路器的GOOSE出口信號關聯為斷路器的狀態切換信號。

第7步,將測試儀和備自投以及沒有模擬的實際設備的光纖接好,開始對備自投的邏輯進行測試。測試完成后測試儀會將測試過程和測試數據記入測試報告。

通過某110 k V 變電站的試點應用,證明只需進行斷路器狀態、關聯信號以及狀態觸發信號的簡單配置,測試儀即可自動仿真斷路器及母線各狀態的輸出,并能依據備自投的跳合閘命令自動切換狀態。針對智能變電站中的多電源備自投裝置,可同時配置多個斷路器模型,采用數字式模擬斷路器替代不停電間隔設備,并與停電間隔實際設備相互配合,完成備自投保護功能校驗工作。

4 結論

為解決備自投現場調試中遇到的測試效率低、停電時間長等問題,研制基于數字化模擬斷路器的備自投保護不停電測試裝置,通過數字模擬斷路器、備自投不停電檢修、圖形可控測試等技術路線,實現多斷路器對象的自動模擬和備自投保護不停電檢修測試。此測試裝置在變電站現場應用中操作過程簡單直觀,大大提高了備自投的測試效率,減少了停電調試帶來的損失,同時,提高了備自投測試的全面性,保障了備自投的安全穩定運行。