智能變電站繼電保護(hù)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(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心，四川 成都 610072; 2.國網(wǎng)成都供電公司，四川 成都 610081)

智能變電站繼電保護(hù)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(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心，四川 成都 610072; 2.國網(wǎng)成都供電公司，四川 成都 610081)

結(jié)合數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)和110 kV實(shí)訓(xùn)智能變電站對繼電保護(hù)仿真案例庫開發(fā)的有關(guān)問題進(jìn)行研究，包括數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)架構(gòu)研究與智能站繼電保護(hù)案例庫開發(fā)方案，提出了開發(fā)存在的問題和改進(jìn)方法，并對以后的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。該仿真案例庫的開發(fā)有效地提高了智能變電站的培訓(xùn)效果。

數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)；智能變電站；仿真案例庫；培訓(xùn)

0 引 言

智能變電站作為堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和節(jié)點(diǎn)支撐，是必不可少的建設(shè)內(nèi)容。隨著智能變電站的相繼投運(yùn)， 為滿足智能變電站檢修和運(yùn)行人員的培訓(xùn)需求，國網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心于2011年建成一座110 kV實(shí)訓(xùn)智能變電站，主要作為教學(xué)培訓(xùn)使用。 由于智能變電站技術(shù)是新事物，智能變電站培訓(xùn)工作需要借助數(shù)字信號仿真這樣的先進(jìn)工具，開發(fā)智能變電站繼電保護(hù)仿真案例庫能夠滿足繼電保護(hù)和變電運(yùn)行人員的培訓(xùn)，并能承擔(dān)變電站整組復(fù)雜調(diào)試、故障排查分析等高層次培訓(xùn)。

1 數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)架構(gòu)研究

仿真系統(tǒng)采用數(shù)字物理混合仿真技術(shù)，充分利用110 kV實(shí)訓(xùn)智能變電站現(xiàn)場真實(shí)的物理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電網(wǎng)仿真與真實(shí)的物理設(shè)備無縫對接，實(shí)現(xiàn)了智能變電站數(shù)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(wǎng)采用電磁暫態(tài)模型，通過電磁暫態(tài)計(jì)算實(shí)時(shí)輸出變電站正常運(yùn)行和事故狀態(tài)下的電壓和電流波形，實(shí)時(shí)反映保護(hù)動作后電網(wǎng)或變電站的電壓和電流信號的動態(tài)特性。通過信號輸入輸出接口裝置，智能一次設(shè)備操作機(jī)構(gòu)模擬裝置、電子式互感器模擬裝置等，將電磁暫態(tài)仿真系統(tǒng)和真實(shí)二次設(shè)備有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字仿真與實(shí)際二次設(shè)備的無縫連接。智能變電站混合仿真可以將數(shù)字仿真設(shè)備和真實(shí)的二次設(shè)備放置于同一個(gè)仿真系統(tǒng)中有機(jī)連接、靈活配置，構(gòu)造了更為逼真的運(yùn)行環(huán)境，更加有效的對智能變電站繼電保護(hù)和運(yùn)行人員進(jìn)行培訓(xùn)。圖1是展示了數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

1.1 軟件系統(tǒng)

電磁暫態(tài)仿真軟件采用并行計(jì)算技術(shù)、綜合友元法以及輸電線路任意點(diǎn)故障在線仿真算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電磁暫態(tài)仿真軟件的長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行能力、高實(shí)時(shí)性及強(qiáng)交互性。該軟件建立了交流電壓源、多相分布參數(shù)輸電線路、變壓器、負(fù)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(shè)備的電磁暫態(tài)模型，建立了母線、線路、變壓器等設(shè)備的短路和斷線等故障模型，也可以進(jìn)行任意的組合以構(gòu)建更為復(fù)雜的復(fù)合故障模型。

圖1 仿真總體結(jié)構(gòu)

1.2 采樣值輸入系統(tǒng)

智能變電站采樣值輸入的實(shí)現(xiàn)有兩種方案：一是模擬電子式互感器，電流電壓數(shù)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(bào)文直接接入保護(hù)測控裝置[1，2]。考慮到培訓(xùn)的針對性和靈活性，數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)具備這兩種方案的功能，在系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)是模擬電子式互感器輸入輸出信號的設(shè)備，可以按照現(xiàn)場配置與過程層設(shè)備相連，主要用于過程層合并單元運(yùn)行和檢修技能的實(shí)訓(xùn)。

電子式互感器模擬系統(tǒng)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(yīng)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(yīng)(光學(xué))的電子式電壓互感器。按照現(xiàn)有主流廠家的電子式互感器通信規(guī)約，提供光纖串口輸出，實(shí)現(xiàn)與不同廠家合并單元的連接。可以根據(jù)不同廠家產(chǎn)品設(shè)計(jì)，接受合并單元的觸發(fā)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(shè)備廠家、型號較多，接口方式復(fù)雜，為減少投資和提高系統(tǒng)可擴(kuò)展性，優(yōu)先采用集中設(shè)計(jì)、統(tǒng)籌配置、靈活設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，模擬過程層合并單元發(fā)出的通信報(bào)文，將電磁暫態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果波形實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為通信信息發(fā)送，為間隔層設(shè)備提供真實(shí)可靠的仿真數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)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(shè)備利用率。為確保仿真實(shí)時(shí)性的要求，不同合并單元的模擬采用獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)接口，帶寬不低于100 Mbit/s，即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)接入保護(hù)裝置，又可采用組網(wǎng)方式接入交換機(jī)設(shè)備。

1.3 GOOSE變位接入系統(tǒng)

常規(guī)變電站仿真系統(tǒng)通過斷路器(或模擬斷路器)輔助接點(diǎn)引入，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)測試。智能變電站與常規(guī)變電站相比，雖然也是通過模擬斷路器輔助接點(diǎn)引入，但信號是斷路器GOOSE變位報(bào)文，而且所有斷路器GOOSE變位報(bào)文都會經(jīng)過GOOSE交換機(jī)[3]，所以在回路上只需要有光纖從仿真系統(tǒng)連接到GOOSE交換機(jī)，在配置上設(shè)定相應(yīng)的GOOSE訂閱，仿真系統(tǒng)能較方便地采集實(shí)際斷路器位置信息，完成整組閉環(huán)試驗(yàn)，此方式是仿真系統(tǒng)的“外部控制”方式。如果仿真系統(tǒng)的開關(guān)位置按照仿真建模的方式運(yùn)行，不需要外部真實(shí)的開關(guān)位置信息，此方式是仿真系統(tǒng)的“內(nèi)部控制”方式。

1.4 過程層模擬設(shè)備配置

實(shí)訓(xùn)智能變電站110 kV保護(hù)、測控裝置通過合并單元接收電流、電壓信息；10 kV保護(hù)測控裝置接常規(guī)互感器。其中110 kV線路保護(hù)和主變壓器保護(hù)雙重化配置，第一套采用SV點(diǎn)對點(diǎn)方式接入合并單元模擬系統(tǒng)，第二套采樣值采用SV組網(wǎng)方式接入；110 kV備自投、內(nèi)橋測控裝置、電度表、故障錄波及網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)備的采樣值采用SV組網(wǎng)方式接入。

2 繼電保護(hù)仿真案例庫開發(fā)方案

為充分滿足實(shí)際培訓(xùn)的需求，仿真案例庫在實(shí)現(xiàn)架構(gòu)上需考慮許多問題，包括仿真模型系統(tǒng)如何搭建；仿真系統(tǒng)和實(shí)際保護(hù)裝置設(shè)備的信息交互；故障模擬及考核方式等。除仿真案例網(wǎng)絡(luò)模型外，還包括了培訓(xùn)時(shí)實(shí)施方案、故障模擬設(shè)置、考核方式(如波形分析、負(fù)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(guān)設(shè)置

仿真案例庫的模型搭建是一個(gè)很重要的問題，首先模型應(yīng)該和接入的實(shí)際保護(hù)設(shè)備的一次接線滿足一致，這樣才能保證保護(hù)動作行為的正確性和合理性。其次，仿真案例庫的運(yùn)行方式應(yīng)當(dāng)靈活，以適應(yīng)不同的培訓(xùn)需求，如可以方便調(diào)整潮流，以靈活地開展帶負(fù)荷測試等培訓(xùn)模塊，或者進(jìn)行不同的故障設(shè)置模擬。最后，仿真案例庫的搭建應(yīng)考慮一定的擴(kuò)展性，尤其外部等值系統(tǒng)的考慮，以及和安控系統(tǒng)的接口等等。圖2是按照110 kV實(shí)訓(xùn)智能變電站搭建的一次設(shè)備模型。

圖2 110 kV實(shí)訓(xùn)智能變電站一次模型

2.2 仿真案例開發(fā)方案

仿真案例庫開發(fā)充分和智能站繼電保護(hù)培訓(xùn)課程體系相結(jié)合，其開發(fā)成果包括了繼電保護(hù)專業(yè)培訓(xùn)和考核標(biāo)準(zhǔn)的多個(gè)模塊，每個(gè)仿真案例應(yīng)包含仿真案例說明和培訓(xùn)實(shí)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(tǒng)參數(shù)等，以便培訓(xùn)時(shí)提供給培訓(xùn)師使用。培訓(xùn)實(shí)施方案主要包括故障前運(yùn)行方式說明、保護(hù)相關(guān)定值、保護(hù)動作記錄、故障錄波報(bào)告、事故分析考核模塊，培訓(xùn)時(shí)提供給學(xué)員使用，該部分通過圖片和錄波圖的方式以附件報(bào)告的形式完成，便于進(jìn)行離線培訓(xùn)。

目前結(jié)合110 kV實(shí)訓(xùn)智能變電站的保護(hù)裝置，已完成110 kV線路保護(hù)、主變壓器保護(hù)、110 kV備用電源投入裝置的繼電保護(hù)仿真案例。仿真案例庫主要包括3個(gè)方面的內(nèi)容：保護(hù)裝置帶負(fù)荷測試、典型故障仿真和典型事故仿真。仿真模型能方便進(jìn)行各種潮流的調(diào)整，通過設(shè)置虛端子回路故障、修改TA變比等[4]，讓培訓(xùn)學(xué)員掌握帶負(fù)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(shè)通過仿真系統(tǒng)仿真包括瞬時(shí)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(tǒng)模擬保護(hù)正確動作，通過分析保護(hù)裝置的動作報(bào)告和錄波報(bào)告，讓培訓(xùn)學(xué)員了解光纖差動保護(hù)、距離保護(hù)、零序保護(hù)及自動重合閘等保護(hù)正確動作時(shí)的動作行為，學(xué)會進(jìn)行保護(hù)和故障錄波裝置典型錄波報(bào)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(shè)以近3年國網(wǎng)四川省電力公司典型保護(hù)事故案例以及各種保護(hù)選拔和競賽典型回路故障為參考，精選有代表性的保護(hù)不正確動作案例。利用典型事故案例庫，可以讓培訓(xùn)學(xué)員掌握較復(fù)雜的事故分析方法、培訓(xùn)學(xué)員綜合利用系統(tǒng)知識和技能知識的能力。

3 系統(tǒng)開發(fā)問題及應(yīng)用前景

3.1 開發(fā)有關(guān)問題

仿真案例庫開發(fā)過程中的主要問題包括以下幾點(diǎn)。

(1)仿真案例的選取具有一定的局限性，現(xiàn)場發(fā)生的相關(guān)案例如電子式互感器雙A/D采樣異常、丟幀、錯(cuò)序等，用仿真系統(tǒng)目前難以模擬。

(2)目前該庫仿真的變壓器保護(hù)、線路保護(hù)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(xùn)基地有220 kV及以上電壓等級的智能變電站保護(hù)設(shè)備后，可以考慮擴(kuò)展該庫的內(nèi)容，滿足220 kV及以上電壓等級的培訓(xùn)需求。

3.2 應(yīng)用前景在仿真系統(tǒng)平臺上完成的繼電保護(hù)動作案例，收集案例的參數(shù)設(shè)置、動作報(bào)告和故障波形，通過圖片和錄波圖的方式以附件的報(bào)告形式完成，便于進(jìn)行離線培訓(xùn)，即該案例庫可以在實(shí)訓(xùn)站的仿真系統(tǒng)上故障再現(xiàn)，也可以脫離110 kV實(shí)訓(xùn)智能變電站離線使用，培訓(xùn)地點(diǎn)靈活。通過變壓器保護(hù)、線路保護(hù)、備自投裝置案例，使智能變電站繼電保護(hù)常見的保護(hù)動作行為和帶負(fù)荷測試分析得到了完整的、具體的呈現(xiàn)，便于學(xué)員理解和掌握。

目前該案例庫已在國網(wǎng)新員工培訓(xùn)和智能變電站技術(shù)培訓(xùn)班中使用，在實(shí)訓(xùn)操作培訓(xùn)之后，再使用案例具體地分析故障過程，易于學(xué)員理解，加深印象，取得了良好的培訓(xùn)效果。后續(xù)可以在以下領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。

(1)利用數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)和110 kV實(shí)訓(xùn)智能變電站的現(xiàn)場設(shè)備，可以開展變電運(yùn)行和廠站端自動化專業(yè)的培訓(xùn)。

(2)如果有繼電保護(hù)故障信息培訓(xùn)系統(tǒng)，利用仿真案例庫，可以更好地對故障信息系統(tǒng)培訓(xùn)做有益的補(bǔ)充。

(3)仿真案例庫開發(fā)建設(shè)的建模方法、測試技術(shù)和方法可以為自動化子站、主站仿真案例庫的開發(fā)積累豐富的經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)這些專業(yè)技能培訓(xùn)的能力提升。

[1] Q/GDW 383-2009，智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[S].

[2] Q/GDW 426-2010，智能變電站合并單元技術(shù)規(guī)范[S].

[3] Q/GDW 428-2010，智能變電站智能終端技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 高亞棟，朱炳銓，李慧,等．?dāng)?shù)字化變電站的“虛端子” 設(shè)計(jì)方法應(yīng)用研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011(5): 120-123．

黃忠勝(1982)，碩士，講師，從事繼電保護(hù)方面研究；

劉 娟(1984)，學(xué)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(jī)繼電保護(hù)方面研究及信息系統(tǒng)的研究；

王婷婷(1977)，大學(xué)，高級工程師，從事繼電保護(hù)方面研究；

韓花榮(1981)，碩士，講師，從事繼電保護(hù)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(wǎng)四川省電力公司科技項(xiàng)目(521922140003)

TM74

A

1003-6954(2015)01-0006-03

2014-12-22)