直流系統(tǒng)繼電誤動作半實物仿真平臺設(shè)計與分析*

劉追，劉振興，王琦

（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430081）

0 引 言

變電站中錯綜復(fù)雜的直流電源供電網(wǎng)絡(luò)，用于對繼電器保護裝置、信號系統(tǒng)、斷路器跳合閘、直流充電機、通信UPS等各個子系統(tǒng)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(jiān)測儀、充電裝置、空氣開關(guān)，以及保險等，其接線圖如圖1所示［1］。

隨著變電站規(guī)模的擴大、站內(nèi)電設(shè)備的大量使用等因素，隨之給電網(wǎng)帶來“直流系統(tǒng)一點接地引起繼電保護裝置誤動”的頻繁發(fā)生。電力系統(tǒng)運行經(jīng)驗一般認為發(fā)電廠、變電站直流系統(tǒng)發(fā)生一點接地系統(tǒng)仍能繼續(xù)維持運行，但根據(jù)現(xiàn)場運行經(jīng)驗，系統(tǒng)一點接地，同樣可能導(dǎo)致出口保護繼電器的誤動，從而導(dǎo)致變電站主變跳閘或發(fā)電廠的發(fā)電機組停運，嚴重影響生產(chǎn)［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(shù)是利用PSCAD/EMTDC軟件對電廠系統(tǒng)進行仿真分析，得到相關(guān)的實驗結(jié)果并提出改進的方法與措施［3-4］。但PSCAD/EMTDC軟件只能對系統(tǒng)電磁狀態(tài)進行仿真，和實際電力系統(tǒng)之間存在誤差。實物實驗則受硬件設(shè)備及環(huán)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)；（2）接口；（3）環(huán)境模擬設(shè)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(jié)合，克服數(shù)學(xué)模型過于理想化的缺點，使得仿真結(jié)果更具真實性。

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

RT-LAB是加拿大Opal-RT公司開發(fā)的一套基于模型的仿真系統(tǒng)平臺軟件包，可以讓設(shè)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(xué)系統(tǒng)和數(shù)學(xué)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(chǎn)品，它將I/O設(shè)備接口制作成Simulink模塊，供Simulink模型中設(shè)置和調(diào)用，而無需開發(fā)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(gòu)中得到使用，其研究成果大量應(yīng)用到電網(wǎng)、新能源、航空航天等行業(yè)領(lǐng)域［7-10］。

在RT-LAB軟件中建立變電站直流系統(tǒng)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(tǒng)繼電器誤動作的影響進行分析。

1 直流系統(tǒng)接地模型

變電站直流系統(tǒng)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(tǒng)接地故障的監(jiān)測目前大多仍采用電橋法，這種方法的絕緣監(jiān)測裝置由信號部分和測量部分兩部分組成。根據(jù)實際變電站直流系統(tǒng)的工作狀態(tài)和繼電器設(shè)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(jiān)測裝置中的平衡橋電阻，R1和R2為絕緣監(jiān)測裝置中的切換橋電阻，C1和C2分別為正負極所有設(shè)備對地電容總和，C3是長電纜分布電容。Rj1是繼電線圈串聯(lián)電阻，Rj2是繼電器線圈電阻，Lj則為線圈的電感。系統(tǒng)正常運行時會有微小的電流流經(jīng)繼電器，但是并不會引起繼電器動作。而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生一點接地時，電橋不再維持平衡，流經(jīng)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(shè)負極接地電阻為Rd。

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

初始狀態(tài)下開關(guān)K1、K2均保持閉合，接著系統(tǒng)發(fā)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(chǎn)生電流Ij流過繼電器阻抗Zj，線圈阻抗產(chǎn)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(guān)誤動。

2 半實物仿真平臺搭建

2.1 仿真模型

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

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

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

其中R3為直流電源DC的內(nèi)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(guān)動作的時間間隔要能夠使系統(tǒng)達到穩(wěn)定。本次仿真的目的是分析K1/K2斷開閉合的過程中，在已設(shè)定的電路元件參數(shù)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(chǎn)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(fā)生了直流系統(tǒng)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(guān)K1斷開，K2保持不變，電容C3開始充電，線圈電壓變?yōu)樨?，?dāng)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(dāng)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(guān)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(jīng)超過動作電壓，繼電器狀態(tài)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(shù)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(xiàn)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(fā)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(tǒng)以及RT-LAB軟件，下位機使用加拿大Opal-RT公司生產(chǎn)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(tǒng)模型中其他支路不會因為該條線路連接實物設(shè)備而受到影響，從而保持整個系統(tǒng)仿真模型保持原有電氣特性，系統(tǒng)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(zhuǎn)換成相同數(shù)值的電壓，通過輸入到仿真機中來驅(qū)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(shù)環(huán)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(tǒng)中添加模擬信號I/O驅(qū)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(jù)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(zhuǎn)換成電壓信號經(jīng)過BRK37M板卡輸入到仿真器中用來驅(qū)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(tǒng)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(tài)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(tài)下的原理圖，其中端子1和端子4構(gòu)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(tài)下為常閉、端子7和端子8在無勵磁狀態(tài)下為常開。當(dāng)控制回路兩端的電壓達到動作電壓時，勵磁線圈產(chǎn)生的電磁力會作用于開關(guān)，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(lián)直流穩(wěn)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(dāng)繼電器閉合時，該直流穩(wěn)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(wěn)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(jié)果分析

在PC端RT-LAB程序執(zhí)行打開模型、編譯模型、分配節(jié)點、加載模型、運行以及重置，軟件將會對仿真模型執(zhí)行分割、編譯鏈接、加載等操作，將仿真模型應(yīng)用到半實物仿真系統(tǒng)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(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)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(guān)處于閉合狀態(tài)，此時Ut=5 V；當(dāng)運行至第25 s的時候，波形發(fā)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(dāng)運行至27 s左右時，波形發(fā)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(tài)。通過半實物仿真結(jié)果可確定，在表1參數(shù)設(shè)置下，當(dāng)開關(guān)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(tǒng)相較于純仿真來說，會有一些噪聲干擾，但從仿真結(jié)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(shù)指標，也證明半實物仿真移植到實際系統(tǒng)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(tǒng)中不同元件參數(shù)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(shù)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(xiàn)在系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置中切換橋電阻投切時，也會出現(xiàn)在發(fā)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(fā)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(guān)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(guān)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(dāng)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(dāng)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(wěn)定，因此，這種情況引起的繼電器開關(guān)誤動作主要發(fā)生在高阻接地的狀態(tài)下。

圖13 Ujmax1與Rd的關(guān)系圖Fig.13 Relationship curve between Ujmax1 and Rd

圖14 Ujmax2和Ujmin與Rd的關(guān)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(tǒng)中，分布電容的存在對經(jīng)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(guān)系曲線。

圖15 Ujmax與C3的關(guān)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(tǒng)中，往往會因為設(shè)備老舊或地面潮濕的外界因素導(dǎo)致電容的增大，因此，根據(jù)實際情況，預(yù)留一定的余量，減少繼電引起的誤動作。

4 結(jié)束語

在發(fā)生電阻接地的變電站直流系統(tǒng)中，系統(tǒng)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(fā)的開關(guān)誤動作，從而帶來安全隱患。

本文搭建直流系統(tǒng)負極接地的半實物仿真平臺用于模擬系統(tǒng)故障狀態(tài)，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?qū)崟r展現(xiàn)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(jié)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(jù)工程人員更大范圍地調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)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(shù)對繼電器誤動作的影響，并得到了不同參數(shù)與繼電線圈最大電壓波動的關(guān)系曲線，這對于實際調(diào)試有一定的參考價值。

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