基于數(shù)字化模擬斷路器的備自投不停電測試裝置的研制與應(yīng)用

王 賀錢雅云周 磊韓民疇

(1.國網(wǎng)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(dāng)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(hù)配置。然而目前備自投變電站現(xiàn)場測試調(diào)試還存在如下問題:對備自投進(jìn)行全面測試時,已投運(yùn)變電站需要對相關(guān)間隔進(jìn)行斷電配合調(diào)試,造成一定的經(jīng)濟(jì)損失;在備自投調(diào)試過程中,采用測試儀模擬運(yùn)行裝置時,多為全人工手動控制開關(guān)量和模擬量的變化,自動化水平低,測試效率低;備自投調(diào)試過程中動作邏輯復(fù)雜,需要同時模擬多個斷路器動作狀態(tài)和電壓電流狀態(tài),缺少能實現(xiàn)此功能的測試裝置。

國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對整裝置功能建模和仿真已經(jīng)開展研究工作,并有成熟產(chǎn)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(shè)備仿真相關(guān)技術(shù)的研究,開發(fā)了智能變電站二次仿真培訓(xùn)系統(tǒng),采用數(shù)字化仿真手段,通過數(shù)字化信息接口和二次信息網(wǎng)絡(luò)傳輸,構(gòu)建了包括電力系統(tǒng)一次模型仿真子系統(tǒng)、智能變電站二次仿真子系統(tǒng)。在國內(nèi)變電站繼電保護(hù)設(shè)備普及IEC 61850通信規(guī)范的大背景下,目前繼電保護(hù)測試系統(tǒng)主要基于IEC 61850模型,各廠家生產(chǎn)的“九統(tǒng)一”保護(hù)裝置具有良好的兼容性,為開展備自投測試相關(guān)設(shè)備的數(shù)字化模擬奠定了基礎(chǔ)。

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

1 備自投不停電測試裝置

本文設(shè)計了備自投測試裝置,并通過開發(fā)備自投測試軟件,實現(xiàn)備自投的不停電測試,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意

系統(tǒng)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(wǎng)、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(wǎng)接口實現(xiàn)IEC 61850-9-1/2、GOOSE 報文的接收與發(fā)送,可接入光數(shù)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(fù)用技術(shù),可接入支持FT3接口的光數(shù)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(tǒng)。SD 卡接口支持全站配置文件的導(dǎo)入和錄波數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。

本文基于上述硬件系統(tǒng),開發(fā)基于數(shù)字報文備自投測試軟件,設(shè)置斷路器對象,配置每個斷路器分位與合位狀態(tài)所關(guān)聯(lián)的電壓、電流、遙信量的值,通過觸發(fā)各斷路器的狀態(tài),實現(xiàn)模擬斷路器功能;采用數(shù)字式模擬斷路器替代不停電間隔設(shè)備與停電間隔實際設(shè)備相互配合,實現(xiàn)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(xiàn)備自投保護(hù)測試功能。系統(tǒng)軟件架構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)示意

人機(jī)交互模塊用于導(dǎo)入解析SCD 文件,輸入備自投主接線圖參數(shù),建立斷路器圖元的關(guān)聯(lián)關(guān)系和母線圖元的關(guān)聯(lián)關(guān)系?？梢暬刂颇K,根據(jù)人機(jī)交互模塊輸入的備自投主接線圖參數(shù)、斷路器圖元關(guān)聯(lián)關(guān)系和母線圖元的關(guān)聯(lián)關(guān)系自動生成備自投主接線圖,并在人機(jī)交互模塊可視化展示備自投主接線圖。數(shù)字模擬斷路器模塊,依據(jù)斷路器圖元與SCD 文件中對應(yīng)位置信號的關(guān)聯(lián)關(guān)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(tài)信息,并根據(jù)斷路器狀態(tài)信息控制斷路器圖元的狀態(tài),進(jìn)行斷路器圖元的狀態(tài)模擬。備自投邏輯模塊,輸出備自投邏輯[46]控制信息到數(shù)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(shù)字模擬斷路器模塊輸出的斷路器狀態(tài)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(fā)模塊、SV 收發(fā)模塊以及開關(guān)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(guān)量信號傳輸給數(shù)字模擬斷路器模塊及備自投邏輯模塊。

2 技術(shù)路線的實現(xiàn)

2.1 數(shù)字化模擬斷路器

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

圖3 數(shù)字模擬斷路器示意

數(shù)字化模擬斷路器可根據(jù)接收到的GOOSE信號和開關(guān)量信號對斷路器圖元的狀態(tài)進(jìn)行控制,觸發(fā)斷路器圖元的狀態(tài)變化和斷路器圖元對應(yīng)關(guān)聯(lián)的電壓信號、電流信號、開關(guān)量信號的變化,實現(xiàn)原理如下。

(1)通過軟件虛擬設(shè)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(tài)。

(2)根據(jù)實際斷路器分合所影響的電氣量,建立斷路器圖元的關(guān)聯(lián)關(guān)系和母線圖元的關(guān)聯(lián)關(guān)系,包括:建立每個斷路器圖元與SCD 文件中對應(yīng)位置信號的關(guān)聯(lián)關(guān)系,建立斷路器圖元的分位狀態(tài)與合位狀態(tài)所對應(yīng)的電壓信號、電流信號、開關(guān)量信號的關(guān)聯(lián)關(guān)系,以及對應(yīng)的電壓信號、電流信號、開關(guān)量信號的分合狀態(tài)值;每個數(shù)字模擬斷路器關(guān)聯(lián)位置狀態(tài)切換信號;建立各段母線和母線電壓信號的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及母線電壓信號對應(yīng)正常態(tài)或失壓態(tài)的值。

(3)每個斷路器可關(guān)聯(lián)位置狀態(tài)切換信號,如保護(hù)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(jù)關(guān)聯(lián)的位置狀態(tài)切換信號自動觸發(fā)斷路器位置的變化,并觸發(fā)對應(yīng)關(guān)聯(lián)模擬量、開關(guān)量的變化。同時,在模擬斷路器圖元上可手動點擊觸發(fā)各斷路器的狀態(tài),并編輯各關(guān)聯(lián)模擬量和開關(guān)量的值。

(4)母線電壓對象通過判斷相關(guān)聯(lián)斷路器是否與電源端相連來自動實現(xiàn)正常態(tài)和失壓態(tài)的切換。每段母線正常態(tài)和失壓態(tài)與各相關(guān)斷路器分合態(tài)的邏輯關(guān)系可預(yù)制在程序中。

2.2 備自投不停電檢修

在數(shù)字化模擬斷路器基礎(chǔ)上,研究不停電檢修技術(shù)[7-8],通過斷路器狀態(tài)和關(guān)聯(lián)信號,以及狀態(tài)觸發(fā)信號的配置,測試儀能自動仿真斷路器各態(tài)的輸出,并能依據(jù)備自投的跳合閘命令自動切換狀態(tài)。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(shù)字式模擬斷路器替代不停電間隔設(shè)備,并與停電間隔實際設(shè)備相互配合,完成備自投保護(hù)功能校驗工作。

在臨床產(chǎn)科內(nèi)，前置胎盤并發(fā)胎盤植入屬于較為嚴(yán)重并發(fā)癥，通常會造成大出血，使產(chǎn)婦與胎兒生命受到直接威脅，對此，強(qiáng)化產(chǎn)婦胎盤植入診斷和檢測尤為重要，不僅可以防止出現(xiàn)產(chǎn)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(fā)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(jìn)線1、進(jìn)線2和分段1都在運(yùn)行狀態(tài),分段2、母線3和進(jìn)線3為擴(kuò)建間隔,處于停電調(diào)試狀態(tài)。運(yùn)用本文不停電調(diào)試技術(shù),可以利用數(shù)字化模擬斷路器替代運(yùn)行設(shè)備,而不用將圖4中運(yùn)行設(shè)備停電就能與非運(yùn)行設(shè)備聯(lián)調(diào)測試備自投。具體實現(xiàn)步驟如下。

圖4 備自投不停電測試示意

通過人機(jī)交互模塊設(shè)置備自投主接線圖參數(shù),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(guān)系的關(guān)聯(lián)IED。在關(guān)聯(lián)IED 中確定非停電需要模擬的IED 設(shè)備,利用數(shù)字化模擬斷路器主要模擬運(yùn)行設(shè)備的合并單元以及智能終端,進(jìn)線設(shè)備狀態(tài)切換以及發(fā)出與設(shè)備狀態(tài)對應(yīng)的SV 信號和GOOSE 信號,同時,可以模擬保護(hù)裝置發(fā)出閉鎖信號。

數(shù)字模擬斷路器模塊根據(jù)接收到的GOOSE信號和開關(guān)量信號對斷路器圖元的狀態(tài)進(jìn)行控制,觸發(fā)斷路器圖元的狀態(tài)變化和斷路器圖元對應(yīng)關(guān)聯(lián)的電壓信號、電流信號、開關(guān)量信號的變化。備自投邏輯模塊根據(jù)接收到的GOOSE 信號和開關(guān)量信號進(jìn)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(jī)交互模塊設(shè)置備自投主接線圖參數(shù),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(jìn)線,就可以自動生成圖4所示主接線。

步驟2,導(dǎo)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(guān)系的關(guān)聯(lián)IED。如圖4所示,可搜索出進(jìn)線1、進(jìn)線2、進(jìn)線3以及2個分段和母線的保護(hù)裝置、智能終端、合并單元.

步驟3,在關(guān)聯(lián)IED 中確定非停電需要模擬的IED 設(shè)備,利用數(shù)字化模擬斷路器主要模擬運(yùn)行設(shè)備的合并單元以及智能終端,進(jìn)線設(shè)備狀態(tài)切換以及發(fā)出與設(shè)備狀態(tài)對應(yīng)的SV 信號和GOOSE信號,同時,可以模擬保護(hù)裝置發(fā)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(kuò)展分段備自投邏輯;

步驟5,數(shù)字模擬斷路器模塊依據(jù)斷路器圖元與SCD 文件中需要模擬的IED 設(shè)備對應(yīng)位置信號的關(guān)聯(lián)關(guān)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(tài)信息到對應(yīng)的斷路器圖元,進(jìn)行斷路器圖元的狀態(tài)模擬,觸發(fā)斷路器圖元的狀態(tài)變化和斷路器圖元對應(yīng)關(guān)聯(lián)的電壓信號、電流信號、開關(guān)量信號的變化。如圖4所示,可以建立進(jìn)線1、進(jìn)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(guān)聯(lián)為斷路器的狀態(tài)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(jìn)線電壓以及進(jìn)線電流,關(guān)聯(lián)為模擬斷路器的狀態(tài)輸出信號;

步驟6,實驗控制模塊通過接收數(shù)字模擬斷路器模塊輸出的斷路器狀態(tài)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(fā)模塊、SV 收發(fā)模塊以及開關(guān)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(guān)量信號,將接收到的GOOSE信號和開關(guān)量信號傳輸給數(shù)字模擬斷路器模塊及備自投邏輯模塊。數(shù)字模擬斷路器模塊根據(jù)接收到的GOOSE信號和開關(guān)量信號對斷路器圖元的狀態(tài)進(jìn)行控制,觸發(fā)斷路器圖元的狀態(tài)變化和斷路器圖元對應(yīng)關(guān)聯(lián)的電壓信號、電流信號、開關(guān)量信號的變化。備自投邏輯模塊根據(jù)接收到的GOOSE信號和開關(guān)量信號進(jìn)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(xiàn)備自投的不停電測試。通過構(gòu)建常見電氣設(shè)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(jù)母聯(lián)類型建立分段圖元或母聯(lián)圖元。依據(jù)人機(jī)交互模塊輸入的備自投主接線圖的母線類型調(diào)取母線圖元,并根據(jù)每段母線上所配置的線路支路數(shù)或主變壓器支路數(shù)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(yīng)的母線圖元上。各段母線圖元之間依據(jù)母聯(lián)數(shù)或分段數(shù),用母聯(lián)圖元或分段圖元進(jìn)行連接,從而實現(xiàn)主接線圖的自動生成[9],特殊的接線模式可以提前預(yù)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(jìn)行微調(diào)整。

圖5 主變壓器備自投示意

通過圖形可控技術(shù),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(tài),實現(xiàn)備自投的功能測試。主接線圖可由設(shè)置接線類型和母線數(shù)以及支路數(shù)自動生成。工作人員僅需要在裝置圖形化的界面上進(jìn)行數(shù)據(jù)量的設(shè)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(yīng)狀態(tài)的關(guān)聯(lián)信號數(shù)據(jù),點擊母線圖元可以控制母線失壓或單獨(dú)控制某相電壓的值。此外,為了便于下次調(diào)試,該測試裝置還設(shè)置了一鍵存儲功能,可以直接將正確的設(shè)置數(shù)據(jù)保存下來,下次調(diào)試時直接調(diào)取使用。

3 實際應(yīng)用分析

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

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

圖6 系統(tǒng)自動繪制的某110 kV變電站主接線圖

第1步,通過人機(jī)交互模塊設(shè)置備自投主接線圖參數(shù),輸入單母線分段接線,每段母線2個進(jìn)線,并給設(shè)備命名,自動生成圖6所示主接線。

第2步,導(dǎo)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(guān)系的關(guān)聯(lián)IED。SCD 解析設(shè)置界面如圖7所示。

圖7 SCD解析設(shè)置界面

第3步,在關(guān)聯(lián)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(shè)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(jìn)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(jiān)視信號以及合并單元的母線電壓、進(jìn)線電壓以及進(jìn)線電流關(guān)聯(lián)為模擬斷路器的狀態(tài)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(guān)聯(lián)為斷路器的狀態(tài)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(shè)備的光纖接好,開始對備自投的邏輯進(jìn)行測試。測試完成后測試儀會將測試過程和測試數(shù)據(jù)記入測試報告。

通過某110 k V 變電站的試點應(yīng)用,證明只需進(jìn)行斷路器狀態(tài)、關(guān)聯(lián)信號以及狀態(tài)觸發(fā)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(tài)的輸出,并能依據(jù)備自投的跳合閘命令自動切換狀態(tài)。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(shù)字式模擬斷路器替代不停電間隔設(shè)備,并與停電間隔實際設(shè)備相互配合,完成備自投保護(hù)功能校驗工作。

4 結(jié)論

為解決備自投現(xiàn)場調(diào)試中遇到的測試效率低、停電時間長等問題,研制基于數(shù)字化模擬斷路器的備自投保護(hù)不停電測試裝置,通過數(shù)字模擬斷路器、備自投不停電檢修、圖形可控測試等技術(shù)路線,實現(xiàn)多斷路器對象的自動模擬和備自投保護(hù)不停電檢修測試。此測試裝置在變電站現(xiàn)場應(yīng)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(diào)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(wěn)定運(yùn)行。