彭勇 呂政權(quán) 郝琳娜 許燕

（上海市電力公司，上海 200438）

近年來，電力系統(tǒng)內(nèi)投入了大量的調(diào)度員仿真實訓(xùn)系統(tǒng)（DTS）和變電站運行人員仿真實訓(xùn)系統(tǒng)（OTS），它們對提高電力系統(tǒng)調(diào)度、運行人員的專業(yè)素質(zhì)起到了很好的作用。但是，DTS主要側(cè)重于對電網(wǎng)一次系統(tǒng)的動態(tài)行為特征的模擬和對調(diào)度自動化監(jiān)控界面的模擬，而對繼電保護(hù)、自動化等二次系統(tǒng)的模擬比較簡單。OTS對繼電保護(hù)、自動化系統(tǒng)的仿真雖然比電網(wǎng)調(diào)度員仿真實訓(xùn)系統(tǒng)詳細(xì)，但也只是對設(shè)備或系統(tǒng)的操作界面進(jìn)行模擬。而真正面向繼電保護(hù)和自動化專業(yè)技術(shù)人員的專業(yè)仿真實訓(xùn)系統(tǒng)還不多見。另一方面，通過對現(xiàn)場實訓(xùn)需求進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對繼電保護(hù)和自動化系統(tǒng)等專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行運行操作、調(diào)試維護(hù)和檢修試驗等內(nèi)容的實訓(xùn)是十分必要的。

針對上述問題，近幾年有部分實訓(xùn)中心和科研機構(gòu)建立了基于電磁暫態(tài)仿真的繼電保護(hù)實訓(xùn)系統(tǒng)，但其一次模擬電網(wǎng)規(guī)模和保護(hù)配置都難以滿足電網(wǎng)繼電保護(hù)專業(yè)人員的實訓(xùn)需求[1-2]。

本文通過建設(shè)一套基于混合物理仿真技術(shù)的新型繼電保護(hù)實訓(xùn)系統(tǒng)，解決上述問題。該系統(tǒng)以數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采取電網(wǎng)數(shù)字化模型與真實的變電站二次設(shè)備相結(jié)合的方式，形成一套完整的實時閉環(huán)實訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備聯(lián)機調(diào)試功能，可滿足電網(wǎng)生產(chǎn)實訓(xùn)需求。電網(wǎng)數(shù)字化模型選取500kV變電站典型接線方式，保護(hù)設(shè)備選擇國內(nèi)主流保護(hù)廠家產(chǎn)品，并配置有變電站綜合自動化系統(tǒng)，可實現(xiàn)對繼電保護(hù)、自動化及遠(yuǎn)動系統(tǒng)專業(yè)人員進(jìn)行綜合實訓(xùn)，對增強相關(guān)專業(yè)人員安全工作能力和電網(wǎng)穩(wěn)定運行有重要意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

該新型繼電保護(hù)實訓(xùn)系統(tǒng)由3部分構(gòu)成，即數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)、繼電保護(hù)設(shè)備屏柜和變電站綜合自動化系統(tǒng)。

繼電保護(hù)實訓(xùn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)通過對電網(wǎng)模型進(jìn)行實時仿真計算，輸出與實際運行基本一致的電壓、電流波形，并將計算出的電壓、電流瞬時值信號經(jīng)高速實時接口輸出，通過D/A轉(zhuǎn)換和電流、電壓放大器及輸入輸出系統(tǒng)送入繼電保護(hù)裝置或自動控制裝置中[3-4]。繼電保護(hù)裝置和自動控制裝置在接收到電流、電壓信號后，將動作信號通過高速信號轉(zhuǎn)換箱實時反饋回數(shù)字仿真系統(tǒng)，形成數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理設(shè)備之間的閉環(huán)連接，并將斷路器跳、合閘信號送給模擬斷路器裝置，控制模擬斷路器的狀態(tài)。同時通過站控層以太網(wǎng)，將動作信號上傳給變電站綜合自動化系統(tǒng)，而綜合自動化系統(tǒng)通過接收仿真系統(tǒng)模擬出的電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀態(tài)信息，真實模擬出變電站的運行操作。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

繼電保護(hù)實訓(xùn)系統(tǒng)各主要子模塊及其功能簡介如下：

1）數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)

數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)組成如圖2所示，通過電磁暫態(tài)仿真軟件建立電網(wǎng)動態(tài)模型，進(jìn)行潮流計算和短路計算，并將計算結(jié)果經(jīng)高速通信系統(tǒng)、信號轉(zhuǎn)換及輸入輸出裝置送入保護(hù)和自動裝置，同時亦可接收外部裝置送來的開關(guān)量信號，修改網(wǎng)絡(luò)拓?fù)??？紤]實訓(xùn)人員的實際需求，本實訓(xùn)系統(tǒng)選擇500kV變電站典型接線方式建立電網(wǎng)模型，如圖3所示。

圖2 數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)（系統(tǒng)組成）

圖3 系統(tǒng)主接線圖

電網(wǎng)模型由教學(xué)站和對端站組成，教學(xué)站包含500kV、220kV、35kV三個電壓等級，兩臺1000MVA自耦變壓器組，500kV系統(tǒng)采用 3/2斷路器主接線方式，2回500kV線路和兩臺主變500kV側(cè)構(gòu)成兩個完整線路變壓器串；220kV系統(tǒng)采用雙母雙分段主接線方式，包括兩臺主變220kV側(cè)、2回線路和1臺發(fā)電機－變壓器組共5個間隔；主變35kV側(cè)為無功補償裝置。對端站包含500kV電壓等級，采用3/2斷路器主接線，由2回線路構(gòu)成線線串，另有一不完整串接入1臺發(fā)電機-變壓器組。

2）繼電保護(hù)裝置和屏柜

按照國網(wǎng)繼電保護(hù)產(chǎn)品國產(chǎn)化要求，選取國內(nèi)主流保護(hù)產(chǎn)品，按照雙重化原則進(jìn)行配置。為豐富實訓(xùn)內(nèi)容，線路和斷路器保護(hù)配置了多套不同廠家的保護(hù)產(chǎn)品，同時，亦采取技術(shù)手段設(shè)置保護(hù)裝置與屏柜的連接：保護(hù)裝置通過規(guī)范接線的航空插頭與屏柜相連，同類型保護(hù)的不同裝置切換時，只需插拔航空插頭即可實現(xiàn)。因?qū)嵱?xùn)系統(tǒng)在設(shè)計時嚴(yán)格按照繼電保護(hù)國網(wǎng)“六統(tǒng)一”原則[5-6]，因此保證了外回路端子的統(tǒng)一性和航空插頭接線的規(guī)范性。

實訓(xùn)系統(tǒng)共配置包含線路保護(hù)、斷路器保護(hù)、主變保護(hù)、母線保護(hù)、高抗保護(hù)、發(fā)變組保護(hù)、低容、抵抗保護(hù)和故障錄波器等在內(nèi)的90多套保護(hù)裝置。

3）綜合自動化系統(tǒng)

本系統(tǒng)中，綜自系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，按控制層次和對象配置全站控制級和就地單元控制級。全站控制級實現(xiàn)站級單元的信息共享以及站內(nèi)設(shè)備的在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理以及站級實時控制，包括操作員站、監(jiān)控系統(tǒng)軟件和網(wǎng)絡(luò)交換機。就地單元控制級按控制區(qū)域分布式配置，完成對控制區(qū)域的數(shù)據(jù)采集和控制。就地單元控制級與全站控制級采用IEC 61850規(guī)約通信。

2 技術(shù)特點

與常規(guī)繼保實訓(xùn)系統(tǒng)相比，本文所述的實訓(xùn)系統(tǒng)在調(diào)試方式、保護(hù)裝置與屏柜連接方法和保護(hù)裝置配置等方面有很大優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）同時支持保護(hù)裝置單屏調(diào)試和閉環(huán)聯(lián)調(diào)

現(xiàn)有常規(guī)繼保實訓(xùn)系統(tǒng)大多只配置有保護(hù)屏柜，實訓(xùn)時學(xué)員通過測試儀器進(jìn)行單屏調(diào)試。單屏調(diào)試將各套保護(hù)裝置孤立開來，難以測試復(fù)雜情況下發(fā)生故障時的裝置特性，同時也無法形象地模擬現(xiàn)場故障。本實訓(xùn)系統(tǒng)建有數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過搭建精確的一次設(shè)備數(shù)學(xué)模型，模擬區(qū)域電網(wǎng)運行，并將運行參數(shù)實時傳輸至繼電保護(hù)和自動控制裝置中。同時，繼電保護(hù)和自動控制裝置的動作信號亦可通過高速信號轉(zhuǎn)換箱實時反饋回數(shù)字仿真系統(tǒng)，形成數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理設(shè)備之間的閉環(huán)連接。因此，本實訓(xùn)系統(tǒng)既可實現(xiàn)保護(hù)裝置的單屏調(diào)試，亦可建立閉環(huán)聯(lián)調(diào)。

閉環(huán)聯(lián)調(diào)時，在數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)中可設(shè)置線路、主變、母線等各種故障，仿真系統(tǒng)真實模擬故障過程和狀態(tài)。繼電保護(hù)裝置在采集到故障信息后，即可根據(jù)保護(hù)原理動作，并將開關(guān)跳、合閘信號傳輸至仿真系統(tǒng)。閉環(huán)聯(lián)調(diào)除了可以測試簡單的接地和相間故障，還能準(zhǔn)確測試重合閘、轉(zhuǎn)換性故障、跨線故障、系統(tǒng)振蕩等復(fù)雜情況下裝置的特性，實現(xiàn)對保護(hù)裝置的全面測試；還可以方便地模擬系統(tǒng)中的多重故障和多個繼電保護(hù)裝置之間的相互影響；亦可在真實的二次回路設(shè)置缺陷，由此引起的故障由系統(tǒng)實時響應(yīng)，無需人工干預(yù)。從而，可以更真實地模擬故障，使實訓(xùn)工作更接近現(xiàn)場，從而提高實訓(xùn)人員在現(xiàn)場面臨真實故障時的應(yīng)對能力。

2）保護(hù)裝置通過可插拔航空插頭與屏柜相連，裝置切換靈活

在生產(chǎn)現(xiàn)場和現(xiàn)有繼保實訓(xùn)系統(tǒng)中，保護(hù)裝置和屏柜配置的常規(guī)做法是，每套保護(hù)裝置單獨組柜，裝置與屏柜通過端子排接線直接相連。采用此方式保證了每套保護(hù)裝置工作的獨立性，但也存在很多問題。例如，當(dāng)保護(hù)裝置需更新時，則要重新修改端子接線和電纜布線；每套保護(hù)裝置單獨組一面屏，也導(dǎo)致系統(tǒng)占地規(guī)模大和電纜布線復(fù)雜，造成浪費。

圖4 實訓(xùn)系統(tǒng)

為解決上述問題，在本實訓(xùn)系統(tǒng)中，保護(hù)裝置通過可插拔的航空插頭與屏柜外回路相連。每個保護(hù)屏柜，其所有外回路接線按照一定規(guī)律通過端子排引入屏后的航空插座（如圖4（a）所示），每套保護(hù)裝置的所有引出線亦按照一定規(guī)律匯總至航空插頭處（如圖4（b）所示）。保護(hù)裝置與屏柜相連時，將保護(hù)裝置的航空插頭插入對應(yīng)屏柜的航空插座即可。通過此方法，多套同類型保護(hù)裝置可共用一面屏柜，當(dāng)不同裝置替換時，只需插拔與裝置相連的航空插頭即可，無需對每套裝置都配置保護(hù)屏柜和端子接線，減少了系統(tǒng)硬件配置及二次電纜鋪設(shè)，節(jié)省了費用，具有很高的推廣和應(yīng)用價值。

3）遵循“六統(tǒng)一”設(shè)計原則，保護(hù)裝置配置多樣化

本實訓(xùn)系統(tǒng)為模擬的一次系統(tǒng)配置了完備的系統(tǒng)保護(hù)和元件保護(hù)，保證了實訓(xùn)系統(tǒng)面向各地不同受訓(xùn)人員的適用性。在保護(hù)裝置配置時，充分調(diào)研，選取目前國內(nèi)最新、最常用的保護(hù)設(shè)備進(jìn)行配置。同時，考慮各變電站保護(hù)設(shè)備配置的差異性，在保護(hù)配置時盡可能選擇多種類型保護(hù)，使得實訓(xùn)系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備基本涵蓋了全國各主流繼保設(shè)備生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品。由于實訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計時嚴(yán)格按照國網(wǎng)“六統(tǒng)一”原則，因此不同廠家同類型保護(hù)裝置的對外接口和回路配合都具有統(tǒng)一性，同類型保護(hù)裝置可在同一面保護(hù)屏上互換，為保護(hù)配置的多樣性提供了保證。通過以上方式實現(xiàn)了保護(hù)配置的多樣性，可針對不同實訓(xùn)人員靈活選取不同廠家產(chǎn)品進(jìn)行實訓(xùn)，增加了實訓(xùn)的靈活性。

4）促進(jìn)智能變電站新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

常規(guī)變電站自動化通信規(guī)約不統(tǒng)一，加大了調(diào)試復(fù)雜性，同時也增加了運行、維護(hù)的難度，制約了變電站新技術(shù)的發(fā)展。隨著智能電網(wǎng)、數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展，迫切需要一個簡約、智能的系統(tǒng)，以減少投資，提高運行、維護(hù)效率。

本實訓(xùn)系統(tǒng)間隔層與站控層通過IEC61850規(guī)約通訊，間隔層設(shè)備在與監(jiān)控后臺操作員站信息交換時，都基于統(tǒng)一的IEC61850協(xié)議，極大地方便了系統(tǒng)的集成，保證了投資的持續(xù)性和系統(tǒng)的互操作性，為實訓(xùn)系統(tǒng)后續(xù)的智能電網(wǎng)新技術(shù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3 應(yīng)用示例

本實訓(xùn)系統(tǒng)在實際應(yīng)用時，指導(dǎo)工程師可在一次模擬系統(tǒng)中設(shè)置各種故障，保護(hù)裝置接收到故障信息后，根據(jù)保護(hù)原理進(jìn)行相應(yīng)動作，綜合自動化系統(tǒng)實現(xiàn)對一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的監(jiān)視、管理和控制。利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)對電廠和變電站繼保和自動化人員實訓(xùn)。

例如，一次模擬系統(tǒng)220kV仿真二線發(fā)生A相瞬時故障，誤投“停用重合閘”硬壓板導(dǎo)致線路單相瞬時性故障開關(guān)三跳故障。220kV主接線圖如圖5所示。

220kV仿真二線第一套線路保護(hù)為南瑞RCS-931，采用光纖通道的分相電流差動和零序電流差動保護(hù)；第二套線路保護(hù)為南瑞RCS-901，采用高頻閉鎖式的縱聯(lián)變化量方向和零序方向保護(hù)。模擬系統(tǒng)輸出的220kV仿真二線故障后電流、電壓如圖6所示。

圖5 220kV仿真二線運行方式

圖6 線路故障后電流、電壓波形

故障發(fā)生后，仿真二線A相電流突然明顯增大，220kV IV母A相電壓出現(xiàn)降低，B、C兩相電流、電壓基本不變。保護(hù)裝置的動作情況和綜合自動化系統(tǒng)如下分析：

3.1 線路第一套保護(hù)裝置

線路故障發(fā)生后，保護(hù)裝置RCS-931面板顯示如圖7所示，由圖7可見，保護(hù)面板“跳A”、“跳B”、“跳C”指示燈亮，說明保護(hù)裝置發(fā)出了跳A、跳B、跳C指令；“重合閘”指示燈不亮，說明保護(hù)裝置重合閘模塊沒有動作。

圖7 RCS-931面板顯示

RCS-931保護(hù)事件報文如表1所示。

表1 220kV仿真二線第一套保護(hù)動作列表

由表1可見，線路第一套保護(hù)裝置動作，發(fā)出的跳閘相為ABC三相，但故障選相為A相，且重合閘沒有動作。

3.2 線路第二套保護(hù)裝置

線路故障發(fā)生后，保護(hù)裝置RCS-901面板顯示如圖8所示。

圖8 RCS-901面板顯示

由圖可見，與RCS-931面板燈亮情況相似，RCS-901面板“跳 A”、“跳 B”、“跳 C”指示燈亮，說明保護(hù)裝置發(fā)出了跳A、跳B、跳C指令；同樣保護(hù)重合閘模塊也沒有動作。RCS-901保護(hù)事件報文如表2所示。由表可見，保護(hù)啟動5ms后，線路第二套保護(hù)工頻變化量阻抗動作，跳閘相為A相，隨后距離 I段和縱聯(lián)保護(hù)也分別動作，跳閘相都為A相，但54ms時，縱聯(lián)變化量方向保護(hù)再次動作，跳閘相選為ABC三相，故障相別選為A相。

表2 220kV仿真二線第二套保護(hù)動作列表

3.3 操作箱

操作箱面板如圖9所示。跳閘信號 I、II指示燈（紅燈）都點亮，表明其兩組跳閘回路自保持繼電器收到保護(hù)三相跳閘信號且正確動作，同時向模擬斷路器送出了三相跳閘信號。重合閘指示燈不亮，表明保護(hù)沒有送出重合閘動作信號。

圖9 操作箱面板

3.4 光字牌

光字牌是運行人員監(jiān)視站內(nèi)設(shè)備運行狀況、保護(hù)動作情況等的重要信號。故障發(fā)生后，監(jiān)控后臺光字牌動作情況如圖10所示。

圖10 220kV仿真二線光字牌

由圖可見，線路第一、二套線路保護(hù)跳閘動作，線路第一套保護(hù)第一、二組出口跳閘出口動作，兩套保護(hù)的重合閘均沒動作。

在本案例中，由表2可見保護(hù)啟動5ms后，線路第一套保護(hù)工頻變化量阻抗保護(hù)即動作，且跳閘相為ABC三相；第二套保護(hù)在故障后先發(fā)出A相跳閘脈沖，斷路器三相跳開后（由仿真二線電流三相都為零知），又發(fā)出三相跳閘信號。仿真二線 A相故障，但第一套保護(hù)直接三跳，懷疑第一套保護(hù)重合閘被閉鎖。檢查仿真二線第一套保護(hù)裝置，沒有壓力降低閉鎖重合閘信號，保護(hù)控制字設(shè)置正確，軟壓板投切正確。檢查到硬壓板時，發(fā)現(xiàn)仿真二線第一套保護(hù)柜上的“停用重合閘”保護(hù)硬壓板處于投用狀態(tài)，如圖11中紅色橢圓所示。

圖11 220kV仿真二線第一套保護(hù)柜硬壓板

仿真二線線路第一套保護(hù)投“停用重合閘”硬壓板，當(dāng)線路發(fā)生單相接地后，第一套線路保護(hù)即發(fā)三相跳閘信號，第二套保護(hù)先發(fā)A相跳閘信號，斷路器收到第一套保護(hù)的三相跳令后，三相跳閘，此時縱聯(lián)變化量保護(hù)出口條件仍滿足，而斷路器三跳后，位置繼電器觸點閉鎖第二套保護(hù)重合閘，故發(fā)三相跳閘令。

3.5 故障解決

由以上分析可見，由于220kV仿真二線第一套保護(hù)誤投“停用重合閘”壓板，導(dǎo)致線路A相故障后，第一套保護(hù)因“重合閘停用”，直接溝通三跳；第二套保護(hù)先檢測出A相故障，發(fā)A相跳閘信號，因斷路器收到第一套保護(hù)的三相跳令，三跳后閉鎖第二套保護(hù)重合閘，故第二套保護(hù)隨即也發(fā)三相跳令。當(dāng)把線路第一套保護(hù)的“停用重合閘”壓板退出后，線路發(fā)生相同故障，保護(hù)動作正常，監(jiān)控后臺和故障錄波數(shù)據(jù)信息報告正常。至此，仿真二線“停用重合閘”壓板誤投退問題解決。

4 結(jié)論

本文基于混合物理仿真技術(shù)的新型繼電保護(hù)實訓(xùn)系統(tǒng)以500kV變電站典型接線為基礎(chǔ)建立區(qū)域模擬電網(wǎng)，配置有目前最新、最常用的保護(hù)設(shè)備和基于IEC61850的綜合自動化系統(tǒng)，是一套具有前瞻性和完整性的繼電保護(hù)實訓(xùn)系統(tǒng)。該實訓(xùn)系統(tǒng)有如下特點：

1）系統(tǒng)建設(shè)有數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)能真實模擬區(qū)域電網(wǎng)運行，實現(xiàn)保護(hù)裝置的閉環(huán)聯(lián)調(diào)。

2）保護(hù)裝置通過可插拔的航空插頭與屏柜外回路相連，可實現(xiàn)同類保護(hù)的同屏不同裝置替換，方便系統(tǒng)的擴展。

3）保護(hù)裝置配置完備、種類豐富，可針對不同變電站繼電保護(hù)和自動化人員開展不同的專題實訓(xùn)，提高其處理系統(tǒng)故障時的綜合分析能力。

[1]張小東.基于電磁暫態(tài)仿真的繼電保護(hù)實訓(xùn)系統(tǒng)的研制[D].天津:天津大學(xué),2010.

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