穆石磊, 劉建鋒, 江玉蓉, 周妮娜

(1.上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上?！?00090; 2.國網(wǎng)上海松江電力公司 運(yùn)檢部, 上海　201600)

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基于PSCAD故障數(shù)據(jù)的數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀設(shè)計(jì)

穆石磊1, 劉建鋒1, 江玉蓉1, 周妮娜2

(1.上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上海200090; 2.國網(wǎng)上海松江電力公司 運(yùn)檢部, 上海201600)

摘要:介紹了繼電保護(hù)測(cè)試儀的原理和軟硬件開發(fā)過程.該裝置下位機(jī)硬件采用ARM嵌入式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整體控制和數(shù)據(jù)處理;軟件采用μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行管理.分析了現(xiàn)有繼電保護(hù)測(cè)試儀穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)數(shù)據(jù)生成方法的優(yōu)缺點(diǎn),在此基礎(chǔ)上提出了一種結(jié)合PSCAD仿真軟件搭建仿真模型,并通過解析PSCAD輸出文件作為故障數(shù)據(jù)的新方法.最后,通過將還原波形與PSCAD波形對(duì)比定性分析和作差定量分析,驗(yàn)證了本方法的可行性.

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù)測(cè)試儀; 變電站; 嵌入式系統(tǒng); 故障數(shù)據(jù); PSCAD波形

隨著IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在電力行業(yè)的推廣,變電站的數(shù)字化程度得到了飛速發(fā)展.基于IEC61850的數(shù)字化繼電保護(hù)裝置的二次信號(hào)有別于傳統(tǒng)變電站,具有網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的特點(diǎn)[1].在傳輸過程中,其二次信號(hào)經(jīng)過數(shù)字編碼后通過光纖進(jìn)行傳輸.數(shù)字變電站的過程層使用電子式互感器(ECT/EVT)代替?zhèn)鹘y(tǒng)變電站的電磁式互感器,其輸出信號(hào)通過合并單元直接輸出數(shù)字量,并通過光纖以太網(wǎng)傳送至保護(hù)裝置.間隔層的保護(hù)裝置經(jīng)過運(yùn)算處理后,將輸出數(shù)據(jù)下發(fā)至過程層智能終端等設(shè)備,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備的保護(hù)[2-3].數(shù)字繼電保護(hù)裝置的輸入輸出都是數(shù)字量,其測(cè)試項(xiàng)目、方法與傳統(tǒng)設(shè)備的測(cè)試都有很大區(qū)別.測(cè)試儀也與傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)測(cè)試儀不同,具有光纖通信接口,其輸出信息符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)[4].

數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀用于智能變電站繼電保護(hù)裝置的功能測(cè)試,要能夠模擬電力系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)的故障數(shù)據(jù)信息,因此故障數(shù)據(jù)的生成是測(cè)試儀的關(guān)鍵技術(shù)之一.通過分析現(xiàn)有的故障數(shù)據(jù)生成方式,本文提出了一種解析PSCAD輸出文件的故障數(shù)據(jù)生成方式.

1測(cè)試儀原理及組成

1.1測(cè)試儀原理

數(shù)字化變電站中,數(shù)字繼電保護(hù)裝置接收合并單元輸出的SV采樣值信號(hào),并向智能終端送出GOOSE開關(guān)量信號(hào).對(duì)繼電保護(hù)裝置測(cè)試時(shí),數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀替代合并單元發(fā)送SV采樣值信號(hào),同時(shí)能接收保護(hù)發(fā)出的GOOSE信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)裝置的閉環(huán)測(cè)試[5].

1.2測(cè)試儀組成

數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀由上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分組成.下位機(jī)是基于微處理器的嵌入式系統(tǒng),主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的打包發(fā)送和解包接收功能;上位機(jī)軟件是在Windows平臺(tái)上開發(fā)的,主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的建模、映射、配置等功能.

1.2.1下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試儀發(fā)送的SV采樣值信號(hào)中包含多路電壓、電流值,其實(shí)時(shí)性要求較高.下位機(jī)主控芯片選用NXP公司的LPC1766微處理器,該處理器是一款低功耗、32-bit基于ARM Cotex-M3核的高性能處理器,可實(shí)現(xiàn)最高100 MHz的CPU操作頻率,滿足信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性要求.該處理器自帶10/100M MAC控制器,可以通過RMII接口外接PHY芯片和網(wǎng)絡(luò)變壓器實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口電路[6],節(jié)省了開發(fā)成本和時(shí)間.硬件整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1　硬件結(jié)構(gòu)示意

1.2.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

ARM程序流程圖如圖2所示.

圖2　ARM程序流程示意

ARM主控制器軟件實(shí)現(xiàn)的功能復(fù)雜并且需要處理的任務(wù)繁多,因此本系統(tǒng)采用基于μC/os-II的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)各個(gè)任務(wù)進(jìn)行管理.μC/os-II用ANSIC語言編寫,能夠在不同構(gòu)架的微處理器使用,便于移植、剪裁,其最多可以管理64個(gè)任務(wù)[7],足以滿足本工程設(shè)計(jì)的需要.

LPC1766主控制器軟件主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能:與DSP和上位機(jī)通信;把上位機(jī)下送的數(shù)據(jù)按照IEC61850格式打包,并通過以太網(wǎng)發(fā)送給繼電保護(hù)裝置;接收繼電保護(hù)裝置輸出的GOOSE信號(hào),并傳送至上位機(jī).程序移植時(shí)需要分配各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí),從而保證系統(tǒng)的最優(yōu).

2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是在Windows平臺(tái)上開發(fā)的.該軟件主要由人機(jī)界面、SCL文件解析、故障數(shù)據(jù)建模、通信等幾大功能模塊組成.故障數(shù)據(jù)建模是測(cè)試儀關(guān)鍵技術(shù)之一,本文在現(xiàn)有故障數(shù)據(jù)生成模式基礎(chǔ)上做了改進(jìn)性設(shè)計(jì).

2.1人機(jī)界面

上位機(jī)人機(jī)界面是基于LabVIEW軟件開發(fā)的,其編程方法與計(jì)算機(jī)文本語言編程方法不同.該軟件使用圖形化編輯語言(G語言)編寫程序,以產(chǎn)生框圖的形式展現(xiàn)程序,給程序開發(fā)、閱讀帶來方便,并加快程序開發(fā)進(jìn)程[8].同時(shí),LabVIEW集成了各種應(yīng)用所需的信息處理工具,極大地方便了開發(fā)用戶.開發(fā)時(shí)可以通過調(diào)用不同的工具包和接口函數(shù)為上位機(jī)界面提供底層服務(wù).

2.2SCL文件解析

上位機(jī)軟件中需嵌入MSXML軟件接口來解析XML語言,開發(fā)時(shí)需要在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)SCL文件的解析.工程測(cè)試中,測(cè)試人員導(dǎo)入廠家提供的SCL文件便可獲取裝置的相關(guān)配置信息.

2.3故障數(shù)據(jù)建模方式

繼電保護(hù)測(cè)試儀的主要功能是模擬電力系統(tǒng)故障時(shí)的數(shù)據(jù),從而檢驗(yàn)繼電保護(hù)裝置的性能.測(cè)試時(shí),測(cè)試儀可以輸出穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)做定值校驗(yàn),也可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的故障數(shù)據(jù)完成功能測(cè)試.

目前測(cè)試儀穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)一般由庫函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)正弦函數(shù)產(chǎn)生,該數(shù)據(jù)只能用于保護(hù)裝置的定值校驗(yàn).故障時(shí)的暫態(tài)數(shù)據(jù),有兩種方式生成:一種是通過輸入基波和各次諧波的幅值、步長(zhǎng)等參數(shù),按照算法計(jì)算形成故障數(shù)據(jù);另一種是通過動(dòng)?；蛘鎸?shí)電力系統(tǒng)的故障錄波文件來獲取故障數(shù)據(jù)[9-10].這種測(cè)試方法得到的是真實(shí)的電力系統(tǒng)故障數(shù)據(jù),理論上說這是測(cè)試?yán)^電保護(hù)裝置性能的最佳方法,但是從實(shí)際情況考慮,該方法存在一定的局限性.

(1) 只能進(jìn)行保護(hù)裝置的通用性測(cè)試.因動(dòng)模或?qū)嶋H系統(tǒng)的限制,錄波文件不能提供有針對(duì)性的故障數(shù)據(jù),也就不能進(jìn)行特定網(wǎng)絡(luò)保護(hù)功能的測(cè)試.

(2) 不能進(jìn)行復(fù)合型故障測(cè)試.測(cè)試儀再現(xiàn)的故障錄波文件是針對(duì)故障情況下某元件或者線路的單一故障數(shù)據(jù),無法完成復(fù)合型故障、發(fā)展型故障的測(cè)試.

本文的方法是利用PSCAD對(duì)特定的保護(hù)裝置構(gòu)建針對(duì)性的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),設(shè)置故障并生成故障數(shù)據(jù),然后通過測(cè)試儀打包成IEC61850格式的數(shù)據(jù),發(fā)給保護(hù)裝置完成測(cè)試.這種方法靈活方便,可任意改變電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).通過上位機(jī)程序設(shè)置,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)展型故障的測(cè)試.

3基于PSCAD故障數(shù)據(jù)生成

針對(duì)現(xiàn)有的故障數(shù)據(jù)生成模式,本文提出了一種通過解析PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)輸出文件的故障數(shù)據(jù)生成模式.

3.1PSCAD軟件介紹

PSCAD軟件是世界上廣泛使用的電磁暫態(tài)仿真軟件.PSCAD采用時(shí)域分析求解完整的電力系統(tǒng)及微分方程(包括電磁和機(jī)電兩個(gè)系統(tǒng)),結(jié)果非常準(zhǔn)確.它允許用戶在一個(gè)完備的圖形環(huán)境下靈活地建立電路模型,進(jìn)行仿真分析,仿真時(shí)用戶可以改變控制參數(shù),直觀地看到各種測(cè)量結(jié)果和參數(shù)曲線.

3.2通用性測(cè)試

為了滿足對(duì)保護(hù)測(cè)試要求不高場(chǎng)合的應(yīng)用,測(cè)試儀上位機(jī)軟件延續(xù)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式.穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)還是根據(jù)上位機(jī)界面設(shè)定參數(shù),通過以太網(wǎng)傳送給下位機(jī).下位機(jī)根據(jù)算法計(jì)算出各采樣點(diǎn)的數(shù)值后發(fā)送給保護(hù)裝置.

3.3針對(duì)性測(cè)試

3.3.1針對(duì)線路或者元件測(cè)試

基于PSCAD故障數(shù)據(jù)生成法最突出的優(yōu)勢(shì)是:可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)安裝情況搭建電網(wǎng)絡(luò)模型,生成針對(duì)性故障數(shù)據(jù),尤其是在電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真方面更為突出.測(cè)試時(shí),在裝好PSCAD軟件的上位機(jī)電腦上,根據(jù)變電站電氣接線和元件參數(shù)搭建好相應(yīng)的仿真模型.測(cè)試人員首先根據(jù)保護(hù)測(cè)試項(xiàng)目建立相應(yīng)的工程文件,然后在保護(hù)所在的位置設(shè)置相應(yīng)波形輸出,從而保證仿真后有波形數(shù)據(jù)輸出.

在PSCAD中可以對(duì)采樣頻率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,其輸出數(shù)據(jù)是以浮點(diǎn)型格式保存在相應(yīng)的路徑文件中.軟件開發(fā)時(shí),在上位機(jī)設(shè)計(jì)相應(yīng)的操作界面,在底層編寫接口程序.軟件解析PSCAD輸出文件后將數(shù)據(jù)送給下位機(jī),下位機(jī)接收數(shù)據(jù)后將其暫存在Flash中.當(dāng)上位機(jī)發(fā)出測(cè)試命令時(shí),ARM處理器直接從Flash中讀取數(shù)據(jù),然后按照IEC61850-9-2的格式直接打包發(fā)送給繼電保護(hù)裝置.

3.3.2復(fù)合型故障測(cè)試及單步測(cè)試

基于PSCAD故障數(shù)據(jù)生成方式不但可以對(duì)某線路或元件做針對(duì)性測(cè)試,而且可以做復(fù)合型故障測(cè)試.比如測(cè)試過電流線路保護(hù)裝置時(shí),可以通過PSCAD軟件搭建所測(cè)試的網(wǎng)絡(luò),在保護(hù)安裝處設(shè)置測(cè)量點(diǎn),以便獲取故障數(shù)據(jù).通過程序控制做區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)的復(fù)合型故障模擬,并將獲取的故障數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ).測(cè)試時(shí)通過下位機(jī)將故障數(shù)據(jù)打包成IEC61850數(shù)據(jù)報(bào)格式發(fā)往被測(cè)裝置,完成復(fù)合型故障測(cè)試.還可以在上位機(jī)界面通過數(shù)據(jù)傳送步長(zhǎng)、采樣點(diǎn)數(shù)、測(cè)試起止點(diǎn)等參數(shù)設(shè)置,調(diào)整數(shù)據(jù)的整體傳輸速率.當(dāng)傳輸速率較慢時(shí),相當(dāng)于程序的單步調(diào)試,可以檢驗(yàn)保護(hù)裝置的算法設(shè)計(jì),以及精確響應(yīng)時(shí)間,這將對(duì)在研裝置算法的優(yōu)化帶來極大的便利.

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文通過動(dòng)模實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該方法的可行性.實(shí)驗(yàn)利用上海電力學(xué)院動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室的110 kV智能變電站系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)中首先根據(jù)測(cè)試需要在動(dòng)模平臺(tái)搭建一個(gè)具有發(fā)、輸、配的電力網(wǎng)絡(luò),然后根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)在上位機(jī)PSCAD軟件中搭建相應(yīng)的電力網(wǎng)絡(luò)仿真模型.在仿真模型中對(duì)線路做單相接地、兩相短路、兩相接地、三相接地4種短路實(shí)驗(yàn).仿真時(shí)需保證輸出數(shù)據(jù)每個(gè)周波80個(gè)采樣點(diǎn),將PSCAD的仿真輸出步長(zhǎng)設(shè)定為250 μs;同時(shí)為了避免處理驗(yàn)證的數(shù)據(jù)量過大,實(shí)驗(yàn)中短路時(shí)間設(shè)置為0.5 s.仿真結(jié)束后,上位機(jī)軟件將仿真數(shù)據(jù)加載打開,通過下位機(jī)光纖傳送給繼電保護(hù)裝置.保護(hù)裝置收到故障數(shù)據(jù)后根據(jù)預(yù)定故障模式斷開線路.

4.1定性分析驗(yàn)證

為了更直觀地看出處理后的數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)的相似度,將下位機(jī)發(fā)送給繼電保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)通過逐個(gè)描點(diǎn)方式進(jìn)行波形再現(xiàn),然后與PSCAD輸出的波形相對(duì)比,以此來驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理方法的正確性.為避免圖形累贅,以單相接地短路為例,PSCAD仿真波形和測(cè)試儀輸出數(shù)據(jù)再現(xiàn)波形分別如圖3和圖4所示.

圖3　PSCAD仿真波形

通過對(duì)比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn),PSCAD和數(shù)據(jù)再現(xiàn)的波形從形狀和趨勢(shì)是一樣的.

4.2定量分析驗(yàn)證

為了滿足工程精度的要求,本文從定量的角度來驗(yàn)證該方法的可行性.將實(shí)驗(yàn)中測(cè)試儀輸出的數(shù)據(jù)和PSCAD生成文件中的故障數(shù)據(jù)按式(1)進(jìn)行作差驗(yàn)證.

(1)

式中:P——誤差率;

aij,bmn——測(cè)試儀和PSCAD故障數(shù)據(jù)元素;

K——工程允許的誤差范圍.

圖4　測(cè)試儀輸出數(shù)據(jù)再現(xiàn)波形

由于數(shù)據(jù)量過大,本文任意列出其中一個(gè)周波的數(shù)據(jù)量.具體數(shù)據(jù)值如表1所示.根據(jù)IEC61850的標(biāo)準(zhǔn),每個(gè)周波需采樣80個(gè)點(diǎn),限于篇幅,表中數(shù)據(jù)按每隔4個(gè)提取1個(gè)采樣值的方式列出.表1中數(shù)據(jù)保留11位有效數(shù)字(PSCAD和測(cè)試儀中數(shù)據(jù)保留14位有效數(shù)字),但是對(duì)誤差計(jì)算影響可以忽略不計(jì).經(jīng)過作差后發(fā)現(xiàn)誤差都在0.1%以內(nèi),可以認(rèn)為該誤差符合工程要求.

通過定性和定量分析后,可以認(rèn)為基于PSCAD生成的故障數(shù)據(jù)經(jīng)過ARM處理后是符合要求的.測(cè)試時(shí)按照IEC61850固定的格式打包后發(fā)給保護(hù)裝置做保護(hù)測(cè)試能夠滿足工程需要.

表1　作差數(shù)據(jù)

5結(jié)語

為了提升測(cè)試儀的性能,使其輸出的故障數(shù)據(jù)波形更接近實(shí)際情況,本文提出了一種結(jié)合PSCAD仿真軟件的數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案.該設(shè)計(jì)不僅能對(duì)特定的保護(hù)裝置產(chǎn)生針對(duì)性的故障數(shù)據(jù),而且給保護(hù)裝置的研發(fā)調(diào)試帶來極大便利,具有工程實(shí)踐意義.

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(編輯白林雪)

Design of Digital Relay Protection Tester Based on PSCAD Data

MU Shilei1, LIU Jianfeng1, JIANG Yurong1, ZHOU Nina2

(1.School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China; 2.Operation Department, Shanghai Songjiang Electric Power Supply Company, State Grid, Shanghai201600, China)

Abstract:The principle of digital relay protection tester,hardware and software development process are described.The hardware of the system is designed by ARM+DSP embedded structure and data processing;the software uses μC/oS-II embedded real-time operating system to manage the system tasks.The advantages and disadvantages of steady-state and transient data generation methods are analyzed,which are used in existing digital relay protection tester.On the basis of these methods, a new method is proposed and PSCAD simulation model is built by combing substation.Then,PSCAD output file and treating are analyzed as the fault data.Finally, qualitative analysis is carried out by comparing the restored wave with PSCAD wave and quantitative analysis is completed by subtracting in order to validate the feasibility of this method.

Key words:digital relay tester; substation; embedded system; fault data; PSCAD wave

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.02.009

收稿日期：2015-09-02

作者簡(jiǎn)介：通訊穆石磊(1988-),男,在讀碩士,江蘇阜寧人.主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù).E-mail:523086444@qq.com.

基金項(xiàng)目：上海綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心資助項(xiàng)目(13DZ2251900).

中圖分類號(hào)：TM774

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4729(2016)02-0145-06