楊勝利 徐在林 程世俊 金小波

（1.四川華能寶興河水電有限責(zé)任公司，四川 雅安 625000；2.北京殷圖仿真技術(shù)有限公司，北京 100190）

0 引言

從公司繼電保護(hù)技術(shù)監(jiān)督現(xiàn)場評(píng)價(jià)結(jié)果及非停分析報(bào)告來看，由于保護(hù)不正確動(dòng)作造成的電氣一次設(shè)備損壞、事故擴(kuò)大等事件時(shí)有發(fā)生，給電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)。保護(hù)定值設(shè)置不合理和電氣二次回路存在的缺陷是造成繼電保護(hù)不正確動(dòng)作的主要原因，定值原因占總數(shù)的21.9%，電氣二次回路缺陷占總數(shù)的52.7%，其他因素占25.4%。

目前，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)發(fā)電設(shè)備制造工藝的要求較高，在現(xiàn)場開展系統(tǒng)短路試驗(yàn)條件還不成熟。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真不受原型系統(tǒng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的限制，能夠保障被研究、試驗(yàn)系統(tǒng)的安全，該系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)性、方便性等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)很多領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用[1]。該文將探索利用電力系統(tǒng)數(shù)字物理混合實(shí)時(shí)仿真技術(shù)進(jìn)行繼電保護(hù)系統(tǒng)定值現(xiàn)地校核，該項(xiàng)研究包括便攜式電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真裝置的設(shè)計(jì)、水電廠電氣一次設(shè)備仿真、水電站現(xiàn)場定值數(shù)字動(dòng)模校核方法研究、水電站現(xiàn)場實(shí)施方案編制等，并結(jié)合水電站年檢全停的機(jī)會(huì)開展現(xiàn)場驗(yàn)證工作。

1 DDRTS實(shí)時(shí)仿真裝置設(shè)計(jì)

1.1 DDRTS實(shí)時(shí)仿真裝置原理

DDRTS實(shí) 時(shí) 仿 真 裝 置（Digital Dynamic Real-Time Simulator，DDRTS）是北京殷圖仿真技術(shù)有限公司開發(fā)的專門用于電力系統(tǒng)二次設(shè)備閉環(huán)測試的數(shù)字動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過圖形化建模對(duì)電力系統(tǒng)一次設(shè)備進(jìn)行數(shù)字建模，并形成電磁暫態(tài)計(jì)算模型，電磁暫態(tài)程序按設(shè)置的計(jì)算步長進(jìn)行計(jì)算，通過高速光纖通信系統(tǒng)將計(jì)算的電流、電壓信號(hào)送至信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換及功率放大，并通過交流采樣回路接入保護(hù)裝置，保護(hù)裝置通過控制回路將跳合閘等命令接到斷路器，斷路器的位置狀態(tài)再通過信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置的I/O模塊返回實(shí)時(shí)仿真裝置，實(shí)現(xiàn)待測系統(tǒng)的一二次設(shè)備閉環(huán)仿真測試。DDRTS實(shí)時(shí)仿真裝置原理如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)仿真裝置原理圖

1.2 DDRTS便攜式實(shí)時(shí)仿真裝置設(shè)計(jì)

1.2.1 便攜式仿真機(jī)的選型設(shè)計(jì)

便攜機(jī)搭載數(shù)字物理混合實(shí)時(shí)閉環(huán)測試系統(tǒng)，并且基于PCI總線進(jìn)行專業(yè)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，集成仿真試驗(yàn)系統(tǒng)所需的PCI控制器及各功能模塊，其目的是有效減少現(xiàn)場測試煩瑣的設(shè)備拆卸、搬運(yùn)和部署工作。便攜仿真機(jī)設(shè)計(jì)及選型如圖2所示。

圖2 便攜機(jī)樣機(jī)

1.2.2 分布式移動(dòng)仿真裝置的選型設(shè)計(jì)

現(xiàn)場接入試驗(yàn)的繼電保護(hù)裝置主要分布在機(jī)組繼電保護(hù)室和升壓站繼電保護(hù)室，各類型保護(hù)屏柜相對(duì)分散布置。因此，仿真裝置的設(shè)計(jì)須考慮分布式布置，分布式測試結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

圖3 分布式測試結(jié)構(gòu)圖

1.2.2.1 通信、信號(hào)轉(zhuǎn)換、功率放大模塊集成化設(shè)計(jì)

集成化設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)在于便攜測試、就地使用，功放模塊與仿真主機(jī)通過一對(duì)光纖線相連，仿真主機(jī)的模擬量信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)直接在功放模塊內(nèi)部通過排線配置好，現(xiàn)場無須再配置電纜，信號(hào)干擾少，可靠性高。仿真裝置硬件集成結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

圖4 硬件集成結(jié)構(gòu)圖

1.2.2.2 模擬量、開關(guān)量接口設(shè)計(jì)

集成了模擬量輸出、DI輸入、DO輸出的功放裝置，與現(xiàn)場二次裝置的連接，設(shè)計(jì)為插孔式物理接口，用測試儀專用電纜連接，即插即用，既方便快捷高效，又安全可靠。現(xiàn)場保護(hù)屏柜模擬量回路端子排均采用交流試驗(yàn)端子，通過測試儀線插頭即可實(shí)現(xiàn)功放模擬量輸出與保護(hù)模擬量輸入的連接；開關(guān)量回路端子排均采用信號(hào)端子，通過測試儀線插頭+插針即可實(shí)現(xiàn)功放開關(guān)量輸入輸出與保護(hù)開關(guān)量輸入輸出的連接。

1.2.2.3 功放模塊的選型及移動(dòng)測試車設(shè)計(jì)

按照電站典型單元接線及典型保護(hù)配置統(tǒng)計(jì)繼電保護(hù)裝置所需電流和電壓模擬量，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，電流功放選型單臺(tái)輸出電流通道數(shù)按12路設(shè)計(jì)，電壓功放選型單臺(tái)輸出電壓通道按24路設(shè)計(jì)，電流電壓最大輸出幅值根據(jù)電站實(shí)際短路電流水平配置，移動(dòng)測試車按最大3臺(tái)裝置組屏設(shè)計(jì)。移動(dòng)測試車的設(shè)計(jì)還需考慮功放電源、安全接地等問題。移動(dòng)測試車結(jié)構(gòu)和外觀設(shè)計(jì)如圖 5所示。

圖5 移動(dòng)測試車結(jié)構(gòu)圖

2 電站繼電保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)場校核方法

DDRTS實(shí)時(shí)仿真裝置實(shí)現(xiàn)電站整站保護(hù)定值及二次回路現(xiàn)地校核的閉環(huán)仿真試驗(yàn)，具體方法步驟包括：1） 電站電氣一次設(shè)備參數(shù)、主接線方式等的收集整理；2） 根據(jù)收集的系統(tǒng)及電氣一次設(shè)備參數(shù)、主接線方式等在仿真裝置中建模；3） 在仿真裝置中設(shè)置待校核保護(hù)裝置對(duì)應(yīng)電氣一次設(shè)備不同的故障類型及故障點(diǎn)，形成故障集；4） 在仿真裝置中進(jìn)行電氣一次設(shè)備不同故障類型及故障點(diǎn)的開環(huán)仿真，錄取故障波形，分析故障波形是否正確完整；5） 檢查待校核保護(hù)裝置定值是否與下達(dá)的正式定值一致；6） 根據(jù)繼電保護(hù)定值投入保護(hù)裝置功能連片、出口連片；7） 在PT/CT二次出線處或匯控柜電壓、電流端子排處拆開并隔離保護(hù)相關(guān)電壓、電流回路；8） 連接分布式保護(hù)移動(dòng)測試裝置與PT/CT二次出線處或匯控柜端子排處的相關(guān)電壓、電流回路并檢查；9） 連接分布式保護(hù)移動(dòng)測試裝置與繼電保護(hù)裝置相關(guān)開關(guān)量輸入及輸出回路并檢查；10） 連接待校核繼電保護(hù)裝置所控制斷路器位置至分布式保護(hù)移動(dòng)測試裝置開關(guān)量輸入回路并檢查；11） 利用仿真裝置模擬系統(tǒng)空載、分別帶不同負(fù)荷正常運(yùn)行；12） 記錄在系統(tǒng)空載、分別帶不同負(fù)荷時(shí)保護(hù)裝置電壓、電流模擬量采樣值，與仿真裝置中計(jì)算出的電壓、電流值比較，誤差不大于5%；13） 利用仿真裝置模擬各開關(guān)量輸出信號(hào)，檢查保護(hù)裝置相應(yīng)開入量是否實(shí)時(shí)正確變位；14） 短接保護(hù)裝置動(dòng)作信號(hào)、分合斷路器，檢查分布式保護(hù)移動(dòng)測試裝置采集開入量信號(hào)是否正確；15） 利用仿真裝置模擬待校核電氣一次設(shè)備故障，進(jìn)行閉環(huán)仿真；16） 記錄待校核保護(hù)裝置動(dòng)作情況，導(dǎo)出保護(hù)裝置故障波形，分析保護(hù)動(dòng)作是否正確；17） 如果不正確，分析原因，修改保護(hù)定值；18） 如果正確，進(jìn)行其他故障模擬，直到所有故障集模擬完畢，結(jié)束本次校核。

所述步驟1）中所涉及系統(tǒng)參數(shù)為歸算到本發(fā)電廠/變電站高壓母線的系統(tǒng)等值阻抗。

所述步驟3）中故障類型包括單相接地、兩相短路、兩相短路接地、三相短路、斷線、系統(tǒng)振蕩、頻率偏離正常值等；故障點(diǎn)指的是不同的故障位置，如輸電線路的0~100%之間、變壓器繞組的某個(gè)位置等。

3 某電站現(xiàn)場試驗(yàn)方案

某電站裝設(shè)3臺(tái)80MW水輪發(fā)電機(jī)組，主接線采用一機(jī)一變的單元接線方式，經(jīng)升壓變壓器接入220kV電網(wǎng)，為確?，F(xiàn)場試驗(yàn)順利和人員、設(shè)備安全，編制水電站繼電保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)場校核作業(yè)指導(dǎo)書，規(guī)定了試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作、試驗(yàn)作業(yè)程序和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)后現(xiàn)場恢復(fù)等。

3.1 保護(hù)常規(guī)、異常采樣值校驗(yàn)

試驗(yàn)要求：發(fā)電機(jī)空載、帶25%、50%、75%、100%負(fù)荷下檢驗(yàn)各保護(hù)裝置及故障錄波裝置采樣，并錄取波形。

試驗(yàn)方法：用仿真裝置給電站系統(tǒng)的保護(hù)裝置和故障錄波裝置加入對(duì)應(yīng)模擬量，從40Hz~70Hz，每間隔5Hz進(jìn)行一次采樣值校驗(yàn)。記錄各處保護(hù)裝置和故障錄波裝置的采樣值，計(jì)算誤差是否滿足要求。

注意事項(xiàng)：試驗(yàn)時(shí)斷路器斷開，保護(hù)裝置處于正常運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)的功能壓板、出口壓板均投入運(yùn)行。

3.2 各種故障、異常工況保護(hù)校驗(yàn)

試驗(yàn)要求：模擬電站系統(tǒng)各種異常、故障工況，包括接地故障、相間故障、發(fā)電機(jī)匝間故障、發(fā)電機(jī)失磁、開關(guān)失靈、系統(tǒng)振蕩等。

試驗(yàn)方法：用仿真裝置模擬相應(yīng)故障并輸出故障量，測試保護(hù)裝置動(dòng)作行為，并保存錄取的故障波形。

注意事項(xiàng)：試驗(yàn)時(shí)保護(hù)裝置處于正常運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)的功能壓板、出口壓板、斷路器分合位置隨測試項(xiàng)目切換。

3.3 發(fā)電機(jī)保護(hù)與勵(lì)磁系統(tǒng)配合檢驗(yàn)

試驗(yàn)要求：模擬系統(tǒng)正常運(yùn)行，發(fā)電機(jī)帶不同負(fù)荷，檢驗(yàn)勵(lì)磁限制定值與保護(hù)配合關(guān)系是否正確。

試驗(yàn)方法：用仿真裝置將發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)電流、發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)子電壓分別接入發(fā)電機(jī)保護(hù)屏和勵(lì)磁系統(tǒng)屏，檢驗(yàn)勵(lì)磁不同限制定值與保護(hù)配合情況。

注意事項(xiàng)：注意接至保護(hù)裝置的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓值。

4 總結(jié)

筆者利用DDRTS實(shí)時(shí)仿真裝置對(duì)水電站繼電保護(hù)系統(tǒng)定值及回路的就地校核進(jìn)行研究，彌補(bǔ)了現(xiàn)有數(shù)字物理實(shí)時(shí)仿真裝置現(xiàn)場應(yīng)用的不足，推動(dòng)了仿真裝置在電站就地閉環(huán)試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，探索了利用數(shù)字動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)校核方法代替保護(hù)裝置常規(guī)檢驗(yàn)的可能性。利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)，短時(shí)間內(nèi)開展繼電保護(hù)系統(tǒng)定值及回路校驗(yàn)，有效降低機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，最終形成了一套繼電保護(hù)系統(tǒng)定值及回路現(xiàn)場試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，包括系統(tǒng)建模、故障模擬、故障波形審查、試驗(yàn)流程、試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作、試驗(yàn)作業(yè)程序和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)后現(xiàn)場恢復(fù)等，開創(chuàng)了一種全新的繼電保護(hù)定值校核方法。