王 賀錢雅云周 磊韓民疇
(1.國(guó)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)
備用電源自動(dòng)投入裝置(簡(jiǎn)稱“備自投”)是當(dāng)工作電源因故障跳閘后,自動(dòng)迅速地將備用電源投入的一種自動(dòng)裝置。它可以提高供電可靠性、簡(jiǎn)化繼電保護(hù)配置。然而目前備自投變電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試調(diào)試還存在如下問題:對(duì)備自投進(jìn)行全面測(cè)試時(shí),已投運(yùn)變電站需要對(duì)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(cè)試儀模擬運(yùn)行裝置時(shí),多為全人工手動(dòng)控制開關(guān)量和模擬量的變化,自動(dòng)化水平低,測(cè)試效率低;備自投調(diào)試過程中動(dòng)作邏輯復(fù)雜,需要同時(shí)模擬多個(gè)斷路器動(dòng)作狀態(tài)和電壓電流狀態(tài),缺少能實(shí)現(xiàn)此功能的測(cè)試裝置。
國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)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(shí)際裝置混合仿真平臺(tái)研究方面還處于起步階段。近年來,國(guó)電南京自動(dòng)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(guó)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(cè)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(cè)試相關(guān)設(shè)備的數(shù)字化模擬奠定了基礎(chǔ)。
目前,國(guó)內(nèi)在繼電保護(hù)設(shè)備測(cè)試,新建變電站驗(yàn)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(cè)試技術(shù)方面還缺乏相關(guān)研究。本文針對(duì)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(cè)試技術(shù),設(shè)計(jì)備自投測(cè)試裝置,實(shí)現(xiàn)模擬多斷路器功能和備自投保護(hù)不停電檢修測(cè)試,對(duì)實(shí)現(xiàn)不停電檢修具有重要的意義,為推動(dòng)備自投設(shè)備高效可靠測(cè)試的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)和借鑒作用。
本文設(shè)計(jì)了備自投測(cè)試裝置,并通過開發(fā)備自投測(cè)試軟件,實(shí)現(xiàn)備自投的不停電測(cè)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(diǎn)DSP、FPGA[3]和對(duì)外接口組成,對(duì)外接口包括8組光以太網(wǎng)、1組光串行接口、1對(duì)硬接點(diǎn)開入及1對(duì)快速硬接點(diǎn)開出、無線通信接口、SD 卡接口。光以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)IEC 61850-9-1/2、GOOSE 報(bào)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(shí)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(shí)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(bào)文備自投測(cè)試軟件,設(shè)置斷路器對(duì)象,配置每個(gè)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(shí)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(shí)際設(shè)備相互配合,實(shí)現(xiàn)備自投不停電檢修測(cè)試工作;并通過圖形化控制界面模擬多斷路器功能,實(shí)現(xiàn)備自投保護(hù)測(cè)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。可視化控制模塊,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(dòng)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(duì)應(yīng)位置信號(hào)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(shí)驗(yàn)控制模塊;實(shí)驗(yàn)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(shí)將接收到的備自投輸出GOOSE信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)傳輸給數(shù)字模擬斷路器模塊及備自投邏輯模塊。
基于數(shù)字報(bào)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(cè)試過程中的輸入輸出以及狀態(tài)切換,來模擬真實(shí)斷路器不同狀態(tài)的對(duì)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(hào)和開關(guān)量信號(hào)對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)的電壓信號(hào)、電流信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)的變化,實(shí)現(xiàn)原理如下。
(1)通過軟件虛擬設(shè)置多個(gè)斷路器對(duì)象,每個(gè)斷路器對(duì)象可配置分位與合位等狀態(tài)。
(2)根據(jù)實(shí)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(gè)斷路器圖元與SCD 文件中對(duì)應(yīng)位置信號(hào)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(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)、電流信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,以及對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)、電流信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)的分合狀態(tài)值;每個(gè)數(shù)字模擬斷路器關(guān)聯(lián)位置狀態(tài)切換信號(hào);建立各段母線和母線電壓信號(hào)的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及母線電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)正常態(tài)或失壓態(tài)的值。
(3)每個(gè)斷路器可關(guān)聯(lián)位置狀態(tài)切換信號(hào),如保護(hù)跳閘信號(hào)、合閘信號(hào)、遙控分合信號(hào)、手分手合信號(hào)、備自投跳合信號(hào)等。模擬斷路器可依據(jù)關(guān)聯(lián)的位置狀態(tài)切換信號(hào)自動(dòng)觸發(fā)斷路器位置的變化,并觸發(fā)對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)模擬量、開關(guān)量的變化。同時(shí),在模擬斷路器圖元上可手動(dòng)點(diǎn)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(duì)象通過判斷相關(guān)聯(lián)斷路器是否與電源端相連來自動(dòng)實(shí)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。
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(hào),以及狀態(tài)觸發(fā)信號(hào)的配置,測(cè)試儀能自動(dòng)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(dòng)切換狀態(tài)。針對(duì)智能變電站中的多電源備自投裝置,可同時(shí)配置多個(gè)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(shí)際設(shè)備相互配合,完成備自投保護(hù)功能校驗(yàn)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(huì)造成大出血,使產(chǎn)婦與胎兒生命受到直接威脅,對(duì)此,強(qiáng)化產(chǎn)婦胎盤植入診斷和檢測(cè)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(jià)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(jià)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(cè)試備自投。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。
圖4 備自投不停電測(cè)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(cè)備自投IED 后,自動(dòng)搜索與待測(cè)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(duì)應(yīng)的SV 信號(hào)和GOOSE 信號(hào),同時(shí),可以模擬保護(hù)裝置發(fā)出閉鎖信號(hào)。
數(shù)字模擬斷路器模塊根據(jù)接收到的GOOSE信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)的電壓信號(hào)、電流信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)的變化。備自投邏輯模塊根據(jù)接收到的GOOSE 信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行邏輯判定,完成備自投的測(cè)試,并生成測(cè)試報(bào)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(gè)進(jìn)線,就可以自動(dòng)生成圖4所示主接線。
步驟2,導(dǎo)入SCD 文件,選擇待測(cè)備自投IED后,自動(dòng)搜索與待測(cè)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(gè)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(duì)應(yīng)的SV 信號(hào)和GOOSE信號(hào),同時(shí),可以模擬保護(hù)裝置發(fā)出閉鎖信號(hào);
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(duì)應(yīng)位置信號(hào)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(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)的電壓信號(hào)、電流信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)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(gè)模擬斷路器,并分別將備自投跳合各斷路器的GOOSE 出口信號(hào)關(guān)聯(lián)為斷路器的狀態(tài)切換信號(hào),同時(shí)將智能終端的斷路器位置信號(hào),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(hào);
步驟6,實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)控制模塊接收待測(cè)備自投IED 輸出的GOOSE信號(hào)和開關(guān)量信號(hào),將接收到的GOOSE信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)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(hào)和開關(guān)量信號(hào)對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)的電壓信號(hào)、電流信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)的變化。備自投邏輯模塊根據(jù)接收到的GOOSE信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行邏輯判定,完成備自投的測(cè)試,并生成測(cè)試報(bào)告。
備自投測(cè)試裝置通過圖形可控的測(cè)試方式實(shí)現(xiàn)備自投的不停電測(cè)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(duì)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(shí)現(xiàn)主接線圖的自動(dòng)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(shí)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(dòng)生成的主接線圖上的圖元都是可控對(duì)象。測(cè)試人員可簡(jiǎn)單直觀的在主接線圖上同時(shí)操作模擬多個(gè)斷路器的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)備自投的功能測(cè)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(dòng)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(tái)后臺(tái)程序自動(dòng)完成。如可以通過點(diǎn)擊斷路器圖元來控制斷路器的分合同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)狀態(tài)的關(guān)聯(lián)信號(hào)數(shù)據(jù),點(diǎn)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(cè)試裝置還設(shè)置了一鍵存儲(chǔ)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(shí)直接調(diào)取使用。
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(cè)試技術(shù)在某110 k V 變電站試點(diǎn)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(shí)際設(shè)備相互配合,完成備自投保護(hù)功能校驗(yàn)工作。
圖6是自動(dòng)繪制的主接線圖,備用線是擴(kuò)建間隔,需要用測(cè)試儀模擬其他運(yùn)行間隔。具體實(shí)施應(yīng)用如下。
圖6 系統(tǒng)自動(dòng)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(gè)進(jìn)線,并給設(shè)備命名,自動(dòng)生成圖6所示主接線。
第2步,導(dǎo)入SCD 文件,選擇待測(cè)備自投IED后,自動(dòng)搜索與待測(cè)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(duì)象。將各間隔智能終端的斷路器跳位監(jiān)視信號(hào)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(hào)。
第6步,對(duì)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(hào)關(guān)聯(lián)為斷路器的狀態(tài)切換信號(hào)。
第7步,將測(cè)試儀和備自投以及沒有模擬的實(shí)際設(shè)備的光纖接好,開始對(duì)備自投的邏輯進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試完成后測(cè)試儀會(huì)將測(cè)試過程和測(cè)試數(shù)據(jù)記入測(cè)試報(bào)告。
通過某110 k V 變電站的試點(diǎn)應(yīng)用,證明只需進(jìn)行斷路器狀態(tài)、關(guān)聯(lián)信號(hào)以及狀態(tài)觸發(fā)信號(hào)的簡(jiǎn)單配置,測(cè)試儀即可自動(dòng)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(dòng)切換狀態(tài)。針對(duì)智能變電站中的多電源備自投裝置,可同時(shí)配置多個(gè)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(shí)際設(shè)備相互配合,完成備自投保護(hù)功能校驗(yàn)工作。
為解決備自投現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中遇到的測(cè)試效率低、停電時(shí)間長(zhǎng)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(cè)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(cè)試等技術(shù)路線,實(shí)現(xiàn)多斷路器對(duì)象的自動(dòng)模擬和備自投保護(hù)不停電檢修測(cè)試。此測(cè)試裝置在變電站現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中操作過程簡(jiǎn)單直觀,大大提高了備自投的測(cè)試效率,減少了停電調(diào)試帶來的損失,同時(shí),提高了備自投測(cè)試的全面性,保障了備自投的安全穩(wěn)定運(yùn)行。