王樂寧 邢奧斌 張 路 劉 灝 李 冬

（國能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安 625300）

0 引言

保證水電廠的安全生產(chǎn)運(yùn)行是維持電力系統(tǒng)能源供給不可或缺的部分。繼電保護(hù)作為電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線，其原理復(fù)雜、設(shè)備很多，對(duì)繼電保護(hù)及自動(dòng)化專業(yè)人員的業(yè)務(wù)水平提出了較高的要求。

目前，繼電保護(hù)自動(dòng)化專業(yè)培訓(xùn)主要依靠理論教學(xué)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致專業(yè)人員缺乏實(shí)操演練機(jī)會(huì)，現(xiàn)場故障處理能力偏弱。為加強(qiáng)實(shí)訓(xùn)效果，文獻(xiàn)[1]主要通過測試儀對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行調(diào)試；文獻(xiàn)[2]使用軟件對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行數(shù)字建模，并闡釋了在智能變電站實(shí)訓(xùn)中，測試儀與虛擬保護(hù)之間的交互模式。文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]均利用測試儀作為故障源，缺乏與實(shí)際電氣一次系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。文獻(xiàn)[3]采用了虛擬與真實(shí)設(shè)備相結(jié)合的仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)與測試，但其應(yīng)用領(lǐng)域主要聚焦于變電站，尚未拓展至發(fā)電側(cè)。

當(dāng)前繼電保護(hù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)存在以下2個(gè)問題：1） 缺乏對(duì)電氣一次系統(tǒng)故障的模擬手段，無法還原繼電保護(hù)動(dòng)作的真實(shí)場景。2） 少有針對(duì)發(fā)電側(cè)的仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)建與探討。為提升發(fā)電側(cè)繼電保護(hù)專業(yè)人員的技能培訓(xùn)效果，該論文提出一種基于數(shù)字物理混合仿真技術(shù)的水電廠電氣二次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

1 水電廠電氣二次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)建

該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真模擬一次系統(tǒng)與真實(shí)物理二次系統(tǒng)的無縫銜接，再現(xiàn)故障場景，其原理如圖1所示。系統(tǒng)通過交流采樣回路將仿真計(jì)算得到的正常運(yùn)行和事故狀態(tài)下的電流、電壓信號(hào)接入保護(hù)裝置，真實(shí)模擬一次系統(tǒng)故障電流、電壓信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性，并實(shí)時(shí)采集經(jīng)開關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置返回的斷路器位置狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠一次、二次系統(tǒng)全過程閉環(huán)仿真。接下來對(duì)二次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行介紹。

圖1 水電廠電氣二次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

1.1 電磁暫態(tài)仿真計(jì)算

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或開關(guān)的分合時(shí)，各元件中電場、磁場以及相應(yīng)的電壓和電流將發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，產(chǎn)生復(fù)雜的電磁暫態(tài)過程。在實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中，仿真軟件的圖形化建模平臺(tái)可根據(jù)真實(shí)一次系統(tǒng)拓?fù)?、元件參?shù)搭建一次系統(tǒng)圖，并在任意點(diǎn)設(shè)置各類型故障，仿真計(jì)算環(huán)節(jié)便可讀取軟件中的模型參數(shù)，從而進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真計(jì)算。電磁暫態(tài)仿真計(jì)算基于H.W.Dommel教授提出的算法，在電力系統(tǒng)元件的處理中，應(yīng)用隱式梯形積分法將微分方程化為離散化差分方程，在任意時(shí)刻，得到由一系列等值電阻和等值電流源構(gòu)成的諾頓等效電路形式的暫態(tài)等值計(jì)算電路。以該暫態(tài)等值計(jì)算電路為基礎(chǔ)得到節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，形成節(jié)點(diǎn)方程，如公式（1）所示。

式中：()為當(dāng)前時(shí)刻由暫態(tài)等值電路的純電阻部分形成的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣；()為時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)電壓組成的列向量；()為時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)注入電流組成的列向量。

（）的值滿足公式（2）。

式中：（-Δ）為電流源歷史項(xiàng)列向量，其意義為當(dāng)前時(shí)刻暫態(tài)等值電路在諾頓等效形式下與該節(jié)點(diǎn)相連的等值電流源列向量的值，由（-2Δ）、-Δ時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)電壓和節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣計(jì)算得到；（）為當(dāng)前時(shí)刻的外施電流源。

因此，節(jié)點(diǎn)方程如公式（3）所示。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)方程，對(duì)對(duì)稱的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣進(jìn)行三角分解，通過前代和回代運(yùn)算求解時(shí)刻的各節(jié)點(diǎn)電壓（）和支路電流，并計(jì)算得到新的諾頓等效電流源歷史項(xiàng)列向量（），再進(jìn)一步求解+Δ時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)方程（+Δ）（+Δ）=（）+（+Δ），得到新的節(jié)點(diǎn)電壓U（t+Δt）和支路電流。如此反復(fù)，以固定的仿真步長向前在每一個(gè)步長點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行求解。如果在仿真過程中系統(tǒng)發(fā)生了故障或開關(guān)的跳合閘，那么必須修正節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣并重新進(jìn)行三角分解。

在電磁暫態(tài)計(jì)算中，電機(jī)采用經(jīng)典派克方程描述的微分方程，其數(shù)值求解仍可采用梯形法。由于電機(jī)是在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算的，而網(wǎng)絡(luò)則是在A、B、C三相靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算的，因此電磁暫態(tài)仿真計(jì)算采用機(jī)網(wǎng)接口對(duì)相應(yīng)的端口交換量進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

1.2 模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換和模擬電壓/電流互感器

模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換和模擬電壓、電流互感器具有數(shù)/模轉(zhuǎn)換以及電壓、電流輸出功能，可將仿真的數(shù)值量結(jié)果轉(zhuǎn)換成交流模擬量輸出，是溝通仿真主機(jī)與真實(shí)二次裝置的接口。在仿真主機(jī)中可根據(jù)自動(dòng)化設(shè)備的具體情況設(shè)置電壓、電流通道數(shù)以及電壓、電流放大倍數(shù)等，仿真計(jì)算輸出的數(shù)字信號(hào)通過模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置和電壓電流互感器模擬裝置進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換和功率放大，從而產(chǎn)生可直接接入真實(shí)二次裝置的信號(hào)，進(jìn)而模擬實(shí)際生產(chǎn)過程中電壓、電流互感器二次側(cè)接入繼電保護(hù)裝置的場景。在每步長結(jié)束后，各信號(hào)輸出量由仿真主機(jī)的實(shí)時(shí)進(jìn)程控制系統(tǒng)同步控制，從而保證輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)性以及數(shù)字一次系統(tǒng)和物理二次系統(tǒng)的無縫對(duì)接。

1.3 開關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)換

開關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置用于系統(tǒng)與二次真實(shí)設(shè)備開關(guān)量的交換，通過將繼電保護(hù)的跳閘命令或斷路器的開關(guān)位置返回仿真主機(jī)來完成圖1中二次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的閉環(huán)仿真。該裝置配置若干I/O信號(hào)模塊，各信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的輸入、輸出由仿真主機(jī)同步控制。開關(guān)量輸入信號(hào)均采用光電耦合輸入，開關(guān)量輸出信號(hào)采用繼電器輸出。

2 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用

該文提出的水電廠電氣二次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在大渡河瀑布溝水電廠實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。該水電廠擁有6臺(tái)額定電壓為27 kV、單機(jī)容量為600 MVA的發(fā)電機(jī)組。該二次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電機(jī)實(shí)際參數(shù)建立仿真模型。

2.1 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的組成

為提高該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用性，結(jié)合該電站一次設(shè)備布置及繼電保護(hù)配置情況，一次設(shè)備的模擬采用數(shù)字仿真技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，二次側(cè)采用與現(xiàn)場相同的物理裝置，實(shí)現(xiàn)了物理仿真與數(shù)字仿真的有機(jī)結(jié)合以及數(shù)字電網(wǎng)與真實(shí)物理設(shè)備的無縫對(duì)接。二次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)仿真首先面向保護(hù)設(shè)備進(jìn)行劃分，即分為發(fā)電機(jī)保護(hù)、主變壓器保護(hù)、出線保護(hù)、母線保護(hù)以及斷路器保護(hù)，每元件的保護(hù)各由一套組成，建立了“一機(jī)、一變、一線路、雙母線”的保護(hù)配置方案。各元件的保護(hù)根據(jù)應(yīng)用情況，將動(dòng)作出口命令返回仿真主機(jī)，并在各元件的保護(hù)之間實(shí)現(xiàn)屏間電氣聯(lián)動(dòng)，更加真實(shí)地模擬水電站在實(shí)際運(yùn)行中保護(hù)裝置的運(yùn)行情況。

2.2 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用舉例

在實(shí)訓(xùn)過程中，教員在仿真軟件中觸發(fā)發(fā)電機(jī)各類故障并進(jìn)行仿真計(jì)算。通過實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的模擬電壓/電流互感器裝置輸出計(jì)算得到的事故狀態(tài)下的電流、電壓信號(hào)，經(jīng)交流采樣回路接入現(xiàn)場真實(shí)保護(hù)裝置，觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。以下展示實(shí)訓(xùn)教員通過仿真觸發(fā)發(fā)電機(jī)典型故障后，二次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)效果。

用實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模擬發(fā)電機(jī)定子A相兩個(gè)并聯(lián)分支繞組間發(fā)生匝間短路故障。由于短路造成A相并聯(lián)繞組電勢不再相等，A相兩并聯(lián)繞組之間出現(xiàn)環(huán)流，根據(jù)發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)的接線和保護(hù)原理，該環(huán)流會(huì)導(dǎo)致單元件橫差動(dòng)保護(hù)、裂相橫差動(dòng)保護(hù)以及不完全縱差動(dòng)保護(hù)均因出現(xiàn)差流而動(dòng)作。從觸發(fā)故障后實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中保護(hù)裝置的報(bào)文來看，報(bào)文顯示0 ms保護(hù)啟動(dòng)，30 ms發(fā)電機(jī)橫差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，44 ms發(fā)電機(jī)裂相差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，50 ms發(fā)電機(jī)不完全差動(dòng)1保護(hù)動(dòng)作，跳滅磁開關(guān)、跳GCB開關(guān)，證明仿真的發(fā)電機(jī)故障成功觸發(fā)了保護(hù)的正確動(dòng)作?，F(xiàn)場錄波裝置記錄的波形如圖2所示。由圖2可知，在故障（0 ms）前，各相中性點(diǎn)兩分支的電流相位和幅值幾乎相等，A相短路后，由于A相兩繞組中出現(xiàn)環(huán)流，因此A相分支1、2的電流瞬時(shí)值大小相等、方向相反且幅值增大。在保護(hù)跳斷路器開關(guān)后，B相、C相電流變?yōu)? A，而A相有環(huán)流的存在，斷路器斷開約230 ms后，繞組電流降為0，由此可知真實(shí)保護(hù)的跳閘信號(hào)引發(fā)斷路器動(dòng)作后，開關(guān)位置成功返回仿真。該錄波圖符合真實(shí)故障狀態(tài)下定子匝間短路故障錄波的特點(diǎn)，并且進(jìn)一步證明了二次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)故障再現(xiàn)的完整性和有效性。

圖2 定子繞組匝間短路錄波圖

用實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模擬發(fā)電機(jī)失磁狀態(tài)，現(xiàn)場保護(hù)裝置報(bào)文顯示0 ms保護(hù)啟動(dòng)，999 ms失磁保護(hù)III段動(dòng)作，跳滅磁開關(guān)、跳高壓側(cè)、關(guān)主汽門、跳廠變A分支、跳廠變B分支、啟動(dòng)A分支快切、啟動(dòng)B分支快切、解除失靈電壓閉鎖并啟動(dòng)斷路器失靈。該結(jié)果說明二次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)正確觸發(fā)了保護(hù)動(dòng)作?，F(xiàn)場錄波裝置采集得到的波形經(jīng)錄波分析軟件生成的發(fā)電機(jī)失磁機(jī)端阻抗變化軌跡如圖3所示。圖3中橫坐標(biāo)為阻抗的電阻，單位為標(biāo)幺值（p.u）,縱坐標(biāo)為阻抗的電抗，單位為標(biāo)幺值（p.u）。在發(fā)電機(jī)失磁后，電磁轉(zhuǎn)矩小于原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子加速，功角δ增加。在失去同步前，機(jī)端阻抗軌跡大致沿等有功功率圓移動(dòng)，且發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)吸收大量的無功功率，以建立機(jī)組的勵(lì)磁，軌跡由第一象限移動(dòng)至第四象限。功角增加至超過靜穩(wěn)極限后，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)失去同步，機(jī)端測量阻抗軌跡逐漸進(jìn)入靜穩(wěn)阻抗圓（也稱為臨界阻抗圓）范圍，表明發(fā)電機(jī)由同步轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行。在異步運(yùn)行階段，發(fā)電機(jī)繼續(xù)吸收無功功率，軌跡落入失磁保護(hù)的異步阻抗圓范圍內(nèi)，觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。

圖3 發(fā)電機(jī)失磁機(jī)端阻抗變化軌跡

3 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的效果

3.1 對(duì)職工培訓(xùn)效果的提升

為了提高該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用性，該文結(jié)合該電站一次設(shè)備布置及繼電保護(hù)配置情況，構(gòu)建了基于數(shù)字物理混合仿真技術(shù)的水電廠繼電保護(hù)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在職工技能培訓(xùn)方面發(fā)揮了重要作用，電站利用該系統(tǒng)開展技能培訓(xùn)，讓職工在仿真設(shè)備上開展實(shí)操演練，模擬實(shí)際故障處理。與傳統(tǒng)理論培訓(xùn)相比，仿真實(shí)操培訓(xùn)大大提升了培訓(xùn)的實(shí)用性和針對(duì)性，也提升了職工技能培訓(xùn)的效果。

3.2 職工技能比武的平臺(tái)

該電站以二次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為依托搭建職工技能比武平臺(tái)，組織職工利用該系統(tǒng)開展技能比武，與傳統(tǒng)的紙質(zhì)答題或者線上考試相比，該系統(tǒng)可以進(jìn)行仿真比武，與現(xiàn)場實(shí)際設(shè)備操作保持一致。該電站在比武中設(shè)置運(yùn)行操作或故障處理等題目均能在實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中得到實(shí)現(xiàn)，大大提升了技能比武的實(shí)操性和針對(duì)性。

4 結(jié)語

該文基于當(dāng)前發(fā)電側(cè)繼電保護(hù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)的不足，構(gòu)建了一種基于數(shù)字物理混合仿真技術(shù)的水電廠電氣二次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，并在實(shí)訓(xùn)中進(jìn)行了實(shí)踐。由仿真觸發(fā)一次系統(tǒng)故障而得到的二次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作報(bào)文和裝置錄波結(jié)果與真實(shí)電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)發(fā)生各類故障的特性吻合，由此證明二次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的仿真計(jì)算以及故障電壓、電流輸出環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性，可以滿足二次實(shí)訓(xùn)的功能需求。應(yīng)用效果表明，基于數(shù)字物理混合仿真的實(shí)訓(xùn)方式可精確再現(xiàn)電廠故障，增加了專業(yè)人員實(shí)操演練的機(jī)會(huì)，比傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)方式具有更明顯的優(yōu)勢。