基于数字物理混合仿真技术的继电保护自动化实训系统.pdf

技 术 与 应 用 基于数字物理混合仿真技术的 继电保护 自动化实训系统 彭 勇 吕政权 ( 上海市电力公司， 郝琳娜许燕 上海2 0 0 4 3 8) 摘要针对目前国内继电保护专业实训系统存在的不足， 建立了一套更符合电网生产现场要求、 面向继电保护和 自动化专业技术人员的继 电保护实训系统。该系统将数字物理混合仿真系统、继电 保护屏柜和综合自动化系统有机结合， 采取电网数字化模型与真实的变电站二次设备相结合的方式， 形成一套完整的实时闭环实训系统。该系统具备联机调试功能，可为继电保护专业人员营造逼真的 实训环境，提高其处理系统故障时的综合分析能力。 关键词：数字物理混合仿真系统；继电保护；联调；实训系统 No v e l Re l a y Pr o t e ct i o n a n d Aut o m a t i o n Tr a i n i ng S ys t e m Ba s e d o n Di g i t a l Ph ys i ca l Hy br i d Si mu l a t i ng Te ch no l o g y Pe n g Y o n g LvZh e n q u a n Ha oLi n n a Xu Y a h ( S h a n g h a i Mu n i ci p a l E l e ct r i c p o we r C o m p a n y , S h a n g h a i 2 0 0 4 3 8 ) Abs t r a ct I n a l l us i o n t o t h e d e fici e n ci e s o f d o me s t i c r e l a y p r o f e s s i o n a l t r a i ni n g s y s t e m cu r r e n t l y ， t h i s pa pe r h a s e s t a bl i s h e d a no ve l r e l a y p r o t e ct i o n t r a i ni n g s y s t e m o r i e n t a t e d t o t h e t e ch n i ca l p e r s o n n e l e ng a g e d i n r e l a y p r o t e ct i o n a n d a ut o ma t i o n t h a t i s mu ch mo re in co mpl i a n ce wi t h the o p e r a t i n g s i t e r e q u i r e me n t s o f e l e ct r i ca l p o we r g r i d Th i s s y s t e m a d o p t s a co mb i n a t i o n ma n n e r of g r i d d i g i t a l mo d e l a n d r e a l s u bs t a t i o n s e co n d a r y e q u i pme n t i n a cl o s e - l o o p s i mu l a t i o n s ys t e m i n co r po r a t i n g the d i g i t a l& p h y s i ca l h y b r i d s i mul a t i o n s y s t e m，r e l a y p r o t e ct i o n ca bi ne t s a n d i nte g r a t e d a u t o ma t i o n s y s t e m I n a d d i t i o n ，t h i s s y s t e m i s ca p a bl e f o r o n l i n e d e b ug g i ng ，o f f e r i n g a v i v i d t r a i n i n g e n vi r o n me nt for u s e r s a n d i mp r o v i n g t h e i r co mp r e h e n s i ve a n a l ys i s ca pa b i l i t i e s t o co p e wi t h f a i l u r e s in the r e a l r u n n i n g co n d i t i o ns Ke y wor ds ：d i g i t a l & ph y s i ca l h y b r i d s i mu l a t i n g s ys t e m ； r e l a y p r o t e ct i o n；o n l i n e d e b u g g i n g； t r a i n i ng s y s t e m 近年来，电力系统内投入 了大量的调度员仿真 实 训系 统 ( DT S )和 变 电站运 行人 员仿 真实训 系统 ( OT S ) ，它们对提高电力系统调度、运行人员的专 业素质起到了很好的作用。但是，D T S主要侧重于 对 电网一次系统的动态行为特征的模拟和对调度 自 动 化监 控界面 的模拟 ，而对 继 电保护 、 自动 化等 二 次系统的模拟比较简单。O T S对继电保护、自动化 系统的仿真虽然比电网调度员仿真实训系统详细， 但 也 只是对 设备或 系统 的操作 界面进 行模拟 。而 真 正面 向继 电保 护和 自动化 专业 技术人 员 的专 业仿 真 实训系统还不多见。另一方面，通过对现场实训需 求进行调研发现，对继 电保护和 自动化系统等专业 I 6 6 l 曝囊 | l 藏贰2 0 1 3 年 第7 期 技术人员进行运行操作、调试维护和检修试验等内 容的实训是十分必要的。 针 对上述 问题 ，近几 年有部 分实训 中心 和科研 机构建立了基于电磁暂态仿真的继电保护实训系统， 但其一次模拟电网规模和保护配置都难 以满足电网 继电保护专业人员的实训需求【 l 之 。 本 文通 过建 设一套基 于混 合物理 仿真技 术 的新 型 继 电保 护实训 系统 ，解决 上述 问题 。该 系统 以数 字物理混合仿真系统为基础，采取电网数字化模型 与真实的变 电站二次设备相结合的方式，形成一套 完整的实时闭环实训系统，该系统具备联机调试功 能，可满足电网生产实训需求。电网数字化模型选 技 术 与 应 用 实训 内容，线路和断路器保护配置了多套不同厂家 的保护产品，同时，亦采取技术手段设置保护装置 与屏柜 的连接：保护装置通过规范接线的航空插头 与屏柜相连 ，同类型保护的不同装置切换时，只需 插拔航空插头即可实现 。因实训系统在设计时严格 按照继电保护国网 “ 六统一 ”原则 _ 6 ，因此保证 了 外回路端子的统一性和航空插头接线的规范性。 实训系统共配置包含线路保护、断路器保护、 主 躞 保护、母线保护、高抗保护、发变组保护、低容、 抵抗保护和故障录波器等在内的 9 0多套保护装置。 3 )综合自动化系统 本系统中，综自系统采用分层分布式结构，按 控制层次和对象配置全站控制级和就地单元控制级。 全站控制级实现站级单元的信息共享以及站内设备 的在线监测、数据处理以及站级实时控制，包括操 作员站、监控系统软件和网络交换机。就地单元控 制级按控制区域分布式配置 ，完成对控制区域 的数 据采集和控制。就地单元控制级与全站控制级采用 I E C 6 1 8 5 0规 约通信 。 2 技术特点 与 常规 继保实 训系 统相 比，本文 所述 的实训 系 统在调试方式、保护装置与屏柜连接方法和保护装 置配置等方面有很大优势，具体体现在以下几个方 面 。 1 )同时支持保护装置单屏调试和闭环联调 现有常规继保实训系统大多只配置有保护屏柜， 实训时学员通过测试仪器进行单屏调试。单屏调试 将各套保护装置孤立开来，难 以测试复杂情况下发 生故障时的装置特性，同时也无法形象地模拟现场 故障。本实训系统建有数字物理混合仿真系统，该 系统通过搭建精确的一次设备数学模型，模拟区域 电网运行，并将运行参数实时传输至继 电保护和 自 动控 制装 置 中 。同时 ，继 电保护 和 自动 控制装 置 的 动作信号亦可通过高速信号转换箱实时反馈回数字 仿真系统，形成数字仿真系统和物理设备之间的闭 环连接。因此 ，本实训系统既可实现保护装置 的单 屏 调试 ，亦可建 立 闭环 联调 。 闭环联调时， 在数字物理混合仿真系统中可设置 线路、主变、母线等各种故障，仿真系统真实模拟故 障过程和状态。继电保护装置在采集到故障信息后， 即可根据保护原理动作，并将开关跳、 合闸信号传输 至仿真系统。 闭环联调除了可以测试简单的接地和相 间故障，还能准确测试重合闸、转换性故障、跨线故 I 6 8 I 电1 I 芨l it 2 0 1 3 年第7 期 障、 系统振荡等复杂情况下装置的特性，实现对保护 装置 的全面测 试 ； 还可 以方便地模拟 系统中的多重故 障和 多个 继 电保护装置之 间的相 互影响； 亦可在真实 的二次回路设置缺陷， 由此引起的故障由系统实时响 应，无需人工干预。从而 ，可以更真实地模拟故障， 使实训工作更接近现场， 从而提高实训人员在现场面 临真实 故障时 的应对 能力 。 2 )保 护装 置通过 可插拔 航空 插头与 屏柜相 连 ， 装 置切换 灵活 在生产现场和现有继保实训系统中，保护装置 和屏柜配 置的常规 做法 是， 每 套保护 装置单独 组柜 ， 装 置与屏 柜通过 端子 排接 线直接 相连 。采 用此 方式 保证了每套保护装置工作的独立性，但也存在很多 问题。例如，当保护装置需更新时，则要重新修改 端子接线和电缆布线； 每套保护装置单独组一面屏， 也导致 系统 占地 规模大 和 电缆布 线复杂 ， 造 成浪费 。 ( a )与屏柜外回路相连的航空插座 ( b) 保护 装 置 及 其航 空 插 头 图 4 实训系统 为解决上述 问题，在本实训系统中，保护装置 通 过可插 拔 的航 空插 头与 屏柜外 回路相 连 。每 个保 护屏柜，其所有外回路接线按照一定规律通过端子 排 引入 屏后 的航空 插座 ( 如 图 4 ( a )所 示 ) ，每套 保护装置 的所有引出线亦按照一定规律汇总至航空 插头处 ( 如 图 4 ( b )所示 ) 。保 护装置 与屏柜 相连 时 ，将保 护装 置 的航空插 头插入对 应 屏柜 的航空插 座即可。通过此方法，多套同类型保护装置可共用 一 面屏柜，当不同装置替换时，只需插拔与装置相 连的航空插头即可 ，无需对每套装置都配置保护屏 柜和端子接线，减少了系统硬件配置及二次电缆铺 设 ，节 省 了费用 ，具有 很高 的推广和 应用价值 。 3 ) 遵循 “ 六统一”设计原则，保护装置配置多 样化 因断路器收到第一套保护 的三相跳令，三跳后闭锁 第二套保护重合闸，故第二套保护随即也发三相跳 令。当把线路第一套保护的 “ 停用重合闸”压板退 出后 ，线路发生相 同故障，保护动作正常 ，监控后 台和故障录波数据信息报告正常 。至此，仿真二线 “ 停 用重 合 闸 ”压板 误投 退 问题解 决 。 4结 论 本文基于混合物理仿真技术的新型继 电保护实 训系统以 5 0 0 k V变 电站典型接线为基础建立区域模 拟电网，配置有 目前最新、最常用的保护设备和基 于 I E C 6 1 8 5 0的综合 自动化系统，是一套具有前瞻 性和 完整 性 的继 电保护 实 训系统 。该实训 系 统有如 下特 点 ： 1 ) 系统建设有数字物理混合仿真系统能真实模 拟 区域 电网运行 ，实 现保护 装置 的 闭环 联 调 。 2 ) 保护装置通过可插拔的航空插头与屏柜外回 路相连，可实现同类保护的同屏不同装置替换 ，方 便 系 统的扩 展 。 3 )保 护装置 配置 完备 、种类 丰 富，可针 对不 同 变电站继 电保护和 自动化人员开展不 同的专题实训 ， 技 术 与 应用 提高其处理系统故障时的综合分析能力。 参考文献 1 】 张小东 基于电磁暂态仿真的继电保护实训系统的研 制 D】 天津： 天津大学， 2 0 1 0 2 】 王运 莉 ， 电力 系统 继 电保 护仿 真 平 台研 发 思 路探 讨 J 】 技术研发， 2 0 0 8 ， 1 2 ( 7 ) ： 9 7 9 8 3 梁旭， 张萍， 胡明亮， 等 基于实时仿真技术的变电站数 字物理 混合仿真与实训 系统 J 电力 系统 自动化， 2 0 0 5 2 9 ( 1 0 ) ： 7 9 - 8 1 4 柳勇军， 梁旭， 闵勇 电力系统实时数字仿真技术 J 中 国电力， 2 0 0 4 ， 3 7 ( 4 ) ： 3 9 - 4 2 5 国家 电网公 司 Q GDW 1 6 1 2 0 0 7 线路保 护及 辅助装 置标准化设计规范 S 】 北京： 中国电力出版社， 2 0 0 8 【 6 国家电网公司 Q GDW 1 7 5 - 2 0 0 8变压器、高压并联 电抗器和母线保护及辅助装置标准化设计规范 s 北京： 中国电力出版社， 2 0 0 8 作者简介 彭 勇 ( 1 9 8 5 ) ，男，硕士，主要从事 电力系统继 电保护和智能电 网技 术 研 究 。 ( 上接 第 5 8页 ) 4 结 论 通过高精度罗科夫斯基线圈和高抗干扰超声探 头，有效采集脉冲 电流信号和局部放 电声波信号， 经过信号调理 电路和滤波器滤波后，最大程度去除 干扰 ，为