继电保护仿真系统的现状及其应用

继电保护仿真系统的现状及其应用Thestatus-quoandapplicationsofsimulationsystemofrelayprotection冯小玲，郭袅，谭建成FENGXiao-ling,GUONiao,TANJian-cheng(广西大学电气工程学院，南宁530004)(ElectricalEngineeringDepartmentOFGuangxiUnivercity,Nanning530004,Guangxi)摘要：保证继电设备在出厂前都能在其运行环境下进行检验和试验巳经成为了一个非常重要的问题。文中综述了各种继电保护仿真技术及国内外应用状况，评述了这些技术的优缺点及国内外的解决方案。关键词：仿真系统；模拟仿真；数字仿真系统；RTDSAbstract：Itisimportanttocheckoutandtestrelaydevicesundertheconditionofsystemoperationbeforeoutsideoffactory.Thispapersummarizeskindsofrelayprotectionsimulationtechnologiesandtheircurrentapplicationathomeandabroad,introducestheiradvantagesanddisadvantagesandtheirrelevantsolutionsathomeandabroad．Keywords：Simulationsystem；Analogsimulator；Digitalsimulationsystem；RTDS1引言电力系统对继电保护设备的技术指标和产品质量的要求巳越来越高，各科研单位和制造厂家在科研上的投入也越来越多。不管是早期的晶体管，集成电路，还是现在的微机保护装置，其传统的生产模式和调试方法基本上是一致的，一般采用包干制，从单板到整机调试在同一工位完成，这既影响产品质量的一致性，又难于批量生产，效率低，而整屏的出厂检验大都采用对单屏进行人工对线而不是对构成的保护系统进行模拟运行环境下的各种试验。然而，电力系统是一个系统工程，其自动化产品需经组屏使用，对整屏仅仅采用人工对线是不够的，为了提高整屏质量，要求所有整屏在出厂前完成在运行环境下的各种试验。这种试验可以通过建立各种物理动态模拟仿真试验室来加以实现，但是，建造各种动态模拟试验室投资大、占地多、周期长、接线方式更改困难，而且也不能满足对大批量产品进行试验的要求。因此，投资少，体积小，接线方式更改方便，并能方便操作的实用化仿真系统显得非常重要。本文介绍了继电保护各仿真技术的历史发展以及国内外应用状况，尤其目前实时数字仿真系统以其实时性及闭环测试能力成为了仿真技术的重要研究方向，国内外很多单位都引进了实时数字仿真器并且取得了可信度高的试验结果，显示了它的巨大发展潜力。2继电保护模拟仿真系统由于继电保护产品对电力系统安全起着至关重要的作用，因此，总希望产品在投入电力系统运行前在真正电力系统环境中进行各种考验，在以前，这必须建立真实物理原型的动态模拟试验室（模拟仿真器），这些物理模型如发电机、变压器、线路、断路器等，体积大，价格昂贵，功率大，特别是真实的断路器，寿命短，控制回路复杂，在实验室，更改主接线困难。况且，一般来讲只能建立单一的电网，而不能建立完全的变电站，因此这种模拟仿真试验室在当今世界并未受到很大的青睐，一般用作新产品的开发阶段的各种试验，以验证产品是否满足设计要求，而无法用做大规模产品的出厂试验。为了完善继电保护产品出厂前的各种试验，依靠动模试验室和传统的试验装置是不行的，这就促使开发研制电力系统专用数字仿真系统。这种电力系统仿真可方便地构造系统结构，设置参数，仿真被仿的电力系统在各种运行工况及故障情况下的动态行为。3继电保护数字仿真系统数字仿真是一门集计算机科学、计算数学、控制技术及相关专业应用的综合学科。数字仿真是用描述真实系统/对象的数学模型来代替真实系统/对象进行试验和研究的一种专门的技术。系统数字仿真具有独特的灵活性、试验的可控制和准确的可重复性及系统试验的安全性和经济性等诸多优点使得这门交叉学科在许多领域中得到广泛的应用。数字仿真系统分为两种：非实时数字仿真软件和实时数字仿真器。3.1非实时数字仿真软件常用的仿真工具大多为非实时的仿真程序。下面介绍国内外应用最广泛的两种软件。ATP/EMTPEMTP(ElectromagneticTransientsProgram)是加拿大H.W.Dommel教授首创的电磁暂态分析软件，它具有分析功能多、元件模型全和运算结果精确等优点，对于电网的稳态和暂态都可做仿真分析，它的典型应用是预测电力系统在某个扰动(如开关投切或故障)之后感兴趣的变量随时间变化的规律，将EMTP的稳态分析和暂态分析相结合，可以作为电力系统保护设备实验的有力工具。ATP(TheAlternativeTransientsProgram)是EMTP的免费独立版本，是目前世界上电磁暂态分析程序最广泛使用的一个版本，它可以模拟复杂网络和任意结构的控制系统，数学模型广泛，除用于暂态计算，还有许多其它重要的特性。ATP程序正式诞生于1984年，由Drs.W.ScottMeyer和Tsu-hueiLiu所组成的世界各地的用户组不断地发展。ATP还配备有比TACS更灵活、功能更强的通用描述语言MODELS及图形输入程序ATPDraw。PSCAD/EMTDCDennisWoodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了EMTDC的初版，是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件，PSCAD是其用户界面，PSCAD的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端。可模拟任意大小的交直流系统。对于上述两种运行在数字计算机上的仿真程序来说，其限制在于:为计算被仿真系统1s的响应大多要花费数分钟乃至几小时的时间。并且这种非实时的仿真速度不能满足与外部物理控制设备和保护装置进行实时交互试验的需要，因此无法对继电器进行闭环测试。实时数字仿真系统与上述离线仿真软件相比，RTDS的主要优势在于实时性和带被测试设备闭环运行的能力。它不但可以用以电力系统的仿真分析研究，它还可以提供电力系统一次设备，各类控制系统，各种电力系统自动化设备实时数字仿真试验的闭环试验环境。这类电力系统数字仿真器对它的实时仿真能力要求很高。它是由高速计算机及信号输入输出通道，被仿真系统的数学模型，实时仿真算法、良好的人机接口，以及性能优良的电压/电流功率放大部件等综合组成。现在主要有加拿大RTDS技术公司研制的实时数字仿真器。这种仿真器拥有比较全面和详细的电力系统元件模型。3.2.1RTDS(Real-Time-Digital-simulator)RTDS是由加拿大Manitoba直流研究中心(HVDC)开发的专门用于实时研究电力系统的数字动模系统，该系统中的电力系统元件模型和仿真算法是建立在巳获得行业认可，且巳广泛应用的EMTP和EMTDC基础上的，其仿真结果与现场实际系统的真实情况是一致的。我国自20世纪90年代初由原南自院引进以来，巳有十多个单位先后引进该设备，提高了我国电力系统在实时仿真方面的水平。目前，运行在RTDS前台工作站的软件有两个版本，一个是必须运行在Unix上的PSCAD，一个是基于JAVA平台的RSCAD(不限制操作系统，但一般用于Windows系统)。PSCAD软件可以分为以下几个模块：Draft:进行电力系统和控制系统的搭建工作。其模型库含有当前电力系统大部分的元件和控制元件。Tline和Cable：编辑线路和电缆的相关参数。线路模型可以选择贝瑞隆模型或基于频率的模型，参数可以选择输入电气参数或物理参数。电缆也一样。Runtime：运行用Draft搭建的电力系统(其计算是在rack上进行，Runtime只起到控制和显示的作用)。在Runtime中可以创建各种滑块、开关、按钮、仪表、表格和信号灯等元件对运行的Case进行控制和监视，还可以建立一个Script文件对其运行进行自动化控制。plot中的波形可以保存为mpb或comtrade格式文件。Multiplot和Uniplot：对保存的mpb格式波形文件进行分析计算。可以对各波形进行简单的数学运算和傅立叶分析。RSCAD软件与PSCAD基本相同。只是界面更为友好，可以选择显示语言为中文，标注也可以为中文，另外可以保存波形为jpg图片文件，可以对所搭系统进行潮流计算，可以以单线模式进行搭建系统，可以更改连接线颜色等。RSCAD软件主要的搭建系统、运行和分析均和PSCAD相似。4实时数字仿真的国内外应用4.1国内应用东北电力集团公司在RTDS上开展了针对CSL-101B型数字式线路保护装置的动模试验工作，目的是进一步校核在RTDS平台上建立电力系统模型的真实性，同时测试保护装置的动作行为［1］。东方电子公司也利用RTDS动模系统测试了新开发的超高压线路保护装置DF3621［水动模试验设备有2个机柜，2组电流、电压放大器。如图1所示。断路晦喝闸信号十]工作站KTDS实肘仿巢系统k压圣藏瓦放一监控控制电压放大电压

电流电流图1用RTDS进行保护装置动模闭环试验示意图1）工作站工作站由PC机组成，主要为人机对话界面，包括仿真系统的模型、运行方式、各种操作、参数选择、波形显示及被试设备的动作信息等主要功能。工作站通过并行接口与RTDS实时仿真系统进行数据信息的交换，并控制RTDS实时仿真系统的仿真运行。2）RTDS实时仿真系统RTDS实时仿真系统是系统的核心部分，它接收工作站的数据、操作指令来控制仿真试验。通过光电回路接收被试设备的控制命令以及接收仿真系统断路器、刀闸等一次设备的状态命令，根据工作站中的各种仿真数字信号，通过D/A变换将仿真系统的模拟波形送至电流电压放大器带动被试验设备，并根据工作站的操作命令来完成各种仿真试验。3）电流电压放大器电流电压放大器接收由RTDS实时仿真系统送来的模拟信号，通过电流电压放大输出至被试设备及系统，它必须具有良好的线性度、稳定性以及高性能的频率特性。试验结果显示RTDS能满足继电保护装置动态仿真试验的要求，经过测试，发现被测保护装置的保护动作行为基本与电力系统仿真情况相符合。该仿真系统与常规的由旋转设备构成的动模试验系统相比较，不仅占地少，而且试验更灵活、方便。4.2国外应用早在1992年，加拿大manitoba大学和manitoba高压直流中心就应用RTDS对商业化的距离继电器进行测试。物理装置由继电器、功率监测器或者是电力系统稳定器组成。图2是用于测试的仿真系统图。在测试中观察了三相短路、两相短路、单相接地短路时距离继电器的动作行为，实例结果验证了运行实时仿真器测试继电器的能力，发现在各种故障时继电器均能可靠跳闸。文献中还阐述了用RTDS和传统的模拟仿真器相连可以大大地改善模拟仿真器地性能⑶。5应用实时数字仿真系统出现的问题RTDS虽然具有很多优点，但它自身亦存在一些问题。RTDS实时数字动模试验系统元件库里提供了具有分接头调整的双卷变压器模型，但分接头位置是三相调整的，并无物理的短路位置。因此无法做变压器本体内部故障实验。这巳经成为了国内外变压器内部故障仿真的一个难题。5.1国外解决方案国外采用了一种替代方法，即当进行变压器本体内部故障模拟时，将变压器的漏磁阻抗进行了分解。设变压器的漏磁阻抗为Zb,贝I」：Zb=Zb1+Zb2（1）其中，Zb1为输入变压器模型的漏磁阻抗，Zb2为串联于变压器高压侧的辅助阻抗，Zb2的大小，取决于模拟变压器绕组的位置。该方法有以下不妥之处：变压器漏磁阻抗是一归算到变压器一侧的等值计算阻抗，变压器传变是一种电磁物理过程，将其中的一部分阻抗提取到变压器仿真模型以外，有失变压器仿真的真实性；变压器绕组的匝间故障并非简单的随故障点的位置不同而呈线性变换，即当进行变压器的绕组故障模拟时，无法把握其准确性；且该方法仅限于双卷变压器，因而有其局限性。5.2国内解决方案辽宁省电力有限公司提出了用自耦变压器的模型进行双卷变压器本体内部故障的仿真，主要思想是通过对具有分接头调整的变压器进行故障分析，如果将分接头作为自耦变压器的公共绕组抽头侧来看，便可使变压器本体内部故障的仿真简单化。变压器保护装置动模试验模型如图3。图3变压器保护动模试验模型模型开发完后，邀请辽宁省电力有限公司、南京电力自动化设备总厂新宁电力技术有限公司和南京电力自动化研究院（南瑞继电保护公司）参加动模试验，于2001年3月12〜16日对上述3个厂家的2种不同原理的变压器微机保护装置进行了动模试验。试验证明，该变压器动态试验模型是真实可行的，完全满足变压器保护装置在所模拟的各种系统动态情况下的试验要求，及时发现了各种保护装置存在的不正确动作隐患。但是其存在的局限性是对于三卷变压器和本身就是自耦变压器的不能适用囹。另外，RTDS实时仿真器虽然具有通用性，但价格昂贵，操作复杂，不利于针对某种特定用途的使用。6结束语随着继电器容量和功能的扩充，继电保护测试设备也不断进化发展。为了检验和试验继电保护设备，目前国内外开发了很多数字仿真软件对继电设备进行模拟仿真，尤其是实时闭环的数字仿真系统。实时数字仿真器具有特有的实时性和闭环测试能力，集中了离线非实时数字仿真软件和模拟仿真器的