许汉平，吴俊鹏，叶 婧，林 涛，吴汉彬，肖 锋

（1.国家电网湖北省电力公司经济技术研究院，湖北 武汉 430077；2.武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072；3.太阳能高效利用湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430068；4.武汉供电公司，湖北 武汉 430200；5.随州供电公司 电力调度控制中心，湖北 随州 441300）

数字化变电站是智能电网的重要组成部分，它的出现给变电站的设计、安装、调试、验收和运行带来新的挑战［1］。例如，在数字化变电站全数字化应用环境下，继电保护装置从网络读取固定采样率的电压电流波形数据，当系统运行频率偏离50Hz时，过程层的固定采样率等间隔采样将不满足整周期采样条件，会给相量计算带来误差，进而影响保护动作［2］。

以往的继电保护仿真系统基本上是将实际故障录波数据或电力系统模型仿真的电压电流波形以数据文件的形式输入继电保护测试仪中，用于继电保护的开环测试，保护的动作结果并不返回至模型中［3］。而基于IEC 61850标准的数字化变电站技术，采用了“三层两网”架构，更新了传统的继电保护系统的信息采集、传输及处理方式，进而实现了网络通信化［4］。为了测试数字化变电站的继电保护性能，以及相量算法和保护判据等对数字化变电站的适应性，有必要开发数字化变电站继电保护动作全过程仿真系统（简称仿真系统）。

笔者提出数字化变电站继电保护仿真系统的总体方案，由M，N 2台微机基于光纤以太网构成微机局域网，M，N分别模拟数字化变电站中一次、二次设备的动作行为，二者之间可以通过IEC 61850通信协议交换电压、电流波形数据和继电保护的动作结果。笔者开发的仿真系统，通过在PSCAD／EMTDC中搭建含220kV变电站主接线的电力系统并设置故障，验证所述仿真系统功能的完善和性能的优越。

1 数字化变电站仿真系统总体结构及工作流程

数字化变电站仿真系统是由M，N 2台微机经由光纤以太网络组成的局域网，其框架如图1所示。在数字化变电站中，二次侧装置从光纤网络上接收过程层装置发出的IEC 61850-9-1或是IEC 61850-9-2数据包，经由IEC GOOSE指令收取和发出开关量数据［5-7］。该研究采用Winpcap进行以太网控制，模拟数字化变电站过程层和间隔层之间的通信［8］。

在微机M内，基于PSCAD／EMTDC搭建含有数字化变电站电气主接线的系统仿真模型，仿真产生电子式互感器及合并单元输出的采样值的（固定采样率）电压、电流波形数据，然后调用PSCAD／EMTDC的自定义模块进行程序开发，并基于IEC 61850标准进行转化和组帧，调用Winpcap完成网络通信的仿真，使得相应线路采样值报文及开关量信息能通过光纤以太网（简称以太网）分别发送至微机N；N调用Winpcap接收M通过以太网传来的基于IEC 61850标准的各自线路电压、电流波形数据以及开关量信号的报文，解析报文后采用自适应的继电保护算法计算基波相量、基波序分量、基波功率方向等特征量和派生量，进而微机N模拟保护的动作行为，并将保护动作结果传送至微机M，M中PSCAD／EMTDC的自定义模块接收GOOSE报文并解析后，将保护动作结果发送至PSCAD／EMTDC中的电力系统仿真模型中，断路器相应动作，并将后续的仿真数据发送给N，通过上述方法实现数字化变电站继电保护模型与电力系统模型之间的一体化仿真。

图1 数字化变电站仿真系统结构Figure 1 Digital Substation simulation system structure

2 数字化变电站仿真系统具体功能开发

2.1 PSCAD／EMTDC自定义模块的功能开发

PSCAD／EMTDC（Electro-Magnetic Transient in DC System）是一款广泛使用的电力系统暂态分析软件。基于PSCAD／EMTDC提供的自定义模块，用户可以使用Fortran、C语言和Matlab等3种计算机编程语言来开发自定义模块的功能［9］。

在微机M的PSCAD／EMTDC自定义模块中，将仿真得到的电流、电压波形数据写入到文件中，进而按照IEC 61850-9-2LE标准转换，通过Winpcap发送至微机N；在M的PSCAD／EMTDC自定义模块中通过Winpcap收到N发来的GOOSE保护动作信号后，PSCAD／EMTDC软件按照指定的采样间隔读入数据并控制PSCAD／EMTDC仿真模型中对应断路器的动作。

2.2 基于连续复小波变换的相量算法

在微机N中，系统频率的偏移会对基于指定采样率的电压、电流波形数据的计算精度产生影响。为了减小衰减直流分量的影响，需要对接收到的电压和电流数据作差分处理；为了尽量提高计算结果的精度，消除系统频率偏移的影响，进而采用基于Morlet小波的连续复小波变换算法计算基波向量信息。算法流程见参考文献［10-11］。

设f（t）是具有平方可积函数特性的输入信号，Φ（t）为基本的小波函数式，f（t）的连续小波变换表示为

式中 a，b分别表示小波函数的尺度因子、时间平移因子（a∈R且a＞0）。在计算中，对于指定的小波中心频率，小波函数的尺度因子为定值。这里设定中心频率为f0=50Hz，进而根据小波函数的尺度因子求得该尺度下的Cwt（a，b），求得实际相位：

被测信号中某频率分量对应的实际频率f可通过对θ进行求导：

信号实际幅值A的表达式为

式中 C为修正因子，是一个和选定的小波函数、特征尺度以及所测量的频率值相关的常数。

该研究使用相量算法得到基波的相量信息，进而获得序分量、基波功率和功率方向等派生量。

2.3 继电保护动作行为的模拟

笔者以南瑞继保电气的RCS-902A成套线路保护装置为例建模进行仿真。基于提取到的基波相量及派生量信息，在微机N上采用软件方式实现保护判据的计算并与整定值比较，最终确定保护的动作结果，最后，保护动作行为信息以GOOSE报文的形式送至微机M中。

3 系统功能与性能测试

3.1 仿真算例

笔者在微机M中使用PSCAD／EMTDC电磁暂态仿真软件搭建1个包含220kV数字化变电站的简单电力系统模型，设置A相线路中点处发生非金属接地短路故障（0.1s时刻发生故障，故障时间持续0.1s，过渡电阻为12π，整定重合闸时间为断路器跳开后0.2s）。设置系统频率为50.5Hz，以体现该文算法在克服频率波动对计算精度影响方面的优越性。

陈桂生教授是我国当代著名的教育学家，在研究教育基本理论领域成就斐然。笔者在阅读陈教授《教育原理》中的《教育概念的辨析》一文时启发很大，便试图以新的视角来理解教育的缘起以及什么是教育。笔者认为，教育学并不是脱离我们的日常生活而存在，其研究领域也是“常规、常情、常理”的。

3.2 仿真测试结果

3.2.1 原始波形及相量提取

微机N调用Winpcap接收到从微机M中发送来的报文，解析后得到原始波形数据并采用2.2节中相量算法提取基波相量，如图2，3所示。

图2中由上到下依次表示A，B，C相电压、3U0，A，B，C相电流、3I0。在0.1s时刻A相电流增大，B，C两相电流不变，判断出A相发生接地短路故障，故障持续0.1s，保护于0.2s时刻跳闸，并在0.4s时刻重合闸。

图3中由上到下8行数据依次表示A，B，C相电压、3U0，A，B，C相电流、3I0。经检验，保护判据计算当中所需的相量和故障分量信息均准确无误。

3.2.2 保护模拟

在微机N中按照保护定值进行整定，并进行保护模拟，模拟的保护判据结果如图4～7所示，保护动作结果如图8所示（限于篇幅，该文只给出部分主要结果）。

图4中由上到下依次表示A，B，C相判据计算结果和动作情况、对端使能信号与本端方向及本地动作结果。A相判据在0.1s发生故障并达到整定值时发送跳闸指令，0.2s时断路器跳闸并清除故障之后再收回出口。因系统根据继保判据判断为A相发生接地短路故障，故只有A相的结果被显示出来。保护动作行为的模拟结果表明了纵联距离保护仿真动作行为的正确性。

图2 原始波形Figure 2 Original waveform

图3 基波幅值Figure 3 Fundamental amplitude

图6中由上到下6行数据依次表示A，B，C相判据计算结果和动作情况。保护动作行为的模拟结果表明了接地距离I段保护仿真动作行为的正确性。

图7中由上到下3行数据依次表示零序电流保护判据判断计算结果、零序过流二段和三段判据动作情况。为了测试后备保护动作的正确性，将主保护退出，对后备保护进行测试。为零序二段保护（后备保护）设置延时跳闸，当零序二段保护判据在0.1s故障并达到整定值后，并没有立即发送跳闸指令，而是直到延时过后再发送，待断路器跳闸并清除故障之后收回出口；零序三段由于延时时间过长而没有动作。保护模拟结果表明了零序电流保护仿真动作行为的正确性。

图4 纵联距离保护动作行为仿真结果Figure 4 Simulation results of longitudinal distance protection

图5 工频变化量距离保护动作行为仿真结果Figure 5 Simulation results of frequency variation distance protection

图8表示在微机M的自定义模块接收到微机N发送的动作结果经解析后向电力系统仿真模型发送的信号，0表示闭合断路器，1表示断开断路器。由于故障只持续0.1s，故而0.4s时刻故障已经清除，重合闸之后系统能够正常运行。

图6 接地距离Ⅰ段保护动作行为仿真结果Figure 6 Simulation results of grounding distance protection segment I

图7 零序电流保护II，III段动作行为仿真结果Figure 7 Simulation results of zero sequence current protection segment II and III

图8 断路器跳闸信号Figure 8 Breaker trip signal

通过以上结果表明，所开发的数字化变电站继电保护仿真系统能够实现继电保护模型与电力系统模型之间的一体化仿真，并具备完善的功能和优越的性能。

4 结语

笔者对数字化变电站继电保护仿真系统的关键技术进行了研究及开发。测试结果表明：

1）在网络通信仿真方面，所开发的通信模拟技术能够实现一次和二次系统模型交换电压电流、继电保护动作行为信息的功能；

2）对于固定采样率的电压、电流波形数据，采用连续复小波算法计算相量，能够准确提取保护所需的相量信息；

3）系统能够正确模拟数字化变电站的继电保护，并可得到保护判据在时间轴上的变化情况以及保护动作结果。

基于以上研究，笔者开发了数字化变电站继电保护仿真系统，实现了继电保护模型与电力系统模型之间的一体化仿真，为数字化变电站二次系统的原理研究以及故障分析提供了技术手段。

随着研究的不断深入，还可以对保护模拟模块进行改进，增加不同类型元件的保护，如变压器保护、母线保护等等；并进一步将该仿真系统发展到整个二次系统，针对故障录波、故障测距、测量以及计量等开发新的仿真模块，使其应用更加广泛。

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