基于PSCAD的智能变电站仿真培训平台研发

2018-01-12李树卿仇群辉史建立徐伟明吴琴芳柴连兴宋晓

电气自动化 2017年5期

李树卿，仇群辉，史建立, 徐伟明，吴琴芳，柴连兴，宋晓

(嘉兴恒创电力设计研究院有限公司，浙江嘉兴 314000)

0 引言

当前，智能变电站技术发展方兴未艾，它代表了变电站自动化技术的发展方向，是智能电网建设的重要组成部分。智能变电站的基本特征包括：电子式互感器与智能一次设备的应用、基于IEC61850标准体系的统一建模、二次信息网络化传输等，为实现下一代更先进可靠的电网自动化和智能化展现了十分美好的前景[1-3]。

智能变电站运维过程中, 二次系统异常及故障诊断、保护装置的功能测试、事故分析相关测试等，无法在运行系统中进行。离线测试系统又难以达到运行系统的实际规模，降低了测试结果的可信度。就不同智能变电站的继电保护系统而言，不仅系统的配置不一样，保护装置的生产厂家和型号也不一样，使得继电保护专业人员面临诸多困难[4-6]。

为此笔者提出研发一套围绕智能变电站继电保护系统的运行管理、静模测试、动模测试、事故分析、源端维护等核心业务，构建无限接近于运行系统的仿真培训环境，利用此仿真系统对现场运维人员进行继电保护相关内容培训。由于平台的结构和作业流程非常接近于智能变电站的现场系统，其可视化的功能和界面，开创了继电保护测试和培训的新手段。

1 系统介绍

1.1 系统结构

新一代智能化变电站尚处在研究和试行阶段，需要一种高效的、对智能站变电站相关的科学研究手段。通过完全模拟智能化变电站二次系统的仿真系统，为科研人员提供了方便、准确的研究智能变电站的手段。仿真结果可为新的智能变电站的建设提供参考，能够及时发现智能站变电站推广过程中可能存在的问题，及时更改并仿真验证，降低实际新建智能变电站的风险，提高工作效率，使电网系统更加可靠稳定的运行。整个仿真培训系统架构如图1所示，该仿真模块由以下7个模块组成。

图1 智能变电站仿真培训系统架构

1.2 电力系统一次模型仿真模块

仿真培训软件支持建立电力系统一次模型，能够模拟一次系统正常运行和简单的金属性故障，实现一次系统故障的仿真。同时将故障信息反馈进仿真系统，进行故障反演。

根据国网220 kV变电站典型设计方案，建立220 kV变电站一次系统模型。该模型包括220 kV主变，220 kV进线、110 kV出线。该模型能够模拟各电压等级母线，变压器和线路的区内外故障。故障类型可设定，支持瞬时性金属单相接地，两相接地，两相短路，三相短路和三相接地短路；支持永久性金属单相接地，两相接地，两相短路，三相短路和三相接地短路。其故障数据可存储为电力系统标准录波Comtrade格式，将故障相关信息导入仿真系统，验证实际间隔层保护设备的动作行为。

1.3 智能变电站设备的仿真模块

采用面向对象的方式对智能变电站间隔层设备进行建模，仿真软件提供现有数字化变电站中典型的保护装置模型，如线路、母差、主变保护以及测控装置，变电站层后台。

仿真构建的保护装置是将现实设备移植到服务器中，在服务器中模拟出设备的运行环境，仿真构建的设备完成与现实设备同样的功能，如保护功能、测控功能等。

间隔层设备中，仿真的保护和控制设备可以完成相应的保护和控制功能，同时通过站控层网络向站控层上送事件信息，完成相应的保护功能和控制功能，同时具有定值管理，文件操作等功能，间隔层设备具有与实际装置一致的操作界面，培训人员、和继电保护人员能够友好的与仿真设备进行交互，达到直观的培训效果。

1.4 整定计算培训模块

根据仿真软件中建立的一次电力系统和变电站模型，能够支持按照继电保护标准化设计和整定原则进行整定计算仿真，并进行在线校核。

通过输入相关参数定值，仿真系统按照浙江省继电保护整定计算技术规范自动生成保护定值，由于系统参数已知，可同时对生成的保护定值进行灵敏度的校验，也可直接进行定值整定输入，由仿真系统对整定定值进行灵敏度校验。

在仿真软件已知系统相关参数和整定计算技术规范原则基础上，实现整定计算仿真，和在线校核。

1.5 保护装置检修试验培训模块

图2 仿真测试流程

智能变电站与传统变电站相比，间隔层继电保护装置的输入量是数字信号，并且严格遵循IEC850-9-2标准，不同生产厂家的装置均可无缝接入过程层数据采集系统。研发仿真MU和智能终端，构建智能变电站继电保护仿真培训系统的过程层，使得过程层数据采集系统能够适应各种电压等级和不同主接线形式的继电保护仿真培训。

仿真测试的流程如图2所示，首先测试模块根据保护测试项的需求配置仿真模块，仿真模块按Commtrade格式存储5 s暂态数据。然后系统配置模块读取Commtrade格式的录波通过配置总线，将Commtrade格式的录波及CID配置文件下装至仿真MU和仿真STD。测试模块对仿真MU和仿真STD发送启动命令后，仿真MU和仿真STD在数据总线回放录波文件。最后保护装置处理仿真MU和仿真STD的实时数据，发送保护跳闸令至仿真STD。

1.6 故障分析模块

仿真系统通过建立静模测试、动模测试和自动测试的录波库，提供事故追忆、培训操作记录和事故反演功能。培训人员可逐步回放故障发生前后的电网运行情况及产生的各种信号，同时可以回放自己在处理故障和进行相关紧急事故处理的操作记录。不断分析事故发生的原因，总结事故处理经验，制定出合理的事故处理预案。

监控仿真系统能够仿真故障推理决策专家系统的在线报警信息处理的界面，当仿真系统发生故障时，在线报警信息处界面上会有相应的报警推理结果和故障处理指导，并使学员熟悉掌握故障推理决策专家应用软件的运行和使用。

此外，还可利用实际的事故数据进行事故再现，分析事故发生的原因，寻求处理事故对策和进行优化运行方式研究。同时通过观察变电站监控系统的故障决策和推理专家系统在故障发生时所推理出的故障分析决策报告，检验其推理的合理性和正确性，不断完善故障决策推理专家系统的知识库，并做到事前有分析，事后有反馈，切实提高电网安全运行能力。

在电力系统运行过程中, 由于许多未知因素的存在, 系统运行会出现不稳定状况, 如保护误动、开关误跳等情况，出现此情况时，就需要录波回放功能重现现场。智能变电站录波回放的目的是在试验系统中重现故障，测试同类型保护的动作特性，分析问题出现的原因，使结论更加明确可信。

录波回放原理如图3所示。

图3 录波回放功能测试原理

培训主机读取现场录波文件，经过人工选择，配置，生成仿真格式文本下载到MU和智能终端。保护装置与MU、智能终端连接。培训主机触发测试，实现事故录波的回放。

对智能变电站录波回放原理的研究，就间接的支持继电保护的动模试验。在动模物理系统进行一次动模试验，将所有的录波按某种特定的文件名存放。在新的保护装置入网时，可通过动模数据的回放测试。另一方面，电网实际运行过程中，也存在许多实际的故障数据，可经过整理后存放，作为经验数据库，指导未来保护的测试，从而提高测试的质量和测试评价的可信度。

2 系统试验

系统接线图如图4所示。

图4 系统主接线

设置一次系统图，220 kV母线为双母方式，现设置220 kV Ⅱ母发生C相接地故障，且母联开关DL失灵进行试验。其中，支路1为220 kV进线1运行于Ⅰ母，支路2为220 kV进线2，运行于Ⅱ母，支路3为Ⅰ#主变运行于Ⅰ母，母联位于合位。母线保护仿真南自SGB-750母线保护，通过合智一体装置(合并单元、智能终端一体装置)将保护装置的二次电流电压量加入仿真装置，模拟实际保护动作情况。

图5 220 kV I母电压三相波形

图6 220 kV II母电压三相波形

图7 220 kV 进线1电流三相波形

图8 220 kV 进线2电流三相波形

图9 1#主变高压侧支路电流三相波形

图10 故障动作录波波形

本次试验故障设置为100 ms时220 kV Ⅱ母发生C相单相接地故障，17 ms后，保护跳Ⅱ母及母联开关，支路2被跳开，但母联开关失灵，118 ms后，失灵保护动作，跳Ⅰ母，支路1，支路3被切开。保护录波及动作情况如图5～图10所示。保护程序计算结果进行编码形成的跳闸信号如图11所示，报文中跳闸信息是由布尔量表示的开关位置信息status(stVal)和位串字符表示的品质位quality组成。图中为反映一次设备的地址顺序，正常情况下所有开关变位信息全部为“00”，故障时，根据保护程序的计算结果将开关变位信息置为“01”。