基于RTDS的集中式保護(hù)動模試驗研究

李鵬里，金世鑫，李 華

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015）

專論

基于RTDS的集中式保護(hù)動模試驗研究

李鵬里1，金世鑫1，李 華2

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015）

集中式保護(hù)是由許繼電氣公司研發(fā)的適用于智能變電站的保護(hù)裝置，該項技術(shù)于2012年8月首次應(yīng)用于工程實際中，保護(hù)裝置采用簡化集成的設(shè)計理念，實現(xiàn)了采樣SV（IEC61850－9－2）、GOOSE及IEEE1588三網(wǎng)合一的過程層網(wǎng)絡(luò)接入方式。文中應(yīng)用數(shù)字仿真儀（RTDS）作為測試平臺，搭建了智能變電站一次系統(tǒng)模型，通過動模試驗對集中式保護(hù)裝置的功能進(jìn)行測試，提出了220 kV線路、元件、母線保護(hù)以及66 kV備自投功能的測試方法，在試驗中發(fā)現(xiàn)并解決了集中式保護(hù)軟件功能及虛端子配置的一些問題。

集中式保護(hù)；RTDS；虛端子；GOOSE；IEEE1588

1 集中式保護(hù)概述

1.1 簡介

集中式保護(hù)是由許繼電氣公司研發(fā)的適用于智能變電站的保護(hù)裝置，采用簡化集成的設(shè)計理念，從技術(shù)上已經(jīng)實現(xiàn)將同一電壓等級的所有線路保護(hù)及測控功能集成在1臺裝置上，將同一電壓等級的所有元件（母線、母聯(lián)）及母線保護(hù)及測控功能集成在另1臺裝置上［1］。集中式保護(hù)盤柜配置如圖1所示，220 kV裝置（1）實現(xiàn)3臺主變、220 kV母線、220 kV母聯(lián)保護(hù)測控功能，裝置（2）實現(xiàn)8條220 kV線路保護(hù)測控功能，裝置（3）、（4）作為熱備用裝置功能同裝置（1）、（2）。66 kV裝置（1）實現(xiàn)66 kV母線保護(hù)功能，6臺電容器、1臺所用變保護(hù)測控及計量功能，裝置（2）實現(xiàn)13條66 kV線路、間隔保護(hù)測控及計量功能，裝置（3）、（4）為B套裝置，功能同裝置（1）、（2）。

1.2 組網(wǎng)方式

集中式保護(hù)采用SV（IEC61850－9－2）、GOOSE及IEEE1588三網(wǎng)合一的過程層網(wǎng)絡(luò)接入方式［2］，裝置組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

SV通過劃分VLAN的方式將SV數(shù)據(jù)傳輸保護(hù)裝置，再通過保護(hù)內(nèi)部接口程序?qū)⒏髦悄軉卧腟V分別打包后送至CPU進(jìn)行邏輯處理；GOOSE不劃分VLAN，保護(hù)及測控發(fā)出的GOOSE報文通過交換機發(fā)送至智能單元，智能單元內(nèi)部已經(jīng)配置好有效的GOOSE，會過濾掉不匹配的GOOSE報文；由于過程層交換機及中心交換機相互級聯(lián)，主時鐘發(fā)出的IEEE1588對時報文會傳送至所有交換機及智能單元，實現(xiàn)過程層對時。

圖1 集中式保護(hù)配置

220kV保護(hù)采用單網(wǎng)雙套的配置方案，即統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)下采用2臺裝置（1臺為運行態(tài)，1臺為檢修態(tài)），保護(hù)裝置檢修時A網(wǎng)不用退出，將熱備態(tài)裝置投入運行，66 kV保護(hù)采用傳統(tǒng)的單網(wǎng)單套配置，保護(hù)裝置檢修時A網(wǎng)需要退出運行，切換至B網(wǎng)運行。

2 何家智能變電站RTDS測試模型

2.1 一次系統(tǒng)模型

模型由220 kV智能站側(cè)5條出線，220 kV傳統(tǒng)站側(cè)5條出線，無窮大系統(tǒng)，發(fā)電機，220 kV母線，220 kV母聯(lián)，3臺主變，66 kV母線，66 kV母聯(lián)，3條66 kV線路，66 kV側(cè)負(fù)荷構(gòu)成。

2.2 開關(guān)量閉環(huán)系統(tǒng)

應(yīng)用RTDS進(jìn)行何家變電站全站一次系統(tǒng)建模，利用與RTDS板卡相連接的I／O采集板卡、模擬斷路器以及智能單元構(gòu)成開關(guān)量采集閉環(huán)系統(tǒng)，開關(guān)量系統(tǒng)搭建如圖3所示［2］。

2.3 模擬量輸出系統(tǒng)

RTDS模型一次電流和電壓可以通過模擬量輸出模型GTAO或DDAC轉(zhuǎn)化為0～5 V的交流量輸出。傳統(tǒng)站側(cè)一次模擬量通過TA和TV轉(zhuǎn)化成二次值后輸出，通過功率放大器轉(zhuǎn)化為實際的二次電流及電壓輸入到保護(hù)裝置中；智能站側(cè)的一次模擬量直接輸出，通過采集器后轉(zhuǎn)化為FT3格式的數(shù)字量輸入至智能單元，最后通過交換機傳送至保護(hù)（測控）裝置實現(xiàn)采樣值的輸入，通過合理設(shè)置GTAO（DDAC）板卡、采集器以及智能單元的內(nèi)部變比及系數(shù)就可以將實際的一次值采集到保護(hù)裝置中，采樣值輸出系統(tǒng)如圖4、圖5所示［3］。

RTDS智能站側(cè)模擬量輸出變比設(shè)置如式（1）所示，其中K為RTDS模擬量輸出設(shè)置變比，UN或IN是系統(tǒng)一次側(cè)額定電壓和電流，AN為采集器額定數(shù)字量輸出對應(yīng)的模擬量輸入；RTDS傳統(tǒng)站側(cè)模擬量輸出變比設(shè)置如式（2）所示，其中KX為功率放大器變比。

3 基于RTDS的集中式線路保護(hù)測試方法

3.1 集中式線路保護(hù)測試方法

圖2 何家智能變電站集中式保護(hù)二次組網(wǎng)

圖3 開關(guān)量傳輸閉環(huán)系統(tǒng)

圖4 數(shù)字站側(cè)模擬量輸出系統(tǒng)

圖5 傳統(tǒng)站側(cè)模擬量輸出系統(tǒng)

通過在模型上設(shè)置各種類型的故障點來模擬線路故障，對集中式線路保護(hù)進(jìn)行測試，檢驗集中式保護(hù)內(nèi)部邏輯以及虛端子是否正確［4］。故障點設(shè)置如圖6所示，故障點設(shè)在傳統(tǒng)站側(cè)線路區(qū)外k1，傳統(tǒng)站側(cè)開關(guān)出口k2，線路中點k3，智能站側(cè)開關(guān)出口k4，智能站側(cè)線路區(qū)外k5以及跨線故障k6。線路測試時，將保護(hù)投單重。測試需要滿足以下結(jié)果：線路區(qū)外發(fā)生故障，線路差動保護(hù)不會誤動；線路區(qū)內(nèi)發(fā)生單相接地瞬時故障，保護(hù)單跳單重；線路區(qū)內(nèi)發(fā)生相間短路故障，保護(hù)三跳；線路區(qū)內(nèi)發(fā)生單相接地永久故障時，保護(hù)單跳單重后加速三跳并發(fā)出永跳令閉鎖重合閘；線路區(qū)內(nèi)發(fā)生異鳴相跨線故障時，保護(hù)動作；柳河2線保護(hù)動作同時，其他線路保護(hù)不能誤動；將線路保護(hù)出口退出，模擬故障線路失靈保護(hù)能夠動作；模擬系統(tǒng)振蕩時，線路保護(hù)應(yīng)閉鎖，在振蕩中發(fā)生故障時，保護(hù)應(yīng)正確動作，系統(tǒng)頻率偏移時（48 Hz和52 Hz）發(fā)生故障，保護(hù)應(yīng)正確動作；傳統(tǒng)站側(cè)TA飽和且發(fā)生故障電流波形線性度滿足要求時保護(hù)應(yīng)能夠正確判別出是區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障造成的飽和。

圖6 柳河2線保護(hù)測試故障點設(shè)置

3.2 集中式線路保護(hù)測試發(fā)現(xiàn)的問題

a.單一智能單元SV晶振異常后，會導(dǎo)致集中式保護(hù)所有線路及元件出現(xiàn)SV斷鏈，從而閉鎖母線保護(hù)和元件保護(hù)。該問題的原因是保護(hù)裝置內(nèi)部接口程序（NPI）將所有線路智能單元發(fā)出SV全部采集編號后才能傳送至CPU進(jìn)行計算，由于柳河2線晶振損壞導(dǎo)致SV報文只發(fā)出2 000幀／s（其他正常線路為4 000幀／s），NPI沒有完成所有間隔的SV采樣及編號就不會將其傳送至CPU進(jìn)行計算，保護(hù)裝置在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到各間隔的SV報文導(dǎo)致所有線路及元件SV斷鏈，從而閉鎖全站保護(hù)，這是集中式保護(hù)接口程序的一個重大問題，單個智能單元發(fā)出的SV異常會導(dǎo)致全站保護(hù)閉鎖。經(jīng)過廠家修改程序后，該問題已經(jīng)解決。

b.220 kV線路失靈GOOSE信號發(fā)送方式為1對1，即線路保護(hù)動作時只向1套（A1／B1或A2／B2）元件保護(hù)發(fā)送失靈GOOSE，而沒有向另1套元件保護(hù)發(fā)送，導(dǎo)致失靈保護(hù)動作也為“2取2”方式。由于220 kV是單網(wǎng)雙套配置，智能單元內(nèi)部配置雙出口繼電器，當(dāng)A1和A2都為運行態(tài)時，智能單元出口策略為“2取2”方式，這就導(dǎo)致線路保護(hù)處于某種運行方式時，例如1套運行而另1套投檢修，而元件保護(hù)兩套都投運行，此時線路保護(hù)動作時只有1套元件保護(hù)能夠收到失靈GOOSE報文，導(dǎo)致失靈保護(hù)動作無法跳開斷路器。經(jīng)過與廠家協(xié)商后通過修改失靈GOOSE報文的傳送機制解決了問題。

4 基于RTDS的集中式元件保護(hù)測試方法

4.1 集中式元件保護(hù)測試方法

集中式元件保護(hù)集成了母線保護(hù)、母聯(lián)保護(hù)和主變保護(hù)的功能，元件保護(hù)的測試和線路保護(hù)類似，模擬不同類型的區(qū)內(nèi)外故障，檢驗集中式元件保護(hù)動作的可靠性，故障點設(shè)置如圖7所示，故障點設(shè)置分別為：主變66 kV側(cè)區(qū)外k1，主變66 kV側(cè)區(qū)內(nèi)k2，主變220 kV側(cè)區(qū)內(nèi)k3，主變220 kV側(cè)區(qū)內(nèi)k4，220 kVⅠ母k5，220 kV母聯(lián)k6，220 kVⅡ母k7。測試需要滿足以下結(jié)果：主變區(qū)內(nèi)故障時，主變差動保護(hù)動作；區(qū)外故障時差動保護(hù)不誤動；主變區(qū)外發(fā)生永久性故障時，主變高壓側(cè)后備或低壓側(cè)后備保護(hù)動作；主變保護(hù)區(qū)內(nèi)故障斷路器未跳開后主變失靈保護(hù)能夠正常動作；主變發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，其他主變不能誤動作；220 kVⅠ母線或Ⅱ母線發(fā)生故障時，母線差動保護(hù)應(yīng)正確動作；母線充電時發(fā)生死區(qū)故障母線差動應(yīng)短時閉鎖，通過大差后備瞬時跳開母聯(lián)，以防止誤跳正常母線間隔開關(guān)；發(fā)生死區(qū)故障后保護(hù)能夠延時封母聯(lián)TA，使得另一母線差動保護(hù)動作；母線區(qū)內(nèi)故障時母聯(lián)未跳開，母聯(lián)失靈保護(hù)能夠正常動作。

圖7 元件保護(hù)故障點設(shè)置

4.2 集中式元件保護(hù)測試發(fā)現(xiàn)的問題

模擬母聯(lián)充電于母線死區(qū)永久故障時，母線保護(hù)沒有按照正確邏輯閉鎖差動保護(hù)，誤跳正常母線間隔，經(jīng)過檢查是由于監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的手合控制報文沒有發(fā)送至保護(hù)導(dǎo)致保護(hù)沒有判斷出充電故障，經(jīng)過廠家修改配置文件后該問題解決，當(dāng)發(fā)生充電死區(qū)故障時母線大差后備保護(hù)動作瞬時跳開母聯(lián)，同時會閉鎖差動保護(hù)300 ms，避免死區(qū)故障誤跳正常間隔的問題［5］。

5 基于RTDS的備自投功能驗證

5.1 集中式保護(hù)中備自投功能測試方法

集中式保護(hù)備自投功能集成在66 kV元件保護(hù)裝置中，利用RTDS對其進(jìn)行測試可以檢驗備自投功能及其閉鎖邏輯是否正確，許繼集中式保護(hù)備自投有4種典型方式。

方式1：一主變帶兩段母線并列運行，另一主變作為明備用，采用主變互投。

方式2：每臺主變各帶一段母線，兩主變互為暗備用，采用分段自投。

方式3：一主變帶兩段母線并列運行，同一側(cè)所帶有源線路作為明備用，采用線路自投。

方式4：一主變帶兩段母線并列運行，另一主變作為明備用，同時，同一側(cè)所帶有源線路也作為明備用，采用綜合自投時，通過整定合高壓側(cè)開關(guān)與合有源線路開關(guān)時限，來實現(xiàn)先動主變備投或線路備投方式，閉鎖另一備投方式。

故障點設(shè)置如圖8所示。

圖8 備自投功能驗證故障點設(shè)置

設(shè)置1號主變區(qū)內(nèi)故障k1，2號主變區(qū)內(nèi)故障k2，66 kVⅠ母故障k3和Ⅱ母故障k4，測試要滿足以下結(jié)果：當(dāng)主變發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，各種方式下的備自投能夠正確動作；當(dāng)從監(jiān)控后臺遙分主變開關(guān)或發(fā)生66 kV母線故障（k3、k4）時，備自投功能應(yīng)正確閉鎖。

5.2 集中式保護(hù)中備自投功能測試發(fā)現(xiàn)的問題

利用RTDS進(jìn)行主變備自投閉鎖邏輯測試時發(fā)現(xiàn)遙控分主變開關(guān)時，備自投功能未正常閉鎖。原因是遙分開關(guān)時測控發(fā)出的備自投閉鎖GOOSE與備自投功能中的虛端子連接錯誤。1號主變開關(guān)遙分時，應(yīng)將GOOSE信號作為閉鎖2號主變備自投動作的信號，2號主變開關(guān)遙分時，應(yīng)該將GOOSE信號作為閉鎖1號主變備自投動作的信號，原來的配置正好相反，所以導(dǎo)致遙分開關(guān)時備自投功能沒有閉鎖，修改虛端子連接后，該問題已經(jīng)解決。

6 結(jié)束語

集中式保護(hù)應(yīng)用簡化集成的設(shè)計理念，大大減少變電站盤柜、交換機以及二次光纖的數(shù)量，節(jié)省了運維的成本。但是，由于集中式保護(hù)裝置內(nèi)部配置了大量的虛端子，無法像傳統(tǒng)保護(hù)裝置那樣便于進(jìn)行靜態(tài)測試，因此，利用RTDS建模進(jìn)行保護(hù)動模試驗無疑是一種行之有效的測試方法。本文的主要工作是利用RTDS作為測試平臺，搭建了智能變電站一次系統(tǒng)模型，通過動模試驗對集中式保護(hù)功能進(jìn)行測試，研究了220 kV線路、元件、母線保護(hù)以及66 kV備自投功能動模試驗的方法，在測試過程中驗證了保護(hù)的功能及邏輯，同時發(fā)現(xiàn)并解決了集中式保護(hù)軟件功能及虛端子配置的一些問題，使得集中式保護(hù)的功能能夠不斷完善，為日后集中式保護(hù)的推廣應(yīng)用提供參考。

［1］ 馬云龍，王來軍，文明號，等.數(shù)字化變電站集中式保護(hù)應(yīng)對邊界信息缺失新方法研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（6）：84－89.

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［3］ 金世鑫，李 華，張靜巍，基于RTDS的區(qū)域保護(hù)備自投功能動模試驗研究［J］.東北電力技術(shù).2014，35（10）：57－60.

［4］ 李仲青，周澤昕，黃 毅，等.數(shù)字化變電站繼電保護(hù)適應(yīng)性研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（5）：210－215.

［5］ 王長春.母線死區(qū)保護(hù)的完善［J］.東北電力技術(shù)，2008，29（12）：13－14，17.

Test Research of Centralized Protection Based on RTDS

LI Peng?li1，JIN Shi?xin1，LI Hua2
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China）

Centralized protection is producted by XU?JI electric company which is used in protection devices of intelligent substation. This technology is first used in practical project in August 2012.The device used simple and integrate design concept，sampling SV（IEC61850?9?2），GOOSE and IEEE1588 merge in process layer is achieved.This paper uses real time digital simulator（RTDS）as test platform，digital substation's primary system model is building，the centralized protection＇s function through the dynamic simulation experiments is tested，test method of line，element，bus protection and the function of prepared from the cast in 66 kV sys?tem are proposed，some problem of centralized protection software function and virtual terminal's configuration in experiments are detec?ted and solved.

Centralized protection；RTDS；Virtual terminal；GOOSE；IEEE1588

TM774

A

1004－7913（2016）01－0001－04

李鵬里（1976—），男，學(xué)士，工程師，從事繼電保護(hù)研究工作。

2015－10－18）