基于PSCAD的智能變電站仿真培訓(xùn)平臺研發(fā)

李樹卿， 仇群輝， 史建立, 徐偉明， 吳琴芳， 柴連興， 宋曉

(嘉興恒創(chuàng)電力設(shè)計研究院有限公司，浙江 嘉興 314000)

0 引 言

當(dāng)前，智能變電站技術(shù)發(fā)展方興未艾，它代表了變電站自動化技術(shù)的發(fā)展方向，是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分。智能變電站的基本特征包括：電子式互感器與智能一次設(shè)備的應(yīng)用、基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系的統(tǒng)一建模、二次信息網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)?，為實現(xiàn)下一代更先進可靠的電網(wǎng)自動化和智能化展現(xiàn)了十分美好的前景[1-3]。

智能變電站運維過程中, 二次系統(tǒng)異常及故障診斷、保護裝置的功能測試、事故分析相關(guān)測試等，無法在運行系統(tǒng)中進行。離線測試系統(tǒng)又難以達到運行系統(tǒng)的實際規(guī)模，降低了測試結(jié)果的可信度。就不同智能變電站的繼電保護系統(tǒng)而言，不僅系統(tǒng)的配置不一樣，保護裝置的生產(chǎn)廠家和型號也不一樣，使得繼電保護專業(yè)人員面臨諸多困難[4-6]。

為此筆者提出研發(fā)一套圍繞智能變電站繼電保護系統(tǒng)的運行管理、靜模測試、動模測試、事故分析、源端維護等核心業(yè)務(wù)，構(gòu)建無限接近于運行系統(tǒng)的仿真培訓(xùn)環(huán)境，利用此仿真系統(tǒng)對現(xiàn)場運維人員進行繼電保護相關(guān)內(nèi)容培訓(xùn)。由于平臺的結(jié)構(gòu)和作業(yè)流程非常接近于智能變電站的現(xiàn)場系統(tǒng)，其可視化的功能和界面，開創(chuàng)了繼電保護測試和培訓(xùn)的新手段。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新一代智能化變電站尚處在研究和試行階段，需要一種高效的、對智能站變電站相關(guān)的科學(xué)研究手段。通過完全模擬智能化變電站二次系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，為科研人員提供了方便、準(zhǔn)確的研究智能變電站的手段。仿真結(jié)果可為新的智能變電站的建設(shè)提供參考，能夠及時發(fā)現(xiàn)智能站變電站推廣過程中可能存在的問題，及時更改并仿真驗證，降低實際新建智能變電站的風(fēng)險，提高工作效率，使電網(wǎng)系統(tǒng)更加可靠穩(wěn)定的運行。整個仿真培訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，該仿真模塊由以下7個模塊組成。

圖1 智能變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 電力系統(tǒng)一次模型仿真模塊

仿真培訓(xùn)軟件支持建立電力系統(tǒng)一次模型，能夠模擬一次系統(tǒng)正常運行和簡單的金屬性故障，實現(xiàn)一次系統(tǒng)故障的仿真。同時將故障信息反饋進仿真系統(tǒng)，進行故障反演。

根據(jù)國網(wǎng)220 kV變電站典型設(shè)計方案，建立220 kV變電站一次系統(tǒng)模型。該模型包括220 kV主變，220 kV進線、110 kV出線。該模型能夠模擬各電壓等級母線，變壓器和線路的區(qū)內(nèi)外故障。故障類型可設(shè)定，支持瞬時性金屬單相接地，兩相接地，兩相短路，三相短路和三相接地短路；支持永久性金屬單相接地，兩相接地，兩相短路，三相短路和三相接地短路。其故障數(shù)據(jù)可存儲為電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)錄波Comtrade格式，將故障相關(guān)信息導(dǎo)入仿真系統(tǒng)，驗證實際間隔層保護設(shè)備的動作行為。

1.3 智能變電站設(shè)備的仿真模塊

采用面向?qū)ο蟮姆绞綄χ悄茏冸娬鹃g隔層設(shè)備進行建模，仿真軟件提供現(xiàn)有數(shù)字化變電站中典型的保護裝置模型，如線路、母差、主變保護以及測控裝置，變電站層后臺。

仿真構(gòu)建的保護裝置是將現(xiàn)實設(shè)備移植到服務(wù)器中，在服務(wù)器中模擬出設(shè)備的運行環(huán)境，仿真構(gòu)建的設(shè)備完成與現(xiàn)實設(shè)備同樣的功能，如保護功能、測控功能等。

間隔層設(shè)備中，仿真的保護和控制設(shè)備可以完成相應(yīng)的保護和控制功能，同時通過站控層網(wǎng)絡(luò)向站控層上送事件信息，完成相應(yīng)的保護功能和控制功能，同時具有定值管理，文件操作等功能，間隔層設(shè)備具有與實際裝置一致的操作界面，培訓(xùn)人員、和繼電保護人員能夠友好的與仿真設(shè)備進行交互，達到直觀的培訓(xùn)效果。

1.4 整定計算培訓(xùn)模塊

根據(jù)仿真軟件中建立的一次電力系統(tǒng)和變電站模型，能夠支持按照繼電保護標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和整定原則進行整定計算仿真，并進行在線校核。

通過輸入相關(guān)參數(shù)定值，仿真系統(tǒng)按照浙江省繼電保護整定計算技術(shù)規(guī)范自動生成保護定值，由于系統(tǒng)參數(shù)已知，可同時對生成的保護定值進行靈敏度的校驗，也可直接進行定值整定輸入，由仿真系統(tǒng)對整定定值進行靈敏度校驗。

在仿真軟件已知系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)和整定計算技術(shù)規(guī)范原則基礎(chǔ)上，實現(xiàn)整定計算仿真，和在線校核。

1.5 保護裝置檢修試驗培訓(xùn)模塊

圖2 仿真測試流程

智能變電站與傳統(tǒng)變電站相比，間隔層繼電保護裝置的輸入量是數(shù)字信號，并且嚴格遵循IEC850-9-2標(biāo)準(zhǔn)，不同生產(chǎn)廠家的裝置均可無縫接入過程層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。研發(fā)仿真MU和智能終端，構(gòu)建智能變電站繼電保護仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的過程層，使得過程層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種電壓等級和不同主接線形式的繼電保護仿真培訓(xùn)。

仿真測試的流程如圖2所示，首先測試模塊根據(jù)保護測試項的需求配置仿真模塊，仿真模塊按Commtrade格式存儲5 s暫態(tài)數(shù)據(jù)。然后系統(tǒng)配置模塊讀取Commtrade格式的錄波通過配置總線，將Commtrade格式的錄波及CID配置文件下裝至仿真MU和仿真STD。測試模塊對仿真MU和仿真STD發(fā)送啟動命令后，仿真MU和仿真STD在數(shù)據(jù)總線回放錄波文件。最后保護裝置處理仿真MU和仿真STD的實時數(shù)據(jù)，發(fā)送保護跳閘令至仿真STD。

1.6 故障分析模塊

仿真系統(tǒng)通過建立靜模測試、動模測試和自動測試的錄波庫，提供事故追憶、培訓(xùn)操作記錄和事故反演功能。培訓(xùn)人員可逐步回放故障發(fā)生前后的電網(wǎng)運行情況及產(chǎn)生的各種信號，同時可以回放自己在處理故障和進行相關(guān)緊急事故處理的操作記錄。不斷分析事故發(fā)生的原因，總結(jié)事故處理經(jīng)驗，制定出合理的事故處理預(yù)案。

監(jiān)控仿真系統(tǒng)能夠仿真故障推理決策專家系統(tǒng)的在線報警信息處理的界面，當(dāng)仿真系統(tǒng)發(fā)生故障時，在線報警信息處界面上會有相應(yīng)的報警推理結(jié)果和故障處理指導(dǎo)，并使學(xué)員熟悉掌握故障推理決策專家應(yīng)用軟件的運行和使用。

此外，還可利用實際的事故數(shù)據(jù)進行事故再現(xiàn)，分析事故發(fā)生的原因，尋求處理事故對策和進行優(yōu)化運行方式研究。同時通過觀察變電站監(jiān)控系統(tǒng)的故障決策和推理專家系統(tǒng)在故障發(fā)生時所推理出的故障分析決策報告，檢驗其推理的合理性和正確性，不斷完善故障決策推理專家系統(tǒng)的知識庫，并做到事前有分析，事后有反饋，切實提高電網(wǎng)安全運行能力。

在電力系統(tǒng)運行過程中, 由于許多未知因素的存在, 系統(tǒng)運行會出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況, 如保護誤動、開關(guān)誤跳等情況，出現(xiàn)此情況時，就需要錄波回放功能重現(xiàn)現(xiàn)場。智能變電站錄波回放的目的是在試驗系統(tǒng)中重現(xiàn)故障，測試同類型保護的動作特性，分析問題出現(xiàn)的原因，使結(jié)論更加明確可信。

錄波回放原理如圖3所示。

圖3 錄波回放功能測試原理

培訓(xùn)主機讀取現(xiàn)場錄波文件，經(jīng)過人工選擇，配置，生成仿真格式文本下載到MU和智能終端。保護裝置與MU、智能終端連接。培訓(xùn)主機觸發(fā)測試，實現(xiàn)事故錄波的回放。

對智能變電站錄波回放原理的研究，就間接的支持繼電保護的動模試驗。在動模物理系統(tǒng)進行一次動模試驗，將所有的錄波按某種特定的文件名存放。在新的保護裝置入網(wǎng)時，可通過動模數(shù)據(jù)的回放測試。另一方面，電網(wǎng)實際運行過程中，也存在許多實際的故障數(shù)據(jù)，可經(jīng)過整理后存放，作為經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，指導(dǎo)未來保護的測試，從而提高測試的質(zhì)量和測試評價的可信度。

2 系統(tǒng)試驗

系統(tǒng)接線圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主接線

設(shè)置一次系統(tǒng)圖，220 kV母線為雙母方式，現(xiàn)設(shè)置220 kV Ⅱ母發(fā)生C相接地故障，且母聯(lián)開關(guān)DL失靈進行試驗。其中，支路1為220 kV進線1運行于Ⅰ母，支路2為220 kV進線2，運行于Ⅱ母，支路3為Ⅰ#主變運行于Ⅰ母，母聯(lián)位于合位。母線保護仿真南自SGB-750母線保護，通過合智一體裝置(合并單元、智能終端一體裝置)將保護裝置的二次電流電壓量加入仿真裝置，模擬實際保護動作情況。

圖5 220 kV I母電壓三相波形

圖6 220 kV II母電壓三相波形

圖7 220 kV 進線1電流三相波形

圖8 220 kV 進線2電流三相波形

圖9 1#主變高壓側(cè)支路電流三相波形

圖10 故障動作錄波波形

本次試驗故障設(shè)置為100 ms時220 kV Ⅱ母發(fā)生C相單相接地故障，17 ms后，保護跳Ⅱ母及母聯(lián)開關(guān)，支路2被跳開，但母聯(lián)開關(guān)失靈，118 ms后，失靈保護動作，跳Ⅰ母，支路1，支路3被切開。保護錄波及動作情況如圖5～圖10所示。保護程序計算結(jié)果進行編碼形成的跳閘信號如圖11所示，報文中跳閘信息是由布爾量表示的開關(guān)位置信息status(stVal)和位串字符表示的品質(zhì)位quality組成。圖中為反映一次設(shè)備的地址順序，正常情況下所有開關(guān)變位信息全部為“00”，故障時，根據(jù)保護程序的計算結(jié)果將開關(guān)變位信息置為“01”。

圖11 GOOSE跳閘報文

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過仿真模擬保護裝置的動作行為，為現(xiàn)場運維人員提供無限接近于運行系統(tǒng)的仿真培訓(xùn)環(huán)境。由于平臺的結(jié)構(gòu)和作業(yè)流程非常接近于智能變電站的現(xiàn)場系統(tǒng)，其可視化的功能和界面，開創(chuàng)了繼電保護測試和培訓(xùn)的新手段。

[1] 高翔. 數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.

[2] 國家電網(wǎng)公司. Q/GDW 338-2009 智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[S].北京:中國電力出版社,2010.

[3] 李孟超,王允平,李獻偉等.智能變電站及技術(shù)特點分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38( 18): 59-62,79.

[4] 馮軍.智能變電站原理及測試技術(shù),[M]. 北京:中國電力出版社,2011.

[5] 國家電網(wǎng)公司.Q/GDW441-2010 智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國電力出版社,2010.

[6] 張明亮,許沛豐,陳延昌,等. 數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)仿真測試方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2010,34(10):90-92.