基于高頻故障信息的混合仿真培訓(xùn)及測試系統(tǒng)研制

劉海客，李宏偉，確 巴，王璐璐

（1.國家電網(wǎng)有限公司技術(shù)學(xué)院分公司，山東 濟(jì)南 250002；2.國網(wǎng)西藏電力建設(shè)有限公司，西藏 拉薩 850000）

0 引言

電網(wǎng)電磁暫態(tài)過程能夠最快反映電網(wǎng)的故障運(yùn)行狀態(tài)， 最能直接體現(xiàn)不良暫態(tài)過程的物理變化規(guī)律。 目前電網(wǎng)中利用高頻故障信息的監(jiān)測和保護(hù)設(shè)備逐步得到推廣， 主要應(yīng)用在基于電磁暫態(tài)的輸電線路故障檢測與快速識別、繼電保護(hù)與故障定位、雷擊及閃絡(luò)辨識等領(lǐng)域。利用高頻故障信息的監(jiān)測、保護(hù)設(shè)備大規(guī)模入網(wǎng)， 可顯著提高變電運(yùn)行與調(diào)度運(yùn)行控制水平，提高電網(wǎng)供電質(zhì)量和可靠性。目前電網(wǎng)中缺少對此類設(shè)備的培訓(xùn)和測試系統(tǒng)， 本文基于此而展開。

1 基于模型數(shù)據(jù)庫的電磁暫態(tài)仿真平臺

1.1 仿真平臺搭建

本文搭建了一套電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真分析平臺，該仿真平臺以完全圖形化的用戶操作方式，能夠設(shè)置多重故障條件， 以ATP （Alternative Transients Program，簡稱為ATP）和 Simulink 為工具自動(dòng)遍歷仿真故障模型， 校驗(yàn)濾波算法、 保護(hù)原理和測距算法，實(shí)現(xiàn)暫態(tài)數(shù)據(jù)的諧波分析、序分量分析、有效值計(jì)算等多種功能。 通過搭建包含常見線路結(jié)構(gòu)的模型數(shù)據(jù)庫，仿真過程中可根據(jù)實(shí)際情況，對數(shù)據(jù)庫中的模型進(jìn)行快速直接調(diào)用， 并在此基礎(chǔ)上可對其進(jìn)行更改參數(shù)設(shè)置、修改故障類型、設(shè)置故障條件等操作。該數(shù)據(jù)庫極大簡化了模型搭建過程，顯著提高仿真效率。

ATP 的運(yùn)行機(jī)制是平臺運(yùn)行的基礎(chǔ)， 利用圖形化界面程序ATPDraw 搭建系統(tǒng)模型， 設(shè)置模塊參數(shù)， 按照特定規(guī)則對系統(tǒng)模型進(jìn)行節(jié)點(diǎn)編號和數(shù)據(jù)卡編寫，生成一個(gè)結(jié)構(gòu)嚴(yán)格的仿真腳本項(xiàng)目文件（二進(jìn)制文件.atp）；ATP 自帶的Tpbig 程序?qū)υ撃_本項(xiàng)目文件進(jìn)行仿真，生成的時(shí)域變量存儲在.pl4 文件中。ATP 集成化自動(dòng)操作機(jī)制見圖1 所示。

圖1 ATP 集成化自動(dòng)操作機(jī)制

基于ATP－EMTP 仿真軟件的模型數(shù)據(jù)庫，結(jié)合仿真軟件優(yōu)勢， 開發(fā)圖形化的用戶操作界面，將ATP－EMTP 數(shù)據(jù)庫嵌入主操作界面， 并能夠?qū)崿F(xiàn)ATP－EMTP 程序的后臺調(diào)用［1］。 同時(shí)，該模塊設(shè)計(jì)了輔助模塊，實(shí)現(xiàn)對濾波算法、保護(hù)原理和測距算法的仿真校驗(yàn)。 該平臺實(shí)現(xiàn)了高速運(yùn)算和圖形化用戶操作界面的有機(jī)結(jié)合，并實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果的集中化處理，達(dá)到仿真自動(dòng)化與數(shù)據(jù)處理高效率結(jié)合， 促進(jìn)復(fù)雜模型仿真及參數(shù)修正的靈活性， 提升大容量的電磁暫態(tài)計(jì)算整體運(yùn)行效率。

1.2 仿真分析模塊

ATP 集成化自動(dòng)操作機(jī)制的建立， 可實(shí)現(xiàn)大量電磁暫態(tài)仿真的自動(dòng)化運(yùn)行， 可靠性和操作效率得到提升， 但面對海量仿真數(shù)據(jù)， 其處理速度仍是瓶頸。 本文采用MATLAB 并行計(jì)算技術(shù)處理大量仿真以縮短運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)一步提升平臺效率。平臺數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的獨(dú)立性和設(shè)計(jì)的模塊化使得各個(gè)功能模塊相互獨(dú)立，每次仿真僅需要讀取設(shè)置信息，多次仿真可同時(shí)運(yùn)行，不同仿真進(jìn)程間沒有數(shù)據(jù)通信，這為并行處理提供可行基礎(chǔ)。

為進(jìn)一步簡化平臺的運(yùn)行機(jī)制， 本文利用并行循環(huán)方式提高仿真效率， 并行循環(huán)同時(shí)支持單機(jī)多核或多處理器和計(jì)算機(jī)集群。隨著仿真次數(shù)的增加，單機(jī)的處理速度將成為效率提升的瓶頸， 而集群處理方式下數(shù)據(jù)通信耗費(fèi)的時(shí)間遠(yuǎn)小于仿真時(shí)間，此時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和集群機(jī)并行處理更具備效率優(yōu)勢。圖2 直觀地展示了本仿真系統(tǒng)輸出的U 相接地故障高頻暫態(tài)電壓、電流信號［2-5］。

圖2 U 相接地故障高頻暫態(tài)電壓與電流信號

2 高頻信號采樣系統(tǒng)

信號采集系統(tǒng)采用嵌入式硬件裝置， 包含嵌入式模塊化CPU、32 位浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器（DSP）、高速大規(guī)模可編程邏輯器件 （FPGA）、 分層分布式多CPU 并行技術(shù)。 該采集系統(tǒng)功能合理分散、 結(jié)構(gòu)緊湊、易于擴(kuò)展、充分保證裝置具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)吞吐及處理能力，實(shí)現(xiàn)了高性能、高可靠性、低能耗的整機(jī)一體化工業(yè)級設(shè)計(jì)。 該系統(tǒng)具備16 位精度和5 MB／s 速度的高速A/D 采樣能力；高速記錄和轉(zhuǎn)存具備數(shù)百兆工作時(shí)鐘， 保證高頻信息的準(zhǔn)確提取和存儲；配置大容量數(shù)據(jù)緩存，可連續(xù)記錄10 次高頻暫態(tài)信息。

為保證采集系統(tǒng)有準(zhǔn)確的時(shí)間標(biāo)尺， 滿足高速采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步性， 本硬件系統(tǒng)采用鎖相GPS同步時(shí)鐘的方法，直接接收GPS 天線對時(shí)信號，或通過B 碼實(shí)現(xiàn)對時(shí)。GPS 取得同步后精度達(dá)100 ns，穩(wěn)定度40 ns 之內(nèi)， 并可同時(shí)接收GPS 與北斗衛(wèi)星信號與 2 路 IRIG-B 碼。

3 高速模擬輸出及高頻運(yùn)放平臺開發(fā)

該模塊技術(shù)框圖如圖3 所示，采用ARM+FPGA架構(gòu)的數(shù)字信號處理系統(tǒng)， 采用256 MB 的DDRII SDRAM 作為數(shù)據(jù)緩存，16 位高速D/A 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換； 超大高速的DDRII 緩存使裝置可以具備高速長過程回放能力，10 MHz 頻率可輸出 3 s，100 kHz 可以輸出 300 s，10 kHz 可以輸出 3 000 s。

圖3 高速模擬輸出及高頻運(yùn)放平臺技術(shù)框圖

該模塊后臺軟件具備3 路電流和3 路電壓輸出通道，可模擬輸出完整的三相線路故障信息；信號輸出可進(jìn)行通道選擇，波形提取及顯示，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場錄波文件的回放還原；可支持.txt 等文本格式數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)ATP/EMTP 仿真數(shù)據(jù)信號輸出，模擬故障信號。該模塊具備16 位輸出精度和1 MB／s 輸出速度， 并具備與北斗、GPS 衛(wèi)星對時(shí)和B 碼對時(shí)的功能，且對時(shí)誤差不高于100 ns。

高性能的電流和電壓線性放大器， 滿足電力系統(tǒng)高頻電磁暫態(tài)頻段信息的有效輸出，其中電流通道的最大輸出電流不低于10 A， 并可將至少400 kHz的電流高頻信息不失真輸出， 電壓通道最大輸出電壓不低于100 V， 并可將至少10 kHz 的高頻電壓信息有效輸出。同時(shí)，電流通道和電壓通道可組成多通道測試系統(tǒng)，具備大電流輸出的能力，且瞬間電流不低于30 A。

4 結(jié)束語

本文針對電力系統(tǒng)中的高頻暫態(tài)信息， 開發(fā)了一套可實(shí)現(xiàn)電磁暫態(tài)高頻計(jì)算和模擬輸出的混合仿真系統(tǒng)。 利用此仿真測試系統(tǒng)開展基于高頻故障信息設(shè)備的入網(wǎng)測試， 可顯著提高此類設(shè)備的入網(wǎng)水平。 借助該系統(tǒng)開展了基于高頻故障信息的設(shè)備故障分析培訓(xùn)， 顯著增強(qiáng)了現(xiàn)場運(yùn)維人員對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控能力，具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。