繼電保護數(shù)字物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)分析

方 云，熊 飛，張莉平

（國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司龔嘴水力發(fā)電總廠，四川 樂山 613100）

0 引言

電力已經(jīng)成為人類生活不可缺少的存在，我國為滿足人民日益增長的用電需求，大力發(fā)展電力行業(yè)。據(jù)網(wǎng)絡公開數(shù)據(jù)顯示，2022年全社會用電量達到8.6萬億千瓦時，預計2025年將超過9.8萬億千瓦時；2022年底全國累計發(fā)電裝機容量超過25億千瓦，預計2025年將超過29億千瓦，2030年將達到38億千瓦。隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，電力系統(tǒng)故障影響的廣度與深度日漸加劇。例如，美加“8.14”大停電事故影響范圍超過9 260平方千米，直接經(jīng)濟損失45～120億美元；印度“7.30”大停電事故使多數(shù)地區(qū)電網(wǎng)陷入癱瘓，影響人口超過6.7億人。因此，加強電力系統(tǒng)保護力度，保證其安全與穩(wěn)定運行至關重要。在自動化、數(shù)字化、智能化等技術推廣與應用下，電網(wǎng)結構日益復雜，對繼電保護提出了更高要求，以往的繼電保護測試系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足實際需求。近些年來，國內外學者加大了對混合仿真系統(tǒng)的研究，旨在探尋適用于新時期電力系統(tǒng)的仿真測試系統(tǒng)。本文則在現(xiàn)有理論與技術基礎上提出一種適用于故障分析的繼電保護數(shù)字物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)完成開發(fā)后進行了仿真驗證。

1 數(shù)字物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)開發(fā)需求與思路

1.1 開發(fā)需求

繼電保護是電力系統(tǒng)常用保護措施與裝置。電力系統(tǒng)裝設繼電保護裝置后，當電氣元件出現(xiàn)故障時或處于異常工況狀態(tài)時，電力系統(tǒng)保護機制自動啟動，最大程度將故障控制在一定范圍內，避免其對相鄰設備造成損害，影響整個電力系統(tǒng)運行。隨著近些年繼電保護研究的不斷深入，出現(xiàn)電流保護、電流差動保護、距離保護、高頻保護、微波保護等多種技術，繼電保護裝置從電磁型逐漸發(fā)展為集成電路型、微機線路型，自動化、網(wǎng)絡化、智能化等程度不斷加深[1]。繼電保護仿真測試系統(tǒng)將繼電保護裝置性能、功能等測試由人工操作轉向機械操作，可有效提高繼電保護測試效率與質量，在一定程度上規(guī)避了繼電保護裝置不正確動作對電力系統(tǒng)安全與穩(wěn)定運行的影響。隨著繼電保護裝置的不斷創(chuàng)新，繼電保護仿真測試系統(tǒng)將趨向以下發(fā)展：一是系統(tǒng)處理器性能提高，可實現(xiàn)動態(tài)仿真測試；二是系統(tǒng)能夠模擬多種工況，完成全面閉環(huán)測試；三是系統(tǒng)處理器響應速度加快，信號傳輸、轉換、處理能力提高；四是低功耗、小體積、輕質量、多功能；五是可進行自我檢測，實現(xiàn)系統(tǒng)自身故障識別、排查與控制；六是系統(tǒng)可與其他系統(tǒng)互聯(lián)互通，進行功能拓展，應用范圍擴大；七是能夠根據(jù)設置要求對繼電保護裝置實施自動檢測，準確、全面記錄檢測信息；八是試驗報告自動化歸類與智能化調?。痪攀菙?shù)據(jù)共享與多變電站同步調控。上述功能也是本系統(tǒng)致力滿足的需求[2]。

縱觀當前電網(wǎng)建設與發(fā)展情況可知，當前電力系統(tǒng)具有規(guī)模大、結構復雜、運行方式多樣等特征，新型繼電保護裝置逐漸被應用到電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)繼電保護仿真測試系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足實際需求。例如，模擬故障類型少，一些功能得不到測試；遠距離下整定計算程序靈敏度降低，無法準確評估繼電保護裝置性能等。因此，有必要改進、完善繼電保護仿真測試系統(tǒng)，促進其性能、功能等全面提升。本系統(tǒng)設計則需要解決傳統(tǒng)繼電保護仿真測試系統(tǒng)存在的問題，實現(xiàn)電力系統(tǒng)故障靈活仿真、繼電保護閉環(huán)測試、整定計算結果準確校正等功能。

1.2 設計思路

（1）數(shù)學模型與物理模型聯(lián)合應用，數(shù)字系統(tǒng)與物理系統(tǒng)之間由放大通道、反饋通道連接，采用整流端控制策略和逆變端復合控制策略提高功率接口穩(wěn)定性。

（2）對比分析不同仿真軟件功能，選擇性能較為強大的仿真軟件搭建數(shù)字仿真系統(tǒng)。

（3）合理利用轉換器進行A/D（模擬/數(shù)字）或D/A（數(shù)字/模擬）轉換，滿足系統(tǒng)運行對信號采集、傳輸、利用的需求。例如，將測試信號轉換成模擬信號后輸入到測試裝置中；將測試裝置響應信號轉換成數(shù)字信號后反饋給仿真系統(tǒng)。

（4）營造VB、VC、MATLAB混合編程環(huán)境，開發(fā)系統(tǒng)功能模塊，增強系統(tǒng)軟件性能，實現(xiàn)人機友好互動。

2 數(shù)字物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

2.1 關鍵技術指標

在繼電保護數(shù)字—物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)建設中，需要對其技術性指標進行確定。本系統(tǒng)開口輸入端64路，輔助接點32路；接點額定電壓為250 V，額定電流為0.5 A；直流源電壓輸出范圍為0～300 V，電流最大輸出功率為200 W；交流電流源輸出最大電流為3×40 A/相，連續(xù)輸出，輸出范圍為10～20 A，最大輸出功率每相不低于520 VA；交流電壓輸出最大電壓為4×120 V/相，輸出功率最大不低于60 VA。

2.2 模型搭建技術

在混合仿真測試系統(tǒng)構建過程中，PSASP、EMTP、MATLAB等軟件均可用于構建電力系統(tǒng)仿真模型。但對比分析發(fā)現(xiàn)，MATLAB的功能較為強大，更適用于繼電保護數(shù)字物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)研發(fā)。MATLAB開放性較強，相關工作人員可通過模塊庫尋找、自主制定等方式構建仿真模型，且整個過程操作較為簡單。例如，在MATLAB軟件的專業(yè)區(qū)域可尋找到電力系統(tǒng)工具箱，完成同步機、直流機、發(fā)電機、變壓器、輸電線路等多種模型構建。就變壓器而言，單相變壓器、三相變壓器均可直接選擇。

2.3 信號處理技術

信號處理能力直接關系系統(tǒng)運行效率與質量。因此，在系統(tǒng)研發(fā)過程中需要高度重視信號處理技術的選擇與應用。本系統(tǒng)考慮到數(shù)據(jù)計算量大、信號處理時效性要求高等要求，制定了數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）聯(lián)合現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的構建方案。DSP能夠滿足多種信號數(shù)字化處理需求，且運算能力與計算結果準確度較高。FPGA能夠將多種硬件電路進行合理組織，滿足不同階段硬件系統(tǒng)實現(xiàn)需求，且具有較強的靈活性、便捷性，利于系統(tǒng)修改與維護。上述兩種技術聯(lián)合，能夠進一步改善信號處理系統(tǒng)性能。

在系統(tǒng)運行過程中涉及信號轉換問題，因此在系統(tǒng)中配置了信號轉換電路。數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉換器變?yōu)槟M信號，經(jīng)過濾波電路、功率放大電路等處理，信號質量得到有效提升，可滿足信號應用需求[3]。

2.4 異常工況報警技術

由上述設計需求分析可知，繼電保護數(shù)字物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)需要具備自檢功能。對此，在系統(tǒng)構建中配備了異常工況報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩部分構成，一部分對系統(tǒng)硬件設備進行直接檢測，另一部分通過數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)系統(tǒng)運行工況狀態(tài)監(jiān)督，二者聯(lián)合可及時發(fā)現(xiàn)過電壓、過電流、過負荷等問題，并提醒相關工作人員對繼電保護數(shù)字物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)進行檢查、維修。

2.5 功率接口控制技術

功率接口是繼電保護數(shù)字物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)的重要組成部分，由圖1可知，其在系統(tǒng)中承擔著數(shù)字子系統(tǒng)與物理子系統(tǒng)互聯(lián)互通任務。因此，功率接口的穩(wěn)定性對系統(tǒng)運行穩(wěn)定、功能發(fā)揮具有直接影響。傳統(tǒng)混合仿真測試系統(tǒng)的功率接口設計無法滿足繼電保護數(shù)字物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)需求，容易出現(xiàn)響應時間延時、準確率偏差過大等問題。鑒于此，本系統(tǒng)以絕緣柵雙極型功率管作為開關器件，主拓撲為單相背靠背H橋級聯(lián)結構。同時，對直流電壓波動問題，提出整流端控制策略，針對信號放大誤差問題，提出逆變端復合控制策略[4]。

圖1 數(shù)字—物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)簡圖

3 數(shù)字—物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

3.1 裝置故障再現(xiàn)

故障再現(xiàn)是系統(tǒng)基礎功能之一，主要是借助一定設備將繼電保護裝置故障信息準確記錄，并在需求時進行故障還原與重現(xiàn)。通過故障再現(xiàn)，能夠將一般試驗設備無法模擬的故障進行模擬，為相關工作人員進行繼電保護研究提供支持；能夠在一定程度上節(jié)約繼電保護裝置檢測成本；能夠為進行繼電保護裝置動作行為分析與學習提供參考。本系統(tǒng)采用電力系統(tǒng)瞬態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式（Common Format for Transient Data Exchange，COMTRADE）進行數(shù)據(jù)記錄，并將其存儲到故障錄波器中，在進行故障再現(xiàn)時，故障錄波器將數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)綔y試儀中，由其實現(xiàn)再現(xiàn)。

3.2 數(shù)據(jù)格式處理

為減少數(shù)據(jù)交換誤差，提高數(shù)據(jù)交換、應用效率，本系統(tǒng)按照COMTRADE格式標準進行數(shù)據(jù)文件處理、記錄、保存。通常情況下，完整的數(shù)據(jù)涉及頭文件（用于滿足數(shù)據(jù)閱讀者閱讀需求，可采用文字編輯器編輯）、配置文件（用于計算機程序讀取與分析，一般具有固定格式）、數(shù)據(jù)文件（主要采用ASCII格式，由數(shù)字量、模擬量等組成）等內容。

3.3 混合編程技術

利用多種編程語言構建混合編程環(huán)境，進行軟件程序生成。相對于常規(guī)編程而言，混合編程執(zhí)行效率更高，應用范圍更廣，適用性更強。在數(shù)字物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)開發(fā)過程中，采用“VB+VC+MATLAB”混合編輯技術，VB主要用于界面編寫，VC、MATLAB主要用于功能編寫。

3.4 主要功能模塊

從數(shù)字物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)界面中可找到文件模塊、仿真模塊、數(shù)據(jù)模塊、保護模塊、幫助模塊等。其中文件模塊下配備保存、查閱、退出等操作功能；仿真模塊下配備了各種仿真操作功能；數(shù)據(jù)模塊下配備了數(shù)據(jù)轉換功能，保護模塊配備了故障再現(xiàn)、手動測試、試驗參數(shù)調整、定值校驗等功能；幫助模塊主要用于顯示系統(tǒng)功能、軟件信息等。

4 數(shù)字物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)的測試與應用

針對電力系統(tǒng)距離保護、繼電保護裝置定值整定校核等多項內容開展測試驗證活動，結果證明，數(shù)字物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)能夠滿足預期要求，運行穩(wěn)定。與此同時，以某電網(wǎng)為例，搭建仿真模型，測試出8個繼電保護段內共有13處故障點，且結果可靠。此外，將其同繼電保護其他系統(tǒng)連接，可正常運行，為相關工作人員學習與研究提供良好仿真實驗條件。

5 結束語

繼電保護裝置是電力系統(tǒng)重要組成部分，在電力系統(tǒng)故障識別、控制、處理等過程中發(fā)揮著至關重要的作用。隨著近些年電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大、新能源在電網(wǎng)中的不斷接入以及新技術、新設備的大面積推廣應用，對繼電保護系統(tǒng)性能、功能等提出了更高要求。本文為滿足新時期繼電保護系統(tǒng)需求，利用MATLAB軟件搭建數(shù)字仿真系統(tǒng)，通過應用故障再現(xiàn)技術、文件格式轉換技術、功率接口控制技術等構建系統(tǒng)硬件，通過COM技術實現(xiàn)混合編程滿足系統(tǒng)軟件設計需求，實現(xiàn)了與其他系統(tǒng)互聯(lián)互通。繼電保護數(shù)字物理混合動態(tài)仿真測試系統(tǒng)能夠實現(xiàn)繼電保護定值仿真校正、繼電保護裝置運行效果評估等功能，該系統(tǒng)可更好保證電力系統(tǒng)安全與穩(wěn)定運行。經(jīng)測試驗證，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，應用效果較好。但值得注意的是，繼電保護數(shù)字-物理混合仿真測試系統(tǒng)研發(fā)是一個不斷改進、完善的過程，相關工作人員需要樹立創(chuàng)新意識，善于從國內外研究成果中、現(xiàn)有研發(fā)經(jīng)驗中汲取經(jīng)驗，持續(xù)提高電力系統(tǒng)仿真技術水平，助力電力行業(yè)高質量發(fā)展。