數(shù)字化變電站的保護裝置測試

1、收稿日期:2008207207基金項目:湖南省教育廳科技項目(08C787作者簡介:王曉芳(1965-,女,碩士,副教授,主要從事電力系統(tǒng)及其自動化方面的教學與研究.通訊作者:王曉芳,女,碩士,副教授;E 2mail:wxf6543yahoo 第23卷第3期2008年9月電力科學與技術(shù)學報JO URNAL O F E I ECTR I C P OW ER SC I ENCE AN D TECHN OLO G YVol .23No .3Sep.2008數(shù)字化變電站的保護裝置測試王曉芳1,向前2,李付亮3(1.邵陽學院電氣工程系,湖南邵陽422000; 2.北京博電新力電力系統(tǒng)儀器有限公司,北京1

2、00098;3.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學院,湖南長沙410131摘要:數(shù)字化變電站的繼電保護裝置輸入電子互感器的數(shù)字信號,需要新型的繼電保護測試技術(shù)和儀器.介紹了數(shù)字化變電站,設(shè)計了一種新型的數(shù)字繼電保護測試儀,實現(xiàn)了110k V 變電站保護裝置的測試,為數(shù)字化變電站的保護裝置現(xiàn)場調(diào)試提供了范例.關(guān)鍵詞:電子式互感器;繼電保護測試儀;數(shù)字化變電站;保護裝置中圖分類號:T M 61;TK 01文獻標識碼:A 文章編號:167329140(20080320079205Protecti ve dev i ces test for d i g ita l substa ti on sWANG Xiao

3、2fang 1,X I A NG Q ian 2,L I Fu 2liang3(1.Depart m ent of Electrical Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China;2.Beijing Bodian 2Xinli Power System I nstrument L i m ited Company,Beijing 100098,China;3.Hunan Hydr oelectric Occupati onal College,Changsha 410131,China Abstract:Pr otective

4、Devices input digital signals fr om electr onic transf or mers in digital substati ons .Itneed ne w p r otective relay test technol ogies and instruments .The digital substati on is intr oduced in the pa 2per;a ne w instrument for p r otective relay test is designed,and the p r otecti on devices is

5、tested in a 110kV substati on as an exa mp le of p r otective devices test f or digital substati ons .Key words:electr onic transf or mer;p r otecti on relay test instru ment;digital substati on;p r otective device新型電子式互感器的出現(xiàn)及其在工程中的應(yīng)用,不僅促進了高壓電器設(shè)備的一體化集成技術(shù)的發(fā)展,實現(xiàn)電氣設(shè)備緊湊化、模塊化和智能化,而且為繼電保護和控制等二次設(shè)備發(fā)展帶來了新的變革

6、,促進了變電站內(nèi)過程層的數(shù)字化和過程總線網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展,使測量、保護、控制、監(jiān)測等不同功能實現(xiàn)信息共享.同時,也帶來了保護和智能設(shè)備測試手段的顯著變化.1電子式電流/電壓互感器電流(壓互感器是電力系統(tǒng)中的重要輔助設(shè)備,是聯(lián)系一次設(shè)備和二次設(shè)備的必要環(huán)節(jié).在不同電壓等級下將大電流高電壓線性變換成適合于計量、保護、監(jiān)測儀表使用的電流(壓信號,并實現(xiàn)高壓設(shè)備和二次設(shè)備之間的電氣隔離,保證人員和設(shè)備的安全1.傳統(tǒng)的CT,PT采用電磁感應(yīng)原理制成,基本部件包括鐵芯、銅導線、變壓器油、絕緣材料等.不易損壞,基本不需維護,可靠性高.但多年的使用經(jīng)驗表明,其存在的問題也是顯而易見的2.1電壓等級越高,短路電流越

7、大,為解決絕緣和傳變特性,必然是體積增大,設(shè)備變得更加笨重,安裝運輸不便3.2暫態(tài)傳變特性差,高壓系統(tǒng)中要求保護動作速度快,改善暫態(tài)傳變特性需增加投資.3CT二次側(cè)輸出對負載有嚴格要求,超高壓變電站占地面積大,從開關(guān)場到控制室的二次電纜可達200m,為保證傳變精度,增加電纜截面也不一定能解決問題.4傳變大電流會造成鐵芯飽和,成為差動類保護誤動作的主要原因.5CT二次不能開路,否則會產(chǎn)生數(shù)千伏的高壓,危及人身設(shè)備的安全.目前基于Rogowski線圈的電子式電流互感器和電阻分壓、阻容分壓的電子式電壓互感器,先將高電壓大電流變換成小電壓信號,就近經(jīng)A/D變換成數(shù)字信號后通過光纜送出給接收端.這種類型

8、的有源式傳感器由于技術(shù)較為成熟已經(jīng)開始在國內(nèi)掛網(wǎng)運行4.ECT,EPT的優(yōu)點主要有:體積小、重量輕,電壓高時更是如此.便于和數(shù)字設(shè)備連接,具有完備的自檢功能.絕緣性能好,造價低.不含鐵芯,消除了磁飽和、鐵磁諧振等問題.暫態(tài)特性好,測量精度高.頻率響應(yīng)范圍寬.2過程總線與I EC61850I EC61850規(guī)約是在美國的UCA2.0標準上發(fā)展起來的,以UCA2.0為基準來工作.目的是支持多個廠家的I ED,使它們之間具有互用性、互操作能力,在變電站局域網(wǎng)的范圍內(nèi)實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的無縫連接.I EC61850的特點如下所述5.1分層.將變電站劃分為變電站層、間隔層、過程層,每個物理設(shè)備由服務(wù)器和應(yīng)用組

9、成,他們的數(shù)據(jù)庫也是分層的.2采用了抽象通信服務(wù)接口(ACSI的概念,它與具體的網(wǎng)絡(luò)獨立.I EC61850根據(jù)電力生產(chǎn)的特點和要求,歸納出電力系統(tǒng)所需要的信息傳輸要求,抽象通信服務(wù)接口.這樣,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,通過映射,就可以替換掉.抽象接口脫離目前已有的通信協(xié)議,可以更適用于將來技術(shù)進步的情況.3采用了面向?qū)ο蟮男畔⒆晕颐枋龇椒?過程層的典型設(shè)備有遠方I/O、智能傳感器和執(zhí)行器,主要完成開關(guān)量和模擬量的采集以及控制命令的發(fā)送與一次設(shè)備相關(guān)的功能.按照I EC61850的發(fā)展觀點,變電站各個層次之間的聯(lián)系都將建立在串行通信的基礎(chǔ)上,過程層與間隔層之間基于交換式以太網(wǎng)的串行通信方式在標準中稱為過

10、程總線通信,間隔層與變電站層之間串行通信方式稱為站級總線通信.3數(shù)字化變電站采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前數(shù)字化變電站大多采用61850-9-1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),分為站控層、間隔層和過程層3層,如圖1所示 .圖161850-9-1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)F i gure1Syste m structure of61850-9-1站控層設(shè)備組屏安裝,站控層采用單以太網(wǎng),通信管理機實現(xiàn)雙機熱備用自動切換;間隔層測控單元具有遙測、遙信、遙控(調(diào)等功能,完成對全站設(shè)備的保護、測量和控制,安裝在各間隔單元;過程層由光電電流電壓互感器和合并器等組成,完成對數(shù)字信號的采集、合并、處理后以光信號方式對外提08電力科學與技術(shù)學報2008年9月

11、供數(shù)據(jù).智能設(shè)備直接通過程層總線與間隔層設(shè)備交互信息,非智能設(shè)備就地配置智能終端,智能終端接入過程層總線.所有信息經(jīng)微機匯控單元,發(fā)送至遠方控制端以實現(xiàn)遠方控制端對本變電所的遠方監(jiān)控,所內(nèi)留有當?shù)乇O(jiān)控接口.各單元或系統(tǒng)間采用光纜傳輸方式互聯(lián).4數(shù)字化保護測試儀介紹電子式電壓和電流互感器的使用帶來保護測試的改變表現(xiàn)在如下幾方面.1傳統(tǒng)保護、儀器儀表的輸入是電壓和電流的模擬量.而光數(shù)字接口的數(shù)字保護其輸入的信號是光數(shù)字信號.2信號傳輸方式變化.I EC 根據(jù)基于數(shù)字光電電氣量測、智能開關(guān)設(shè)備和數(shù)字保護及通信的變電站全數(shù)字自動化系統(tǒng)的預(yù)期發(fā)展,擬定了變電站內(nèi)的開放式通信系統(tǒng)標準,即I EC 6185

12、0系列標準.在變電站自動化系統(tǒng)中,量測、控制和保護的數(shù)據(jù)和信息傳送均通過過程總線,自動化系統(tǒng)中站控和過程總線均采用以太網(wǎng)進行通信.為了對保護設(shè)備進行測試,我們應(yīng)用了一種新型的測試儀器.這種測試儀具有光以太網(wǎng)接口,能通過以太網(wǎng)發(fā)送符合I EC 61850協(xié)議的數(shù)據(jù)楨到保護裝置或者其它的儀器儀表中.每一楨包含有電流和電壓的采樣值.同時,它能夠接收保護動作的硬接點信號,實現(xiàn)保護的測試.測試儀的硬件由4部分構(gòu)成:上位機(PC 、中央處理單元、數(shù)據(jù)處理單元和開關(guān)量輸入輸出單元.內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示 .圖2數(shù)字測試儀硬件結(jié)構(gòu)F i gure 2Hard ware structure of digital t

13、ester中央處理器實現(xiàn)將采樣數(shù)據(jù)按照I EC61850-9-1協(xié)議逐點打包和發(fā)送,并通過US B 口和串口與上位機進行數(shù)據(jù)交換,通過數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)處理單元進行數(shù)據(jù)交換.數(shù)據(jù)處理單元通過接收上位機下傳的數(shù)據(jù)和指令進行采樣數(shù)據(jù)的實時計算.并根據(jù)其獲得的開關(guān)量信號,與PC 機一同實現(xiàn)保護測試流程的控制.開關(guān)量單元完成開入量和開出量的采集和轉(zhuǎn)換.測試儀的軟件由上位機程序、數(shù)據(jù)處理和通訊程序、測試流程控制和數(shù)據(jù)計算程序等3部分構(gòu)成.上位機軟件負責測試儀的圖形用戶界面、電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)故障計算以及試驗過程控制.基于數(shù)據(jù)庫的上位機軟件為用戶提供了一整套功能強大的測試模塊,能夠使用戶方便快捷地完成各種復雜的繼電

14、保護試驗.測試儀上電后,DSP 在得到PC 機下載的測試程序后,開始運行,并從外部Flash 中得到有關(guān)測試儀的一些配置信息.在得到PC 的試驗命令后開始試驗,DSP 實時計算出8路通道的輸出量,并將其放在HP I 內(nèi)存中,然后將連接在ARM 外部中斷的I/0口置位,啟動AR M 外部中斷信號.中央處理單元(MCU 要做的是完成與PC 機之間通過US B 和與DSP 之間通過HP I 的數(shù)據(jù)通信,協(xié)議棧軟件也在MCU 中運行.數(shù)字測試儀協(xié)議棧軟件流程如圖3所示 .圖3數(shù)字測試儀協(xié)議棧軟件框圖F i gure 3Fl ow chart of p r ot ocol stack digital t

15、ester18第23卷第3期王曉芳,等:數(shù)字化變電站的保護裝置測試協(xié)議棧軟件的主要功能是將測試數(shù)據(jù)按I EC61850-9-1協(xié)議組幀,最后以光纖以太網(wǎng)的模式輸出到被測數(shù)字設(shè)備上,由于協(xié)議棧軟件功能相對獨立,裝置上電后,AR M經(jīng)過一個內(nèi)存的重映射過程,將程序映射到快速S DRAM上運行.經(jīng)過初始化以后,進入外部中斷等待狀態(tài),如果有快速中斷響應(yīng),立即進入?yún)f(xié)議棧中斷服務(wù)程序,從外部RAM存儲器中讀取八路信號量,進行數(shù)據(jù)組幀和發(fā)送.通過讀、寫中斷響應(yīng)AR M將實現(xiàn)PC與DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸.5現(xiàn)場測試使用數(shù)字化測試儀對某110k V變電站的所有保護進行了測試.該變電站變壓器主保護采用帶二次諧波制動

16、的差動保護,后備保護采用復合電壓閉鎖過流保護;饋線保護由過流保護、低周減載和低壓減載保護組成.試驗之前,根據(jù)被測保護的定義,首先在測試儀應(yīng)用軟件上對采樣率、AS DU的數(shù)目、通道、最大輸出電壓和輸出電流的倍數(shù)等參數(shù)進行配置.不同廠家的保護裝置及不同的工程應(yīng)用這些參數(shù)會有變化,必須正確配置,否則將不能得到正確的測試結(jié)果.然后,通過US B接口將測試儀連接到PC機上,通過光口將測試儀的輸出信號傳送到被測保護裝置,使用測試線將保護動作信號連接到測試儀的開入端子上.最后,在PC上啟動應(yīng)用軟件開始保護的測試.下面以差動保護的測試為例對試驗過程進行描述.測試儀軟件中差動測試模塊提供了實現(xiàn)對變壓器差動保護的

17、測試功能,并根據(jù)保護裝置有關(guān)高中低三側(cè)電流的定義對AS DU進行了配置.試驗步驟如下.1設(shè)置差動保護定值.差動定值包含有變壓器高、低壓側(cè)的平衡系數(shù)、啟動電流、速斷電流、拐點電流、比率制動系數(shù)、變壓器接線型式和制動方程.而啟動電流、速斷電流、拐點電流和比率制動系數(shù)構(gòu)成了差動保護的比率制動特性曲線,如圖4所示.2設(shè)置差動保護通用試驗參數(shù).CT二次接線.測試模塊提供了全星形接線和傳統(tǒng)接線2種.當由微機保護的軟件處理變壓器圖4比例制動特性曲線F i gure4Characteristic curve of braking rati o轉(zhuǎn)角(內(nèi)轉(zhuǎn)角時選擇前一種型式.否則,使用后一種接線型式.這里選擇全星

18、型接線.轉(zhuǎn)角方式.模塊提供了低壓側(cè)轉(zhuǎn)角和高壓側(cè)轉(zhuǎn)角2種,將各側(cè)不同的電流值折算成作用相同的電流.選擇以高壓側(cè)電流為基準,將低壓側(cè)電流折算到高壓側(cè).平衡系數(shù)的計算.變壓器接線為Y/-11,各側(cè)的額定電壓及差動CT的變比分別為U1,N1,U2,N2.各側(cè)流入差動保護的電流分別為I1=S n3U1N1;(1I2=S n3U2N2.(2式中Sn為變壓器額定容量.以變壓器高壓側(cè)為基準,將低壓側(cè)電流折算到高壓側(cè)的平衡系數(shù)是:K=U1N1U2N2.(33添加測試點.添加啟動、速斷、比率系數(shù)等測試點.4接線.通過光纖將保護的電流輸入光口,接到測試儀相應(yīng)的光口上.保護裝置的跳閘接點通過測試線連接到測試儀的開關(guān)量

19、輸入端A,B,C,D,E,F,G,H任意一對端子上.28電力科學與技術(shù)學報2008年9月5執(zhí)行測試.按“F2”或鼠標點擊“開始”按鈕聯(lián)機輸出.試驗開始后測試儀通過以太網(wǎng)發(fā)送符合I EC61850-9-1協(xié)議的數(shù)據(jù)楨到保護裝置.每一楨數(shù)據(jù)包含高低壓側(cè)六路電流值.保護跳閘信號通過測試儀的開入量輸入到測試儀中.測試儀通過改變電流值的幅值對保護進行測試.測試結(jié)束后得到比率制動系數(shù)、啟動電流、速斷電流和動作時間等結(jié)果,并將試驗結(jié)果記錄在試驗報告中,完成保護試驗.軟件測試界面如圖5所示 .圖5測試軟件界面F i gure 5Ttest s oft w are interface6結(jié)論隨著電子式互感器及I

20、EC61850通訊協(xié)議的推廣和運用,智能化的一次設(shè)備和二次電子裝置之間要實現(xiàn)數(shù)字化通信,變電站內(nèi)智能裝置的數(shù)量將急劇增加,現(xiàn)場需要數(shù)字保護的測試工具.本文研制和應(yīng)用的新型測試儀為數(shù)字保護的測試提供了先進手段,應(yīng)用的測試方案為數(shù)字化變電站保護裝置的現(xiàn)場調(diào)試提供了理論和試驗依據(jù).參考文獻:1曾祥君,劉正誼,屈明志,等.互感器暫態(tài)行波傳輸特性仿真分析與實驗測試J .長沙理工大學(自然科學版,2004,1(1:71275.ZENG Xiang 2jun,L I U Zheng 2yi,QU M ing 2zhi,et al .Si m ulative a 2nalysis and experi m e

21、ntal test of the trans m issi on characteristics of transient traveling 2wave in transfor merJ .Journal of Changsha Uni 2versity of Science and Technol ogy (Natural Science ,2004,1(1:71275.2趙玉富,陳卓亞,郭洪.電子式互感器J .電測與儀表,2006,43(6:28231.ZHAO Yu 2fu,CHENG Zuo 2ya,G UO Hong .Electr onic Transfor mer J .Electrical Measure ment and I nstrumentati on .2006,43(6:28231.3徐玉琴,劉麗花,張麗.超(特高壓輸電線路差動保護電