繼電保護仿真系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其應用

繼電保護仿真系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其應用Thestatus-quoandapplicationsofsimulationsystemofrelayprotection馮小玲，郭裊，譚建成FENGXiao-ling,GUONiao,TANJian-cheng(廣西大學電氣工程學院，南寧530004)(ElectricalEngineeringDepartmentOFGuangxiUnivercity,Nanning530004,Guangxi)摘要：保證繼電設備在出廠前都能在其運行環(huán)境下進行檢驗和試驗巳經(jīng)成為了一個非常重要的問題。文中綜述了各種繼電保護仿真技術及國內外應用狀況，評述了這些技術的優(yōu)缺點及國內外的解決方案。關鍵詞：仿真系統(tǒng)；模擬仿真；數(shù)字仿真系統(tǒng)；RTDSAbstract：Itisimportanttocheckoutandtestrelaydevicesundertheconditionofsystemoperationbeforeoutsideoffactory.Thispapersummarizeskindsofrelayprotectionsimulationtechnologiesandtheircurrentapplicationathomeandabroad,introducestheiradvantagesanddisadvantagesandtheirrelevantsolutionsathomeandabroad．Keywords：Simulationsystem；Analogsimulator；Digitalsimulationsystem；RTDS1引言電力系統(tǒng)對繼電保護設備的技術指標和產品質量的要求巳越來越高，各科研單位和制造廠家在科研上的投入也越來越多。不管是早期的晶體管，集成電路，還是現(xiàn)在的微機保護裝置，其傳統(tǒng)的生產模式和調試方法基本上是一致的，一般采用包干制，從單板到整機調試在同一工位完成，這既影響產品質量的一致性，又難于批量生產，效率低，而整屏的出廠檢驗大都采用對單屏進行人工對線而不是對構成的保護系統(tǒng)進行模擬運行環(huán)境下的各種試驗。然而，電力系統(tǒng)是一個系統(tǒng)工程，其自動化產品需經(jīng)組屏使用，對整屏僅僅采用人工對線是不夠的，為了提高整屏質量，要求所有整屏在出廠前完成在運行環(huán)境下的各種試驗。這種試驗可以通過建立各種物理動態(tài)模擬仿真試驗室來加以實現(xiàn)，但是，建造各種動態(tài)模擬試驗室投資大、占地多、周期長、接線方式更改困難，而且也不能滿足對大批量產品進行試驗的要求。因此，投資少，體積小，接線方式更改方便，并能方便操作的實用化仿真系統(tǒng)顯得非常重要。本文介紹了繼電保護各仿真技術的歷史發(fā)展以及國內外應用狀況，尤其目前實時數(shù)字仿真系統(tǒng)以其實時性及閉環(huán)測試能力成為了仿真技術的重要研究方向，國內外很多單位都引進了實時數(shù)字仿真器并且取得了可信度高的試驗結果，顯示了它的巨大發(fā)展?jié)摿Α?繼電保護模擬仿真系統(tǒng)由于繼電保護產品對電力系統(tǒng)安全起著至關重要的作用，因此，總希望產品在投入電力系統(tǒng)運行前在真正電力系統(tǒng)環(huán)境中進行各種考驗，在以前，這必須建立真實物理原型的動態(tài)模擬試驗室（模擬仿真器），這些物理模型如發(fā)電機、變壓器、線路、斷路器等，體積大，價格昂貴，功率大，特別是真實的斷路器，壽命短，控制回路復雜，在實驗室，更改主接線困難。況且，一般來講只能建立單一的電網(wǎng)，而不能建立完全的變電站，因此這種模擬仿真試驗室在當今世界并未受到很大的青睞，一般用作新產品的開發(fā)階段的各種試驗，以驗證產品是否滿足設計要求，而無法用做大規(guī)模產品的出廠試驗。為了完善繼電保護產品出廠前的各種試驗，依靠動模試驗室和傳統(tǒng)的試驗裝置是不行的，這就促使開發(fā)研制電力系統(tǒng)專用數(shù)字仿真系統(tǒng)。這種電力系統(tǒng)仿真可方便地構造系統(tǒng)結構，設置參數(shù)，仿真被仿的電力系統(tǒng)在各種運行工況及故障情況下的動態(tài)行為。3繼電保護數(shù)字仿真系統(tǒng)數(shù)字仿真是一門集計算機科學、計算數(shù)學、控制技術及相關專業(yè)應用的綜合學科。數(shù)字仿真是用描述真實系統(tǒng)/對象的數(shù)學模型來代替真實系統(tǒng)/對象進行試驗和研究的一種專門的技術。系統(tǒng)數(shù)字仿真具有獨特的靈活性、試驗的可控制和準確的可重復性及系統(tǒng)試驗的安全性和經(jīng)濟性等諸多優(yōu)點使得這門交叉學科在許多領域中得到廣泛的應用。數(shù)字仿真系統(tǒng)分為兩種：非實時數(shù)字仿真軟件和實時數(shù)字仿真器。3.1非實時數(shù)字仿真軟件常用的仿真工具大多為非實時的仿真程序。下面介紹國內外應用最廣泛的兩種軟件。ATP/EMTPEMTP(ElectromagneticTransientsProgram)是加拿大H.W.Dommel教授首創(chuàng)的電磁暫態(tài)分析軟件，它具有分析功能多、元件模型全和運算結果精確等優(yōu)點，對于電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)都可做仿真分析，它的典型應用是預測電力系統(tǒng)在某個擾動(如開關投切或故障)之后感興趣的變量隨時間變化的規(guī)律，將EMTP的穩(wěn)態(tài)分析和暫態(tài)分析相結合，可以作為電力系統(tǒng)保護設備實驗的有力工具。ATP(TheAlternativeTransientsProgram)是EMTP的免費獨立版本，是目前世界上電磁暫態(tài)分析程序最廣泛使用的一個版本，它可以模擬復雜網(wǎng)絡和任意結構的控制系統(tǒng)，數(shù)學模型廣泛，除用于暫態(tài)計算，還有許多其它重要的特性。ATP程序正式誕生于1984年，由Drs.W.ScottMeyer和Tsu-hueiLiu所組成的世界各地的用戶組不斷地發(fā)展。ATP還配備有比TACS更靈活、功能更強的通用描述語言MODELS及圖形輸入程序ATPDraw。PSCAD/EMTDCDennisWoodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水電局開發(fā)完成了EMTDC的初版，是一種世界各國廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件，PSCAD是其用戶界面，PSCAD的開發(fā)成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實時數(shù)字仿真器的前置端。可模擬任意大小的交直流系統(tǒng)。對于上述兩種運行在數(shù)字計算機上的仿真程序來說，其限制在于:為計算被仿真系統(tǒng)1s的響應大多要花費數(shù)分鐘乃至幾小時的時間。并且這種非實時的仿真速度不能滿足與外部物理控制設備和保護裝置進行實時交互試驗的需要，因此無法對繼電器進行閉環(huán)測試。實時數(shù)字仿真系統(tǒng)與上述離線仿真軟件相比，RTDS的主要優(yōu)勢在于實時性和帶被測試設備閉環(huán)運行的能力。它不但可以用以電力系統(tǒng)的仿真分析研究，它還可以提供電力系統(tǒng)一次設備，各類控制系統(tǒng)，各種電力系統(tǒng)自動化設備實時數(shù)字仿真試驗的閉環(huán)試驗環(huán)境。這類電力系統(tǒng)數(shù)字仿真器對它的實時仿真能力要求很高。它是由高速計算機及信號輸入輸出通道，被仿真系統(tǒng)的數(shù)學模型，實時仿真算法、良好的人機接口，以及性能優(yōu)良的電壓/電流功率放大部件等綜合組成?，F(xiàn)在主要有加拿大RTDS技術公司研制的實時數(shù)字仿真器。這種仿真器擁有比較全面和詳細的電力系統(tǒng)元件模型。3.2.1RTDS(Real-Time-Digital-simulator)RTDS是由加拿大Manitoba直流研究中心(HVDC)開發(fā)的專門用于實時研究電力系統(tǒng)的數(shù)字動模系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的電力系統(tǒng)元件模型和仿真算法是建立在巳獲得行業(yè)認可，且巳廣泛應用的EMTP和EMTDC基礎上的，其仿真結果與現(xiàn)場實際系統(tǒng)的真實情況是一致的。我國自20世紀90年代初由原南自院引進以來，巳有十多個單位先后引進該設備，提高了我國電力系統(tǒng)在實時仿真方面的水平。目前，運行在RTDS前臺工作站的軟件有兩個版本，一個是必須運行在Unix上的PSCAD，一個是基于JAVA平臺的RSCAD(不限制操作系統(tǒng)，但一般用于Windows系統(tǒng))。PSCAD軟件可以分為以下幾個模塊：Draft:進行電力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的搭建工作。其模型庫含有當前電力系統(tǒng)大部分的元件和控制元件。Tline和Cable：編輯線路和電纜的相關參數(shù)。線路模型可以選擇貝瑞隆模型或基于頻率的模型，參數(shù)可以選擇輸入電氣參數(shù)或物理參數(shù)。電纜也一樣。Runtime：運行用Draft搭建的電力系統(tǒng)(其計算是在rack上進行，Runtime只起到控制和顯示的作用)。在Runtime中可以創(chuàng)建各種滑塊、開關、按鈕、儀表、表格和信號燈等元件對運行的Case進行控制和監(jiān)視，還可以建立一個Script文件對其運行進行自動化控制。plot中的波形可以保存為mpb或comtrade格式文件。Multiplot和Uniplot：對保存的mpb格式波形文件進行分析計算?？梢詫Ω鞑ㄐ芜M行簡單的數(shù)學運算和傅立葉分析。RSCAD軟件與PSCAD基本相同。只是界面更為友好，可以選擇顯示語言為中文，標注也可以為中文，另外可以保存波形為jpg圖片文件，可以對所搭系統(tǒng)進行潮流計算，可以以單線模式進行搭建系統(tǒng)，可以更改連接線顏色等。RSCAD軟件主要的搭建系統(tǒng)、運行和分析均和PSCAD相似。4實時數(shù)字仿真的國內外應用4.1國內應用東北電力集團公司在RTDS上開展了針對CSL-101B型數(shù)字式線路保護裝置的動模試驗工作，目的是進一步校核在RTDS平臺上建立電力系統(tǒng)模型的真實性，同時測試保護裝置的動作行為［1］。東方電子公司也利用RTDS動模系統(tǒng)測試了新開發(fā)的超高壓線路保護裝置DF3621［水動模試驗設備有2個機柜，2組電流、電壓放大器。如圖1所示。斷路晦喝閘信號十]工作站KTDS實肘仿巢系統(tǒng)k壓圣藏瓦放一監(jiān)控控制電壓放大電壓

電流電流圖1用RTDS進行保護裝置動模閉環(huán)試驗示意圖1）工作站工作站由PC機組成，主要為人機對話界面，包括仿真系統(tǒng)的模型、運行方式、各種操作、參數(shù)選擇、波形顯示及被試設備的動作信息等主要功能。工作站通過并行接口與RTDS實時仿真系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息的交換，并控制RTDS實時仿真系統(tǒng)的仿真運行。2）RTDS實時仿真系統(tǒng)RTDS實時仿真系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心部分，它接收工作站的數(shù)據(jù)、操作指令來控制仿真試驗。通過光電回路接收被試設備的控制命令以及接收仿真系統(tǒng)斷路器、刀閘等一次設備的狀態(tài)命令，根據(jù)工作站中的各種仿真數(shù)字信號，通過D/A變換將仿真系統(tǒng)的模擬波形送至電流電壓放大器帶動被試驗設備，并根據(jù)工作站的操作命令來完成各種仿真試驗。3）電流電壓放大器電流電壓放大器接收由RTDS實時仿真系統(tǒng)送來的模擬信號，通過電流電壓放大輸出至被試設備及系統(tǒng)，它必須具有良好的線性度、穩(wěn)定性以及高性能的頻率特性。試驗結果顯示RTDS能滿足繼電保護裝置動態(tài)仿真試驗的要求，經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)被測保護裝置的保護動作行為基本與電力系統(tǒng)仿真情況相符合。該仿真系統(tǒng)與常規(guī)的由旋轉設備構成的動模試驗系統(tǒng)相比較，不僅占地少，而且試驗更靈活、方便。4.2國外應用早在1992年，加拿大manitoba大學和manitoba高壓直流中心就應用RTDS對商業(yè)化的距離繼電器進行測試。物理裝置由繼電器、功率監(jiān)測器或者是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器組成。圖2是用于測試的仿真系統(tǒng)圖。在測試中觀察了三相短路、兩相短路、單相接地短路時距離繼電器的動作行為，實例結果驗證了運行實時仿真器測試繼電器的能力，發(fā)現(xiàn)在各種故障時繼電器均能可靠跳閘。文獻中還闡述了用RTDS和傳統(tǒng)的模擬仿真器相連可以大大地改善模擬仿真器地性能⑶。5應用實時數(shù)字仿真系統(tǒng)出現(xiàn)的問題RTDS雖然具有很多優(yōu)點，但它自身亦存在一些問題。RTDS實時數(shù)字動模試驗系統(tǒng)元件庫里提供了具有分接頭調整的雙卷變壓器模型，但分接頭位置是三相調整的，并無物理的短路位置。因此無法做變壓器本體內部故障實驗。這巳經(jīng)成為了國內外變壓器內部故障仿真的一個難題。5.1國外解決方案國外采用了一種替代方法，即當進行變壓器本體內部故障模擬時，將變壓器的漏磁阻抗進行了分解。設變壓器的漏磁阻抗為Zb,貝I」：Zb=Zb1+Zb2（1）其中，Zb1為輸入變壓器模型的漏磁阻抗，Zb2為串聯(lián)于變壓器高壓側的輔助阻抗，Zb2的大小，取決于模擬變壓器繞組的位置。該方法有以下不妥之處：變壓器漏磁阻抗是一歸算到變壓器一側的等值計算阻抗，變壓器傳變是一種電磁物理過程，將其中的一部分阻抗提取到變壓器仿真模型以外，有失變壓器仿真的真實性；變壓器繞組的匝間故障并非簡單的隨故障點的位置不同而呈線性變換，即當進行變壓器的繞組故障模擬時，無法把握其準確性；且該方法僅限于雙卷變壓器，因而有其局限性。5.2國內解決方案遼寧省電力有限公司提出了用自耦變壓器的模型進行雙卷變壓器本體內部故障的仿真，主要思想是通過對具有分接頭調整的變壓器進行故障分析，如果將分接頭作為自耦變壓器的公共繞組抽頭側來看，便可使變壓器本體內部故障的仿真簡單化。變壓器保護裝置動模試驗模型如圖3。圖3變壓器保護動模試驗模型模型開發(fā)完后，邀請遼寧省電力有限公司、南京電力自動化設備總廠新寧電力技術有限公司和南京電力自動化研究院（南瑞繼電保護公司）參加動模試驗，于2001年3月12?16日對上述3個廠家的2種不同原理的變壓器微機保護裝置進行了動模試驗。試驗證明，該變壓器動態(tài)試驗模型是真實可行的，完全滿足變壓器保護裝置在所模擬的各種系統(tǒng)動態(tài)情況下的試驗要求，及時發(fā)現(xiàn)了各種保護裝置存在的不正確動作隱患。但是其存在的局限性是對于三卷變壓器和本身就是自耦變壓器的不能適用囹。另外，RTDS實時仿真器雖然具有通用性，但價格昂貴，操作復雜，不利于針對某種特定用途的使用。6結束語隨著繼電器容量和功能的擴充，繼電保護測試設備也不斷進化發(fā)展。為了檢驗和試驗繼電保護設備，目前國內外開發(fā)了很多數(shù)字仿真軟件對繼電設備進行模擬仿真，尤其是實時閉環(huán)的數(shù)字仿真系統(tǒng)。實時數(shù)字仿真器具有特有的實時性和閉環(huán)測試能力，集中了離線非實時數(shù)字仿真軟件和模擬仿真器的