繼電保護(hù)仿真系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其應(yīng)用

繼電保護(hù)仿真系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其應(yīng)用Thestatus-quoandapplicationsofsimulationsystemofrelayprotection馮小玲，郭裊，譚建成FENGXiao-ling,GUONiao,TANJian-cheng(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，南寧530004)(ElectricalEngineeringDepartmentOFGuangxiUnivercity,Nanning530004,Guangxi)摘要：保證繼電設(shè)備在出廠前都能在其運(yùn)行環(huán)境下進(jìn)行檢驗(yàn)和試驗(yàn)巳經(jīng)成為了一個(gè)非常重要的問題。文中綜述了各種繼電保護(hù)仿真技術(shù)及國內(nèi)外應(yīng)用狀況，評述了這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及國內(nèi)外的解決方案。關(guān)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(hù)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)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(jī)保護(hù)裝置，其傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式和調(diào)試方法基本上是一致的，一般采用包干制，從單板到整機(jī)調(diào)試在同一工位完成，這既影響產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，又難于批量生產(chǎn)，效率低，而整屏的出廠檢驗(yàn)大都采用對單屏進(jìn)行人工對線而不是對構(gòu)成的保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行模擬運(yùn)行環(huán)境下的各種試驗(yàn)。然而，電力系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)工程，其自動化產(chǎn)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(zhì)量，要求所有整屏在出廠前完成在運(yùn)行環(huán)境下的各種試驗(yàn)。這種試驗(yàn)可以通過建立各種物理動態(tài)模擬仿真試驗(yàn)室來加以實(shí)現(xiàn)，但是，建造各種動態(tài)模擬試驗(yàn)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(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)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(shí)用化仿真系統(tǒng)顯得非常重要。本文介紹了繼電保護(hù)各仿真技術(shù)的歷史發(fā)展以及國內(nèi)外應(yīng)用狀況，尤其目前實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)以其實(shí)時(shí)性及閉環(huán)測試能力成為了仿真技術(shù)的重要研究方向，國內(nèi)外很多單位都引進(jìn)了實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器并且取得了可信度高的試驗(yàn)結(jié)果，顯示了它的巨大發(fā)展?jié)摿Α?繼電保護(hù)模擬仿真系統(tǒng)由于繼電保護(hù)產(chǎn)品對電力系統(tǒng)安全起著至關(guān)重要的作用，因此，總希望產(chǎn)品在投入電力系統(tǒng)運(yùn)行前在真正電力系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行各種考驗(yàn)，在以前，這必須建立真實(shí)物理原型的動態(tài)模擬試驗(yàn)室（模擬仿真器），這些物理模型如發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、斷路器等，體積大，價(jià)格昂貴，功率大，特別是真實(shí)的斷路器，壽命短，控制回路復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)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(yàn)室在當(dāng)今世界并未受到很大的青睞，一般用作新產(chǎn)品的開發(fā)階段的各種試驗(yàn)，以驗(yàn)證產(chǎn)品是否滿足設(shè)計(jì)要求，而無法用做大規(guī)模產(chǎn)品的出廠試驗(yàn)。為了完善繼電保護(hù)產(chǎn)品出廠前的各種試驗(yàn)，依靠動模試驗(yàn)室和傳統(tǒng)的試驗(yàn)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(gòu)造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)置參數(shù)，仿真被仿的電力系統(tǒng)在各種運(yùn)行工況及故障情況下的動態(tài)行為。3繼電保護(hù)數(shù)字仿真系統(tǒng)數(shù)字仿真是一門集計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、控制技術(shù)及相關(guān)專業(yè)應(yīng)用的綜合學(xué)科。數(shù)字仿真是用描述真實(shí)系統(tǒng)/對象的數(shù)學(xué)模型來代替真實(shí)系統(tǒng)/對象進(jìn)行試驗(yàn)和研究的一種專門的技術(shù)。系統(tǒng)數(shù)字仿真具有獨(dú)特的靈活性、試驗(yàn)的可控制和準(zhǔn)確的可重復(fù)性及系統(tǒng)試驗(yàn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性等諸多優(yōu)點(diǎn)使得這門交叉學(xué)科在許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)字仿真系統(tǒng)分為兩種：非實(shí)時(shí)數(shù)字仿真軟件和實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器。3.1非實(shí)時(shí)數(shù)字仿真軟件常用的仿真工具大多為非實(shí)時(shí)的仿真程序。下面介紹國內(nèi)外應(yīng)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(yùn)算結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用是預(yù)測電力系統(tǒng)在某個(gè)擾動(如開關(guān)投切或故障)之后感興趣的變量隨時(shí)間變化的規(guī)律，將EMTP的穩(wěn)態(tài)分析和暫態(tài)分析相結(jié)合，可以作為電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備實(shí)驗(yàn)的有力工具。ATP(TheAlternativeTransientsProgram)是EMTP的免費(fèi)獨(dú)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(gè)版本，它可以模擬復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和任意結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型廣泛，除用于暫態(tài)計(jì)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(qiáng)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(jìn)行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復(fù)雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實(shí)時(shí)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(yùn)行在數(shù)字計(jì)算機(jī)上的仿真程序來說，其限制在于:為計(jì)算被仿真系統(tǒng)1s的響應(yīng)大多要花費(fèi)數(shù)分鐘乃至幾小時(shí)的時(shí)間。并且這種非實(shí)時(shí)的仿真速度不能滿足與外部物理控制設(shè)備和保護(hù)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)交互試驗(yàn)的需要，因此無法對繼電器進(jìn)行閉環(huán)測試。實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性和帶被測試設(shè)備閉環(huán)運(yùn)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(shè)備，各類控制系統(tǒng)，各種電力系統(tǒng)自動化設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)字仿真試驗(yàn)的閉環(huán)試驗(yàn)環(huán)境。這類電力系統(tǒng)數(shù)字仿真器對它的實(shí)時(shí)仿真能力要求很高。它是由高速計(jì)算機(jī)及信號輸入輸出通道，被仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)仿真算法、良好的人機(jī)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(shù)公司研制的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器。這種仿真器擁有比較全面和詳細(xì)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(shí)時(shí)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(rèn)可，且巳廣泛應(yīng)用的EMTP和EMTDC基礎(chǔ)上的，其仿真結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)情況是一致的。我國自20世紀(jì)90年代初由原南自院引進(jìn)以來，巳有十多個(gè)單位先后引進(jìn)該設(shè)備，提高了我國電力系統(tǒng)在實(shí)時(shí)仿真方面的水平。目前，運(yùn)行在RTDS前臺工作站的軟件有兩個(gè)版本，一個(gè)是必須運(yùn)行在Unix上的PSCAD，一個(gè)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(gè)模塊：Draft:進(jìn)行電力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的搭建工作。其模型庫含有當(dāng)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(guān)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(yùn)行用Draft搭建的電力系統(tǒng)(其計(jì)算是在rack上進(jìn)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(guān)、按鈕、儀表、表格和信號燈等元件對運(yùn)行的Case進(jìn)行控制和監(jiān)視，還可以建立一個(gè)Script文件對其運(yùn)行進(jìn)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(jìn)行分析計(jì)算。可以對各波形進(jìn)行簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)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(biāo)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(jìn)行潮流計(jì)算，可以以單線模式進(jìn)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(yùn)行和分析均和PSCAD相似。4實(shí)時(shí)數(shù)字仿真的國內(nèi)外應(yīng)用4.1國內(nèi)應(yīng)用東北電力集團(tuán)公司在RTDS上開展了針對CSL-101B型數(shù)字式線路保護(hù)裝置的動模試驗(yàn)工作，目的是進(jìn)一步校核在RTDS平臺上建立電力系統(tǒng)模型的真實(shí)性，同時(shí)測試保護(hù)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(hù)裝置DF3621［水動模試驗(yàn)設(shè)備有2個(gè)機(jī)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(shí)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(jìn)行保護(hù)裝置動模閉環(huán)試驗(yàn)示意圖1）工作站工作站由PC機(jī)組成，主要為人機(jī)對話界面，包括仿真系統(tǒng)的模型、運(yùn)行方式、各種操作、參數(shù)選擇、波形顯示及被試設(shè)備的動作信息等主要功能。工作站通過并行接口與RTDS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換，并控制RTDS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的仿真運(yùn)行。2）RTDS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)RTDS實(shí)時(shí)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(yàn)。通過光電回路接收被試設(shè)備的控制命令以及接收仿真系統(tǒng)斷路器、刀閘等一次設(shè)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(yàn)設(shè)備，并根據(jù)工作站的操作命令來完成各種仿真試驗(yàn)。3）電流電壓放大器電流電壓放大器接收由RTDS實(shí)時(shí)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(shè)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(yàn)結(jié)果顯示RTDS能滿足繼電保護(hù)裝置動態(tài)仿真試驗(yàn)的要求，經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)被測保護(hù)裝置的保護(hù)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(zhuǎn)設(shè)備構(gòu)成的動模試驗(yàn)系統(tǒng)相比較，不僅占地少，而且試驗(yàn)更靈活、方便。4.2國外應(yīng)用早在1992年，加拿大manitoba大學(xué)和manitoba高壓直流中心就應(yīng)用RTDS對商業(yè)化的距離繼電器進(jìn)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(shí)距離繼電器的動作行為，實(shí)例結(jié)果驗(yàn)證了運(yùn)行實(shí)時(shí)仿真器測試?yán)^電器的能力，發(fā)現(xiàn)在各種故障時(shí)繼電器均能可靠跳閘。文獻(xiàn)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(yīng)用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)出現(xiàn)的問題RTDS雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但它自身亦存在一些問題。RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字動模試驗(yàn)系統(tǒng)元件庫里提供了具有分接頭調(diào)整的雙卷變壓器模型，但分接頭位置是三相調(diào)整的，并無物理的短路位置。因此無法做變壓器本體內(nèi)部故障實(shí)驗(yàn)。這巳經(jīng)成為了國內(nèi)外變壓器內(nèi)部故障仿真的一個(gè)難題。5.1國外解決方案國外采用了一種替代方法，即當(dāng)進(jìn)行變壓器本體內(nèi)部故障模擬時(shí)，將變壓器的漏磁阻抗進(jìn)行了分解。設(shè)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(cè)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(cè)的等值計(jì)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(shí)性；變壓器繞組的匝間故障并非簡單的隨故障點(diǎn)的位置不同而呈線性變換，即當(dāng)進(jìn)行變壓器的繞組故障模擬時(shí)，無法把握其準(zhǔn)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(nèi)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(jìn)行雙卷變壓器本體內(nèi)部故障的仿真，主要思想是通過對具有分接頭調(diào)整的變壓器進(jìn)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(cè)來看，便可使變壓器本體內(nèi)部故障的仿真簡單化。變壓器保護(hù)裝置動模試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3。圖3變壓器保護(hù)動模試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍Ｐ烷_發(fā)完后，邀請遼寧省電力有限公司、南京電力自動化設(shè)備總廠新寧電力技術(shù)有限公司和南京電力自動化研究院（南瑞繼電保護(hù)公司）參加動模試驗(yàn)，于2001年3月12?16日對上述3個(gè)廠家的2種不同原理的變壓器微機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行了動模試驗(yàn)。試驗(yàn)證明，該變壓器動態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪钦鎸?shí)可行的，完全滿足變壓器保護(hù)裝置在所模擬的各種系統(tǒng)動態(tài)情況下的試驗(yàn)要求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了各種保護(hù)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(shí)時(shí)仿真器雖然具有通用性，但價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，不利于針對某種特定用途的使用。6結(jié)束語隨著繼電器容量和功能的擴(kuò)充，繼電保護(hù)測試設(shè)備也不斷進(jìn)化發(fā)展。為了檢驗(yàn)和試驗(yàn)繼電保護(hù)設(shè)備，目前國內(nèi)外開發(fā)了很多數(shù)字仿真軟件對繼電設(shè)備進(jìn)行模擬仿真，尤其是實(shí)時(shí)閉環(huán)的數(shù)字仿真系統(tǒng)。實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器具有特有的實(shí)時(shí)性和閉環(huán)測試能力，集中了離線非實(shí)時(shí)數(shù)字仿真軟件和模擬仿真器的