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一种新的继电保护试验系统的研究

作者：佚名文章来源：不详点击数：更新时间：2008-9-24 9:35:22

李轶群刘万顺秦立军
华北电力大学四方研究所，100085 北京 1 引言
　　随着电力系统规模的扩大和快速发展，对电力系统继电保护的要求越来越高，如何保证继电保护装置在各种故障暂态分量的条件下正确动作，是保护装置研制、生产制造和运行管理部门面临的重大问题，急需用于暂态测试的试验手段。目前，国内在继电保护装置的测试中动模实验系统得到了广泛的应用，近几年电力系统实时仿真器（如RTDS）也得到了大量的应用，这两种试验系统能够比较真实地模拟电力系统中的故障暂态过程，并且可同时提供多个电气量输出点，可以同时满足多个继电保护测试的要求，但是它们共同的缺点是设备昂贵，结构复杂，使用费用高，维护费用也比较高。目前只有少数的单位拥有这两种设备，大大限制了它们的推广应用。而现在离线计算软件已经发展得非常成熟，功能也越来越强大，可计算的系统的网络规模也越来越大，现在已经可模拟有几千个节点的电力系统；能够模拟的元件种类也很多，如SVC、SVG、TCSC、交直流换流站等各种电力电子装置，还可模拟变压器的内部故障、励磁涌流及CT饱和和PT的暂态过程等情况，并且其仿真的精度已经得到公认。与基于实时计算的全数字仿真器相比，离线电力系统电磁暂态计算程序不仅能够模拟全数字实时仿真器所能模拟的所有情况，还能够模拟它不能模拟的一些情况，以及具有一些全数字实时仿真器所不具有的一些优点，如价格便宜，对硬件要求低，尤其重要的是其精度要比全数字实时仿真器高。如果能充分利用离线电力系统暂态计算程序的强大功能来构造一个高精度的廉价、便携的测试系统，这对继电保护的测试是非常有意义的。
2 测试系统方案设计
　　本系统的设计目标是：能够在试验室内对各种继电保护装置进行动、静模试验，不仅可以为被试验的保护装置提供系统静态环境，而且还能代替目前由旋转设备构成的动模试验系统，以实现对线路保护装置动作性能的各种测试。为此，要求本试验系统能够对电力系统的各种正常和不正常的工况进行仿真。另外，对于保护装置误动所提出的事故分析的要求，本测试系统也应该提供相应的辅助手段，因此，本测试系统还应当能够根据现场故障录波数据再现故障。
　　本试验系统由计算速度较快的后台机作为支持系统，对电力系统各种正常和不正常工况进行仿真计算，各种相关信息经过处理后送到两台前置装置，每台前置装置对接收到的控制命令和数据信息进行进一步处理，然后把数字量转变成模拟量，经放大后加到被测试的继电保护装置，从而实现动、静模仿真试验。同时试验装置也能监测到被测试继电保护装置的动作情况，由后台机根据相应的保护动作进一步的实时仿真。
3 具体方案的实现
　　由于继电保护装置在电磁暂态过程中的动作相对比较简单，因此根据具体的实验要求，可以预计某一种暂态过程中继电保护装置的动作状况，通过离线电力系统电磁暂态程序模拟相应的暂态过程，得到保护装置所需的二次侧电流、电压值，通过程序离线对这些电流、电压数字值进行数字信号处理后，再转变为D／A芯片所需的输入数字量，存储在计算机的内存中。由于这一个过程是一个离线过程，因而可以采用精度非常高的算法来确保测试的精度。保护实时测试时，计算机将这些数字量经过D／A转换和放大，变成电力系统二次侧电压、电流的模拟量，送入保护交流插件来测试保护。同时，计算机对保护装置的动作行为进行监视，根据保护装置在暂态过程的动作情况切换数据区，改变所输出的电压电流值，从而达到对电力系统在断路器开合过程中的实时模拟。
整个测试系统框架如图1所示。

　　目前，微机继电保护装置在电力系统中已经广泛应用，通常情况下，在测试继电保护装置时测试的都是微机保护装置。在微机继电保护装置中交流插件比较可靠，而且交流插件的测试也相对简单，因而，对于微机保护装置的测试，没有必要再进行D／A转换，功率放大等环节，只需要直接通过数字接口直接连接至微机保护装置的数字采集接口即可。这样，整个测试系统只需要一台PC计算机和一条连接电缆，整个系统就变得极为简单，而且系统的造价也非常低廉，系统的便携性能非常好，有利于在现场进行各种调试。
　　本测试系统有两种工作方式，分别为开环控制方式和闭环控制方式。在开环的工作方式中，PC机只进行数据的数字信号的处理和对装置的动作信息的检测，对于装置的动作只做出简单的反应。这种工作方式工作行为比较简单，PC机的工作比较单一，而且由于没有人为的更改仿真数据，仿真的精度很高，效果也非常真实。但是，它也有比较明显的缺点，就是如果所预计的情况与保护装置的实际动作行为相差得相当小时，即保护装置的动作时间只是早或者晚几个或者十几个毫秒时，由于这种方式并不对仿真数据进行加工，从而得不到较好的仿真结果，此时就必须针对实际的情况再次进行仿真，从而显得比较机械，不够灵活，增大了实验人员的工作量。在闭环的工作方式中，当预测的保护动作行为与实际的动作行为差别比较小时，可以人为地对仿真数据进行修改来适应保护的实际情况。比如，当送出故障数据时，如果保护没有动作，就将故障数据持续送出，直到保护动作或者到达一定的时间后再撤消数据。这样，保护测试就比较灵活。但是由于对仿真数据进行了加工，在仿真精度上有一定的损失。选择这两种工作方式的哪一种，应当根据实际情况而定，大部分情况下两种工作方式都可以采用，但是有些情况比如故障再现就只能采用开环的工作方式。
　　由于保护装置是多种多样的，在测试中不可避免地会碰到需要电力系统多个地点的电气量，现在离线电力系统电磁暂态程序的输出可以有多点输出，这样就能实现对多个地点电气量的仿真，从而可以对各种保护进行测试。比如：对双端线路保护测试可以输出线路两端的电压、电流量，对于线路的差动保护也是输出线路两端的电压、电流量,对变压器可以是变压器两侧的电气量，对于线路的横联保护可以输出双回线的电压、电流量。这样所设计的测试系统就可以充分发挥电力系统电磁暂态程序的能力来测试各种继电保护装置。
　　另外，针对系统中常见的线路两端保护装置的相互配合的问题，笔者还专门设计了测试方案，可以适应线路两端保护装置的各种配合方式。在线路双端保护中最常见的是两侧保护的动作时间多变，这样需要事先预计所有可能的两侧保护动作时间不同的情况，然后将这些情况用EMTP预先计算好，存在计算机内存中，待实时测试时根据不同的保护动作情况调用。对于线路双端保护测试，如果把各种不同动作时间的情况准备齐全的话，将有27种数据种类，这给预先数据准备带来很多困难，应用中可以根据试验的故障情况估计保护的动作情况，特别是当保护第一次动作时间确定后，该保护以后的重合闸和永跳时间大致可以确定，在实际测试中证明只需采用三种时间顺序的数据就可以满足一般线路纵联保护的测试，即两侧同时动作，一侧先动作另一侧后动作，和相反的另一侧先动作的情况。对于其他的保护装置所有可能提出的各种特殊要求，由于所编制的程序是用高级语言采用结构化的编程风格，可以方便的进行逻辑上的扩展，以适应新的要求。
4 具体的试验步骤
　　首先根据需要测试的保护装置，确定测试方案，根据测试方案预先估计保护装置在所仿真的工作状况下可能的动作行为，然后根据这些可能的情况，通过离线暂态计算程序进行仿真计算，并将仿真的结果进行相应的数字处理，存入计算机的扩展内存中。保护测试开始后，先送一段时间的稳态量，由于稳态量都是周期性的，可反复长时间地送稳态一个周波内的数据。待故障开始后，顺序送出故障过程数据，并对保护装置的动作信号进行实时监视，收到保护的动作信号后，如果采用闭环控制方式则根据保护的动作情况送出相应的事先准备好的数据，模拟保护动作后的系统电压、电流波形，实现对保护装置的闭环测试；否则，继续送出仿真的数据直到所有的仿真数据送完。保护的实际动作相别和动作时间大多是可以根据电力系统测试的情况来预知的，如果有的不能预料，预料错误或预料保护动作时间与实际相差很大，可以根据第一次试验的保护实际动作情况，对EMTP的数据卡进行修改，进行进一步的仿真，然后再进行测试，就可以达到准确地测试继电保护的要求。
　　在本试验系统中，D／A转换和功率放大环节是非常重要的，这直接影响到仿真的精度，目前采用的是现有的微机保护装置测试仪，它的精度是有保证的，微机保护装置测试仪就取代了图1中的虚线框内的元件。
5 试验结果及结论
　　采用BPA版EMTP计算程序，用一台PC机，两台MRT－02型继电保护测试仪对一套线路两端的高频保护进行了测试，模拟试验电力系统接线图是一个典型的双回线系统。测试结果录波图如图2和3所示。图中U1，I1，U2，I2分别表示一回线路两侧的电压、电流。
　

用这套试验系统，对保护在系统中的各种故障及不正常运行状态下的性能进行了检测。故障类型包括各种区内、区外不同地点的单相金属性接地，两相金属性接地，或经过渡电阻的接地，两相短路，三相短路等简单故障，各种复杂的转换性故障，及振荡中发生故障，系统的不正常运行情况包括功率倒向，系统振荡等。通过大量的试验，笔者发现本系统可以对继电保护装置进行极为详尽的考核。在试验过程中，可以用这套系统将保护装置可能的出口方式全部仿真出来，并且仿真的精度也很高。另外，将基于EMTP离线计算的双端继电保护暂态试验系统的仿真结果与中国电科院动模试验结果进行了对比，两者在特征上是相近的。在笔者设计的仿真试验系统上测试时没有出现问题的装置在动模系统上测试也未发现问题，可见这种测试系统完全能满足成套高压线路保护装置、安全自动装置新产品开发试验和出厂试验的要求。
6 展望
　　(1)目前，保护装置测试仪多种多样，大部分都是采用相同的接口方式与计算机联接，即通过打印机接口，而且测试仪的功能都非常简单，只能模拟相当简单的故障情况，功能存在非常明显的不足，在测试仪上无法对继电保护装置进行详尽的考核。而本文所设计的系统的性能相当好，如果目前的测试仪能够公开其内部控制接口或者所有的测试仪采用相同的控制方式，则本文所设计的系统就可以同各种测试仪相匹配，从而使保护测试仪成为一个功能强大的平台。
(2)目前，由于采用计算机的打印口与前置的继电保护测试仪进行通信，其通信的速率较低，如果能够采用更好的实时通信方式，则可以驱动更多保护测试仪，模拟更多的电力系统的节点，从而可以进行反映更多节点电气量的保护控制系统测试。
　 (3)现在，微机保护装置已经大量采用，而且PASS或者类似的系统也开始在世界范围内普及，这就使新型保护将采用数字式的采集接口，功率放大环节将毫无用处，从而整个测试系统将可以作成便携式的。

参考文献

［1］秦立军．微机化保护测试装置中复杂系统暂态仿真软件的研究［J］电力系统自动化设备，1996，57(1)：30－32．
［2］李轶群．继电保护暂态试验系统仿真软件的研究［D］．华北电力大学(北京)工学硕士论文，1998．

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