基于虛擬儀器技術(shù)的二次回路仿真系統(tǒng)研究與應(yīng)用

趙曉明

（浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

輸配電技術(shù)

基于虛擬儀器技術(shù)的二次回路仿真系統(tǒng)研究與應(yīng)用

趙曉明

（浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

介紹了一種基于虛擬儀器技術(shù)與FPGA技術(shù)的繼電保護(hù)二次回路仿真系統(tǒng)。利用LabView可視化編程語言，對二次回路的實(shí)體形態(tài)進(jìn)行模塊化編程形成元件庫，調(diào)用元件庫并進(jìn)行邏輯組態(tài)，實(shí)現(xiàn)二次回路的精確仿真。通過對RADSS母差保護(hù)二次回路的實(shí)例仿真，再現(xiàn)了寄生回路與接點(diǎn)競爭現(xiàn)象，驗(yàn)證了母差保護(hù)二次回路存在的缺陷，有助于提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性，構(gòu)建的二次回路仿真系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用效果。

虛擬儀器；二次回路；仿真系統(tǒng)

近年來，因繼電保護(hù)二次回路原因?qū)е率鹿侍l的例子時(shí)有發(fā)生，比如某220 kV變電站由于二次寄生回路引起母聯(lián)斷路器偷合，造成母線全停的事故。二次回路數(shù)量多，設(shè)計(jì)和施工不當(dāng)極易產(chǎn)生寄生回路和接點(diǎn)競爭問題。傳統(tǒng)二次回路檢測主要依靠圖紙審核、接線檢查和傳動試驗(yàn)來完成，對于復(fù)雜的二次回路，依靠人工圖紙審核難以發(fā)現(xiàn)回路中的問題。另外，傳統(tǒng)方法下事故查找和分析也比較困難。

為此，提出一種新的解決途徑——基于虛擬儀器技術(shù)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)二次回路仿真系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)檢測方法的弊端。仿真系統(tǒng)基于虛擬儀器的技術(shù)架構(gòu)，利用可視化的編程語言，采用FPGA（可編程門陣列）的硬件系統(tǒng)，對二次回路各個(gè)元件進(jìn)行建模并形成元件庫，通過調(diào)用元件庫和邏輯組態(tài)對二次回路實(shí)時(shí)仿真。

1 仿真系統(tǒng)介紹

1.1 仿真系統(tǒng)組成

基于虛擬儀器的繼電保護(hù)二次回路仿真系統(tǒng)，軟件部分的研制開發(fā)采用美國NI公司的Lab-View圖形化開發(fā)平臺，主要包含上位機(jī)程序、元件庫、下位機(jī)FPGA程序、驅(qū)動程序等。其中元件庫由不同類別的二次回路元件通過圖形化編程封裝而成。硬件系統(tǒng)，上位機(jī)采用NI PXIe-1062Q實(shí)時(shí)控制器，下位機(jī)和I/O采用基于FPGA技術(shù)的PXI-7852R實(shí)時(shí)采集控制板卡，輸入輸出接口采用定制的高精度功放和傳感器。圖1為硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，圖2為軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理。

圖1 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖2 軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.2 仿真流程

實(shí)際二次回路由復(fù)雜繼電器和一般元件以及各種連線構(gòu)成。對不同類型的復(fù)雜繼電器進(jìn)行分析，編程封裝成各個(gè)不同的元件模塊并形成元件庫，簡單的二次回路元件也可以由用戶自定義控件形成，最終結(jié)合“與”、“非”等邏輯形成用于仿真的虛擬二次回路。圖3為二次回路仿真流程。

2 仿真實(shí)例

以前文提到的220 kV母線全停事故進(jìn)行仿真實(shí)例驗(yàn)證，因?yàn)槠渚哂械湫偷亩渭纳芈芬鹫`動特點(diǎn)，具有代表性。事故中采用的母差保護(hù)為1997年投運(yùn)的早期中阻抗RADSS母線保護(hù)，事故原因?yàn)槟嘎?lián)斷聯(lián)回路和母聯(lián)電流切換回路存在寄生回路和接點(diǎn)競爭，當(dāng)母聯(lián)斷路器分閘后，具有自動啟動合閘的隱患。圖4為RADSS母線保護(hù)合閘寄生回路。

由于手合回路1D110與1D112短接，當(dāng)母線動作或母聯(lián)開關(guān)分閘后，母線（失靈）動作接點(diǎn)或母聯(lián)開關(guān)輔接點(diǎn)導(dǎo)通，經(jīng)延時(shí)（230 ms）后，時(shí)間繼電器D25.137:26-25接點(diǎn)閉合，此時(shí)1D110端子帶上正電源。由于D25.125（母聯(lián)電流互感器斷聯(lián)雙位置繼電器）繼電器動作時(shí)間約為30 ms（母差動作后230 ms＋30 ms），在該30 ms時(shí)間內(nèi)D25.125:116-115接點(diǎn)仍為閉合狀態(tài)，存在合閘回路中間繼電器（SHJ）和D25.125繼電器競爭，這樣就形成了合閘寄生回路。事故發(fā)生后，對母差二次回路進(jìn)行了改進(jìn)：將1D110至1D112短接線拆除，增加D25.137:27至1D112連線，改進(jìn)接線后寄生回路消除，回路動作正確。

圖3 二次回路仿真流程

圖4 母聯(lián)合閘寄生回路

圖5 為仿真界面（部分），圖6為斷聯(lián)回路LabView圖形化程序（部分）。程序中設(shè)置有1個(gè)寄生回路仿真按鈕，用來仿真上述由于寄生回路和接點(diǎn)競爭引起的母聯(lián)斷路器誤合現(xiàn)象，當(dāng)寄生回路仿真按鈕返回時(shí)，相當(dāng)于拆除引起母聯(lián)誤合的寄生回路。表1為寄生回路存在時(shí)，母聯(lián)斷路器誤合仿真結(jié)果。使寄生回路仿真按鈕返回，重新做上述仿真試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果說明母聯(lián)合閘存在寄生回路是導(dǎo)致母聯(lián)斷路器誤合閘事故發(fā)生的最終原因。

圖5 RADSS母線保護(hù)二次回路仿真界面

圖6 斷聯(lián)回路部分LabView圖形化程序

3 結(jié)語

通過仿真平臺再現(xiàn)了事故過程，精確地研究了斷聯(lián)時(shí)間繼電器的整定時(shí)間和裕度配合問題。實(shí)例驗(yàn)證表明仿真系統(tǒng)具備良好的二次回路仿真功能。對于二次回路事故再現(xiàn)、調(diào)查、預(yù)想和隱患排查有著良好的應(yīng)用前景，運(yùn)用仿真系統(tǒng)可將二次回路關(guān)鍵調(diào)試環(huán)節(jié)與設(shè)計(jì)同步開展，最大程度地提高二次回路正確性，大幅減少二次寄生回路與接點(diǎn)競爭問題，降低二次回路安全風(fēng)險(xiǎn)。仿真系統(tǒng)也可以應(yīng)用于二次回路的教育培訓(xùn)工作以及科學(xué)研究領(lǐng)域。

表1 寄生回路拆除前母聯(lián)斷路器分閘仿真結(jié)果ms

表2 寄生回路拆除后母聯(lián)斷路器分閘仿真結(jié)果ms

[1]趙曉明，周小軍．REB103母線保護(hù)回路設(shè)計(jì)缺陷分析及改進(jìn)[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（6）:91-92.

[2]張春曉，汪祥兵．基于LabView的微機(jī)保護(hù)裝置培訓(xùn)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（17）: 110-112.

[3]余志慧，趙曉明，吳俊．提高REB103母線保護(hù)安全運(yùn)行的幾點(diǎn)改進(jìn)措施[J]．繼電器，2007，35（7）:80-82.

[4]程利軍，楊奇遜．中阻抗母線保護(hù)原理、整定及運(yùn)行的探討[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2000，24（6）:65-69.

（本文編輯：楊勇）

Research and Application of Simulation System of Secondary Circuit Based on Virtual Instrument Technology

ZHAO Xiao-ming
（Z（P）EPC Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

This paper introduces a simulation system of secondary circuit based on virtual instrument technology and FPGA technology.LabView visual programming language is used for modular programming，the programming of physical form of the secondary circuit is implemented to form the element library and component library is transferred for logic configuration for the purpose of accurate simulation of secondary circuit.By simulation on secondary circuit for RADSS busbar differential protection，the paper reflects the rivalry between parasitic circuits and contacts，and defects of secondary circuit for busbar differential protection are checked，which helps to improve safety and reliability of power grid operation.The simulation system of secondary circuit established is effective in application.

virtual instrument；secondary circuit；simulation system

TP391.9

：A

：1007-1881（2013）01-0001-03

2012-05-24

趙曉明（1976-），男，河北保定人，高級工程師，從事繼電保護(hù)試驗(yàn)和研究工作。