基于智能變電站的繼電保護動態特性仿真系統

張磐，張艷霞，宣文博，張宏遠，田斌賓

（1.天津電力公司電力科學研究院，天津 300384；2.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津 300072）

基于智能變電站的繼電保護動態特性仿真系統

張磐1，張艷霞2，宣文博2，張宏遠2，田斌賓2

（1.天津電力公司電力科學研究院，天津 300384；2.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津 300072）

繼電保護裝置的動態特性對智能變電站的穩定運行起著重要作用。開發了一種針對智能變電站繼電保護動態特性的仿真系統，從智能變電站的配置描述文件SCD和故障錄波文件中讀入所需信息，對不同頻率采樣數據進行頻率轉換和統一后，通過預設的或自定義的動作方程和動作特性來模擬繼電保護裝置的動作過程，以直觀的可視化圖形再現保護從正常到故障切除的動態全過程。該系統具有開放性和可擴展性，既適用于智能變電站再現故障期間的保護動態特性，又適用于新原理保護裝置的開發。

智能變電站；配置文件；COMTRADE錄波文件；繼電保護；動態特性仿真

作為建設智能電網的關鍵環節，智能變電站的建設和對常規變電站的智能化改造已經逐漸展開，再現站內繼電保護裝置的動作特性有利于進一步提高變電站的智能化水平。

目前對于保護裝置的仿真有兩種方法：①利用硬件將故障時記錄的電壓電流或者電磁暫態仿真軟件EMTP（electromagnetic transientprogram）的仿真數據轉換成模擬量，輸入到真實的繼電保護裝置中觀察其動作行為[1～3]。該方法只能反映固定的保護裝置在特定故障情況下的動作情況，不能反映出保護動作方程和動作特性中各個參數變化對保護裝置的影響；②使用計算機軟件模擬繼電保護裝置的具體結構，用真實的故障數據進行繼電保護的動態性能仿真[4～8]，這多以繼電保護定值校核和崗位培訓為目的。因此，有必要開發具有廣泛適用性和開放性的繼電保護仿真系統。

本文開發了針對智能變電站的繼電保護動態特性仿真系統，利用面向對象的思想，對保護裝置內部的各個功能模塊和邏輯運算進行抽象提煉，并將其構建成相對獨立的模塊，每個模塊又可以細化為不同的功能。這些模塊和功能相互聯系、相互依賴，組成一個有機的整體。

1 系統結構及功能

本系統采用Matlab作為開發工具[9]，其結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意Fig.1 Sketchmap of system structure

1.1 數據輸入模塊

系統從智能變電站SCD配置文件中讀入保配置信息和保護裝置的整定值，用戶依據保護配置信息從符合IEEE標準的暫態數據交換通用格式COMTRADE（common fromat for transient data exchange）錄波文件中讀取所需仿真保護裝置的電壓電流采樣數據。

SCD分為5個主要元素：Header、Substation、IED、Communication和Data Type Templates，其描述和定義了智能變電站及其保護設備的結構和動能。本系統由用戶選擇需要仿真的智能電子設備IED（intelligentelectronic device）節點或IED下的邏輯節點和邏輯設備，從SCD中讀入相關保護的配置信息及整定值。COMTRADE錄波相關文件有3個：頭文件（.hdr）、配置文件（.cfg）和數據文件（. dat）。其中配置文件包含變電站名稱、通道數量、采樣頻率、采樣周期和時間等；數據文件包含各個時刻所有模擬輸入通道的每個采樣值信息和數字通道的狀態信息。系統讀入配置文件后，列出所有的模擬通道詳盡信息供用戶選擇。

本系統支持對COMTRADE 91版和99版格式文件的讀取；另外，EMTP仿真軟件支持COMTRADE格式的數據輸出，其暫態仿真數據也能夠順暢地導入到本系統中，以完成對保護裝置或保護原理的動態仿真。

1.2 仿真設定模塊

該模塊包含仿真時長設定和仿真頻率設定。錄波文件中包含較長時間段的仿真數據，本模塊用以設定用戶感興趣的特定時間段。錄波數據的采樣頻率不一定與需要仿真的保護裝置的采樣頻率相同，可利用仿真頻率設定功能對仿真頻率做相關設定。

1.3 濾波模塊

故障發生后的暫態過程中，電壓和電流信號因包含衰減非周期分量和諧波成分而發生嚴重畸變。由于大多數保護裝置是建立在基于正弦基波或整數次諧波之上，所以，數字濾波器對繼電保護裝置是不可缺少的組成部分。數字濾波器利用離散系統的特性，對輸入的數字信號進行處理，使其轉換成預期的輸出信號。

考慮到不同濾波算法實現的效果不同，不同廠家保護裝置使用的濾波算法也不盡相同，本模塊內置了多種典型的濾波算法，如半波差分傅氏算法、全波差分傅氏算法、凱塞窗+全波傅里葉算法和解微分方程算法等，用戶可以根據保護裝置的實際情況選擇相應的濾波算法。

1.4 動作方程模塊

用于形成保護的動作量、制動量、極化量、補償量和動作判據的表達式根據所選濾波方式的不同，可以分為復值公式編輯器和微分方程公式編輯器。用戶在公式編輯器中編輯公式實現如距離保護、方向過流保護、縱聯分相電流差動保護等的動作方程。為了方便用戶使用，系統已內置了一些常用的保護動作方程。

1.5 動作特性模塊

實現保護動作特性的預定義和自定義功能。內置有分相電流差動保護、距離保護和方向過流保護的動作特性，保護整定值從SCD文件中讀取，用戶根據需要可直接調用內置的動作特性，也可以通過輸入幾條直線和圓弧由系統自動形成所需要的自定義動作特性用于動態仿真，以支持分析和校驗各種保護動作特性的可行性和可靠性，研發保護新原理。

圖2為自定義的距離保護四邊形特性。通過輸入4條直線的兩點坐標或一點坐標和斜率，點擊動作特性顯示按鈕即顯示四邊形特性；依次輸入三段式保護的數據，選擇“疊加”，即形成三段的動作特性。

圖2 自定義的距離保護四邊形特性Fig.2 Characteristicsof self-defined distance quadrilateralprotection

1.6 圖形顯示模塊

此模塊直觀顯示故障暫態過程中電壓電流的幅值和相位、測量阻抗、保護動作量和制動量等隨時間的變化軌跡，具有將顯示結果放大、縮小、拖動、分段顯示和在軌跡上加時標等功能；能夠與保護動作特性顯示在同一畫面上，再現保護故障后從暫態至穩態的整個動作過程。

2 與智能變電站的交互

SCD配置文件完成對智能變電站全站器件和功能的信息建模。在SCD文件中，繼電保護裝置和功能被抽象建模為IED或者IED下的邏輯設備和邏輯節點。本系統針對不同的保護裝置選擇要仿真的IED對象或其下的邏輯節點，識別出所需采樣數據的來源，并自動根據配置信息從錄波文件中讀取仿真所需的錄波數據；保護的整定值也從SCD文件中讀取。

COMTRADE錄波文件的錄波頻率分時段有所不同，系統正常運行時的錄波數據采樣頻率低，故障暫態情況下的采樣頻率高，因此需要對錄波數據進行轉換，使其統一到相同的采樣頻率上。此外，錄波文件的錄波頻率和需要校驗和仿真的保護裝置的采樣頻率可能不同，也需要對數據進行頻率轉換使其等于保護裝置的采樣頻率。

圖3 N/M倍的采樣率轉換Fig.3 N/M sampling conversion

對信號進行有理數因子N/M倍的采樣率轉換時，可以由N倍內插以及M倍抽取兩步級聯完成。一般來說，抽取使信號的數據點減少會造成信息丟失，因此，合理的方法如圖3所示，先對信號做N倍內插，再進行M倍抽取。在此過程中，為了避免數字信號出現鏡像和頻譜混疊的現象，需要加入低通濾波器h（n），其頻率響應滿足為例，取τ=0.02 s，ω1=2π×50，采樣頻率f1=1 kHz。將I（t）的采樣頻率由f1=1 kHz轉換為f1=2.4 kHz，其轉換過程及結果見圖4。用戶讀入SCD配置文件和COMTRADE錄波數據后，完成仿真設定，輸入保護裝置的動作方程，預設好動作特性，就可以仿真了，動態仿真結果在圖形顯示模塊中再現。圖5給出了距離保護Ⅰ段測量阻抗從正常進入到動作區內的變化軌跡，t=0.10 s時線路故障，t=0.120 5 s時測量阻抗進入動作區域內部，保護動作跳閘。跳閘出再驅動SCD配置文件指定的開出量，并在用戶界面顯示。本系統主要實現的是對智能變電站中繼電保護裝置的離線仿真。需要對智能變電站中的多個繼電保護裝置仿真時，可以依次完成對保護裝置的仿真，并對仿真結果進行分析，得出需要的動作結果。

本系統中，選擇數據窗長為1/4采樣周期、β=7.865的凱賽窗函數為FIR低通濾波器，通過對故障數據的抽取、插值和低通濾波3個環節的級聯，實現了任意分數倍的采樣頻率轉換。以

圖4 基于級聯的12/5倍頻率轉換Fig.4 Sam pling frequeney conversion based on cascade of 12/5 times

圖5 測量阻抗變化軌跡及開關量動作示意Fig.5 Sketchmap of changesofmeasuring im pedance and action of sw itching states

3 結語

本文開發了一種繼電保護裝置動態特性仿真系統。該系統通過解析智能變電站的配置文件和故障錄波文件，對智能變電站的保護裝置進行動態特性仿真，以可視化圖形方式再現保護從正常到故障切除的動態全過程，并驅動SCD配置文件指定的開出量。功能模塊化的編程思想，使得系統具有擴展性和開放性。

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[9]羅華飛．MATLABGUI設計學習手冊[M]．北京：北京航空航天大空航天大學出版社，2011．

Simulation System for Dynam ic Characteristicsof Relay Protection Based on Smart Substation

ZHANGPan1，ZHANGYan-xia2，XUANWen-bo2，ZHANGHong-yuan2，TIANBin-bin2
（1.Electric Power Research Institute，Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300384，China；2.Key Laboratory of SmartGrid ofMinistry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The relay protection equipmentplay an important role on the stable operation ofsmartsubstation.A simulation system for dynamic characteristics of relay protection based on smart substation is developed in this paper.The necessary informationwasextracted from substation configuration description（SCD）and fault recording ofsmartsubstation.The sampled datawith different frequencieswere transformed and unified.Theaction processof relay protection equipmentwas simulated through pre-defined or self-defined operating equations and action characteristics.The dynamic process from the normal to the fault is reappeared by the graphics in this system.The system isopening and expansibility，which isnotonly suitable for reproducing dynamic characteristics of relay protection in smart substation，butalsoapplicable to develop new principleprotection equipment.

smart substation；description configurations file；common fromat for transient data exchange recording document；relay protection；dynamic characteristicssimulation

TM774

A

1003-8930（2013）05-0092-04

張磐（1983—），男，碩士，工程師，從事智能變電站的研究工作。Email：pan.zhang@tj.sgcc.com.cn

2013-01-23；

2013-04-18

張艷霞（1962—），女，博士，教授，從事繼電保護及其自動化及電力系統數字仿真方面的研究工作。Email：zyxyxxyg@yahoo.com.cn

宣文博（1989—），男，博士研究生，從事高壓輸電線及智能變電站方向的研究工作。Email：xwb200509@gmail.com