配電網(wǎng)繼電保護(hù)培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

郭謀發(fā), 陳志欣, 高 偉, 洪 翠, 陳偉凡, 楊耿杰

(福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院, 福建 福州 350116)

目前,已有的繼電保護(hù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)多應(yīng)用于變電站和發(fā)電廠[1-7],有些研究是面向電力系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的繼電保護(hù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[8-13]。利用軟件模擬配電網(wǎng)短路故障,難于驗(yàn)證保護(hù)配置與動作特性。

本文研制了一套融合物理模擬和軟件仿真的配電網(wǎng)繼電保護(hù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng),該系統(tǒng)綜合了理論培訓(xùn)、實(shí)訓(xùn)操作、實(shí)物驗(yàn)證以及考試等多種培訓(xùn)形式,是提升配電網(wǎng)繼電保護(hù)學(xué)習(xí)培訓(xùn)效果的高效培訓(xùn)平臺。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

系統(tǒng)主要由配電網(wǎng)繼電保護(hù)物理仿真平臺(以下簡稱物理模擬平臺)和配電網(wǎng)繼電保護(hù)配置與整定軟件(以下簡稱軟件仿真平臺)組成,系統(tǒng)構(gòu)成框圖見圖1。

物理模擬平臺以配電網(wǎng)常見輻射式網(wǎng)絡(luò)為原型,利用相似性原理建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定的配電網(wǎng)模型系統(tǒng),并配置了配電網(wǎng)常用微機(jī)繼電保護(hù)裝置,學(xué)員可在該平臺上進(jìn)行真實(shí)的保護(hù)配置與整定操作,并能實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)配電網(wǎng)故障時的保護(hù)動作特性。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

軟件仿真平臺基于圖形化界面設(shè)計,集保護(hù)配置整定與保護(hù)理論培訓(xùn)及考試為一體的軟件系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)保護(hù)配置整定培訓(xùn)操作、配電網(wǎng)保護(hù)理論培訓(xùn)以及考試等功能。配置整定培訓(xùn)通過“繪制配電網(wǎng)絡(luò)接線、拓?fù)浞治觥⒊绷饔嬎恪⒐收戏治觥⒈Ｗo(hù)配置與整定”的完整過程實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)繼電保護(hù)配置與整定的操作培訓(xùn),接線與物理模擬平臺相同時,還能驗(yàn)證保護(hù)動作情況。

2 物理模擬平臺設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)與功能

物理模擬平臺的結(jié)構(gòu)見圖2。一次設(shè)備基于相似性原理設(shè)計,主要實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電氣主回路及常見故障的模型模擬；二次設(shè)備主要模擬配電網(wǎng)二次回路的測控及保護(hù)；監(jiān)控軟件以高性能PC為載體,通過通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序,控制物理仿真平臺中各模塊實(shí)現(xiàn)信息交互。

圖2 物理模擬平臺結(jié)構(gòu)

2.2 物理模擬原理

配電網(wǎng)物理模擬基于阻抗一致的等效原則,以380 V系統(tǒng)等效模擬實(shí)際10 kV配電網(wǎng),并保留其物理特性的實(shí)物模型系統(tǒng)。設(shè)計模型系統(tǒng)電壓、電流、阻抗、功率模擬比分別為26.32、1.0、26.32和692.75,該模擬比將作為實(shí)物模型設(shè)備的選型依據(jù)。

2.3 物理模擬平臺電氣主接線

我國10 kV配網(wǎng)配電網(wǎng)絡(luò)接線模式主要為放射式接線,線路結(jié)構(gòu)包括架空、電纜或纜線混合線路,因此本系統(tǒng)物理模擬平臺采用如圖3所示電氣主回路設(shè)計。其中,d1—d7為預(yù)先設(shè)置的線路故障點(diǎn),可通過接入故障模擬器模擬配電網(wǎng)短路故障,直觀查驗(yàn)配電網(wǎng)保護(hù)的動作特性。同時,在914線路末端與設(shè)計了聯(lián)絡(luò)開關(guān),可在必要時與924、925線路聯(lián)絡(luò),模擬環(huán)網(wǎng)或是通過其他開關(guān)配合實(shí)現(xiàn)單輻射線路延長。

圖3 物理仿真平臺主接線

2.4 物理模擬平臺主要電氣設(shè)備

2.4.1 主變壓器

變壓器模型可相似于原型而與其電壓變比無關(guān)[14],考慮實(shí)驗(yàn)室電壓等級,確定模型變壓器的電壓變比為380 V/380 V。原型主變壓器選定參照應(yīng)用較為廣泛的S(F)11系列110 kV三相雙繞組無勵磁調(diào)壓電力變壓器,并根據(jù)負(fù)荷選擇合適容量,主變壓器銘牌參數(shù)如表1所示(I0為變壓器空載電流百分比，uk為短路電壓百分比)。

表1 110 kV主變壓器參數(shù)

根據(jù)模型系統(tǒng)設(shè)計的模擬比,得380V模型變壓器的參數(shù)見表2所示。

表2 380 V模型變壓器參數(shù)

2.4.2 配電網(wǎng)線路

配電網(wǎng)線路采用常見的π型等效模型,見圖4。選擇10 kV配電網(wǎng)常用架空、電纜線路參數(shù),并根據(jù)阻抗一致原則,得到配電線路等效模型參數(shù)見表3[15]。滿足參數(shù)要求的電氣元件,按照圖4的模型連接,即為配電網(wǎng)線路實(shí)物模型。

圖4 線路π型等效模型

線路類型RΩ·km-1LmH·km-1CpμF·km-1CgμF·km-1架空線0.615 32.383 70.004 8450.688電纜線0.135 40.126 30.169 52.413

2.4.3 斷路器

以接觸器模擬實(shí)際系統(tǒng)中的斷路器。通過PLC控制接觸器的分合閘來模擬斷路器遙控,通過采集接觸器輔助觸點(diǎn)反饋的開關(guān)狀態(tài)作為遙信信息。實(shí)物模型主變壓器低壓側(cè)三相短路電流最大有效值接近300 A,考慮一定裕度,選用施耐德LC1-D系列接觸器分別模擬斷路器和負(fù)荷開關(guān),參數(shù)見表4(額定分?jǐn)嗄芰χ?40 V下的額定分?jǐn)嗄芰?。

表4 接觸器參數(shù)

2.4.4 互感器

(1) 電流互感器。考慮最大帶載及外接負(fù)荷裕度,電流互感器一次額定電流取定為30 A,二次額定電流5 A。考慮短路電流沖擊,需耐受10倍及以上的額定電流,所以電流互感器一次和二次額定電流同時增加10倍,變比選擇300 A/50 A。

(2) 電壓互感器。實(shí)物模型的電壓380 V,選擇380 V/100 V的電壓互感器。

2.4.5 保護(hù)裝置

繼電保護(hù)裝置的選擇應(yīng)滿足選擇性、靈敏性、速動性和可靠性的要求,同時要簡化配置便于學(xué)員操作。本系統(tǒng)采用具有成熟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的珠海優(yōu)特微機(jī)繼電保護(hù)裝置,選擇UT-835S變壓器保護(hù)測控裝置作為主變保護(hù),UT-811S線路保護(hù)測控裝置作饋線保護(hù)。

2.4.6 故障模擬器

物理模擬平臺最終目標(biāo)是為了驗(yàn)證繼電保護(hù)動作情況,給學(xué)員提供直觀的實(shí)踐操作,因此平臺中的故障模擬器的高效精確性對培訓(xùn)效果有重要影響。本系統(tǒng)配電網(wǎng)故障模擬裝置采用雙向晶閘管實(shí)現(xiàn),共設(shè)有11個晶閘管控制開關(guān),通過不同的開關(guān)切換,以實(shí)現(xiàn)不同類型的故障生成,可模擬配電網(wǎng)中常見的短路、接地、斷線等故障。由監(jiān)控軟件通過以太網(wǎng)設(shè)置故障模擬器的故障類型。

2.5 物理模擬平臺的軟件系統(tǒng)

主要包括上位機(jī)軟件/監(jiān)控軟件和下位機(jī)軟件/PLC軟件。基于LabView2014和SQLServer2008開發(fā)的上位機(jī)軟件,采用客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu),服務(wù)器與分布式設(shè)備通信,將分布式設(shè)備采集的原始參量讀回并加以解析,監(jiān)控軟件總體結(jié)構(gòu)見圖5。

主要功能:監(jiān)視和控制實(shí)物模型運(yùn)行設(shè)備、開關(guān)；下發(fā)查詢當(dāng)前各線路電壓、負(fù)荷電流、功率因素，以及各控制模塊的在網(wǎng)狀態(tài)和工作狀態(tài)的命令；控制接觸器的分合閘,切換系統(tǒng)的運(yùn)行方式；數(shù)據(jù)存儲與查詢等。

微機(jī)/PLC軟件主要功能是正常運(yùn)行時控制模擬斷路器分合閘，故障模擬時開斷線路，以及實(shí)現(xiàn)遙控信息的上傳下達(dá)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時,監(jiān)控軟件通過TCP/IP下發(fā)命令給相應(yīng)PLC,由PLC直接控制相應(yīng)的模擬斷路器動作,也可通過外接FTU/DTU等設(shè)備下發(fā)控制命令給PLC；進(jìn)行繼電保護(hù)整定與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)時,由繼電保護(hù)、外接設(shè)備等下發(fā)命令,相應(yīng)PLC進(jìn)入中斷,迅速改變相應(yīng)模擬斷路器的控制狀態(tài),使模擬斷路器動作切除故障。

圖5 上位機(jī)軟件總體結(jié)構(gòu)圖

3 軟件仿真平臺設(shè)計

軟件仿真平臺包括實(shí)訓(xùn)操作、理論培訓(xùn)和理論考試3大主要功能,對應(yīng)培訓(xùn)的不同階段。第一階段,對學(xué)員進(jìn)行繼電保護(hù)知識、保護(hù)整定指導(dǎo)原則以及保護(hù)裝置介紹等理論培訓(xùn)；第二階段,學(xué)員可開展實(shí)訓(xùn)操作,在熟悉并掌握理論知識的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)例配置整定的練習(xí)操作；第三階段是理論考試。

3.1 實(shí)訓(xùn)操作模塊

實(shí)訓(xùn)操作模塊是軟件仿真中的核心模塊,由人機(jī)界面層、算法層和數(shù)據(jù)庫層組成,架構(gòu)見圖6。

圖6 實(shí)訓(xùn)模塊總體設(shè)計架構(gòu)

(1) 人機(jī)界面層。實(shí)訓(xùn)操作模塊的人機(jī)交互界面。結(jié)合第三方表格控件和Delphi中集成的VCL(visual component library)可視組件庫等設(shè)計實(shí)現(xiàn)。包括完成配電網(wǎng)絡(luò)接線圖建立、編輯、保存等功能的網(wǎng)絡(luò)接線圖形界面，可對各個開關(guān)進(jìn)行開關(guān)類型選擇和保護(hù)配置的保護(hù)配置界面，可手動或自動地實(shí)現(xiàn)配置保護(hù)整定的整定界面，以及顯示網(wǎng)絡(luò)計算獲得的短路電流、保護(hù)整定書、整定定值單的報表界面等。

(2) 算法層。包含了繼電保護(hù)整定的基礎(chǔ)算法,有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣臃治觥⑴潆娋W(wǎng)潮流計算[16]、配電網(wǎng)短路計算[17]、基于導(dǎo)則的配電網(wǎng)保護(hù)自動配置與整定計算等。該層基于Delphi語法被封裝成公共函數(shù)庫,獨(dú)立于界面及數(shù)據(jù)庫。人機(jī)界面進(jìn)行相應(yīng)操作時調(diào)用對應(yīng)算法,并輸出計算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。

(3) 數(shù)據(jù)庫層。實(shí)訓(xùn)操作模塊采用Firebird數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的存儲,并與算法層、人機(jī)界面層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。主要包括圖形參數(shù)表、短路電流數(shù)據(jù)表、整定保護(hù)數(shù)據(jù)表等。拓?fù)浞治鏊惴ɡ脠D形參數(shù)得到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，然后算法層根據(jù)拓?fù)湫畔⑦M(jìn)行潮流計算和短路電流計算,得到短路電流數(shù)據(jù)表并存回數(shù)據(jù)庫。整定計算算法讀取短路電流計算結(jié)果以進(jìn)行繼電保護(hù)整定計算,并將整定結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，最后在報表界面中讀取短路電流數(shù)據(jù)表、整定書、整定定值單并顯示。

實(shí)訓(xùn)操作模塊實(shí)現(xiàn)時將配電網(wǎng)整定計算分為手動整定模式和自動整定模式。在手動整定模式中,要求學(xué)員根據(jù)國家電網(wǎng)公司頒布的相關(guān)整定導(dǎo)則提示,填寫必要的參數(shù),然后基于后臺自動計算的結(jié)果選擇合適的值作為整定定值,其界面如圖7所示。自動整定模式是將學(xué)員操作的整定計算過程交由計算機(jī)完成,直接由后臺程序自動識別網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⑦M(jìn)行保護(hù)整定,得出保護(hù)整定定值單。還可以在手動整定后再進(jìn)行自動整定,對比結(jié)果是否一致。

圖7 保護(hù)手動整定界面

3.2 理論培訓(xùn)與理論考核模塊

(1) 理論培訓(xùn)。理論培訓(xùn)模塊設(shè)計為教員以演示并講解的形式為學(xué)員授課。培訓(xùn)界面采用內(nèi)嵌閱讀器程序模塊的方式,可以兼容PDF、PPT、TXT、DOC等格式的文件。

(2) 理論考核。理論考試模塊的系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖見圖8。

教員機(jī)具備服務(wù)器端和客戶端的全部功能,學(xué)員機(jī)僅有客戶端功能。客戶端具備基本的練習(xí)和考試功能。學(xué)員在激活考試前都可隨意進(jìn)行隨機(jī)練習(xí),在隨機(jī)練習(xí)中答題之后可查看正確答案。一旦激活考試,開始自動計時,手動提交試卷或答題時間結(jié)束，客戶端完成自動閱卷并將成績上傳至服務(wù)器端。

4 驗(yàn)證

4.1 物理模擬與PSCAD/EMTDC軟件仿真對比

選定物理模型運(yùn)行方式見圖9,基于PSCAD/EMTDC搭建該方式原型系統(tǒng)仿真模型見圖10。

4.1.1 相間短路故障

在物理模擬平臺和PSCAD/EMTDC軟件上分別進(jìn)行故障點(diǎn)d1的三相短路實(shí)驗(yàn),故障電流波形見圖11,其中PSCAD/EMTDC的軟件仿真波形已根據(jù)模擬比將數(shù)據(jù)按比例縮為380 V電壓等級。

圖8 理論考試模塊結(jié)構(gòu)框圖

圖9 物理模型運(yùn)行方式

圖10 PSCAD/EMTDC仿真模型

由圖11中可知：(1)同一故障點(diǎn)三相短路電流的穩(wěn)態(tài)幅值均約為180 A,說明物理模型與基于PSCAD/EMTDC搭建的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆€(wěn)態(tài)特性能夠較好吻合；(2)從PSCAD/EMTDC仿真模型得到的短路電流波形暫態(tài)過程相對更加明顯,這是因?yàn)镻SCAD/EMTDC仿真模型的暫態(tài)等效參數(shù)(R、L、C)較為理想,而物理模型的暫態(tài)等效參數(shù)受到互感、互阻等多方面因素的制約,使得其暫態(tài)過程較為不明顯，另外由于物理模型故障初相角不可控,因此故障初相角不相同也是兩者暫態(tài)過程差別較大的原因；(3)相比PSCAD/EMTDC仿真,物理模型仿真的短路電流波形在穩(wěn)態(tài)時,呈現(xiàn)出輕微三相不平衡的現(xiàn)象,這是由于主變T1的三相等效電感和電阻等參數(shù)不平衡所致。

圖11 三相短路電流波形對比

4.1.2 保護(hù)動作時效

將電流保護(hù)配置為瞬時動作,并在故障點(diǎn)d1進(jìn)行AB兩相短路實(shí)驗(yàn)，得到故障波形如圖12所示。

從圖12可知：PSCAD/EMTDC仿真中保護(hù)的動作情況接近理想情況,耗時約0.012 s動作于跳閘；而實(shí)物模型中的保護(hù)耗時約0.12 s動作于跳閘,雖然在合理范圍之內(nèi),但對于瞬時動作的要求而言,時延還是稍微偏長。究其原因,影響物理模型仿真的瞬時保護(hù)動作時延的因素主要有:(1)檢測元件和檢測回路的延遲；(2)控制跳閘的微機(jī)發(fā)出跳閘信號的延遲；(3)繼電器的延遲；(4)保護(hù)開關(guān)具有一定的固有分閘時間。

4.2 物理模擬實(shí)驗(yàn)與軟件仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

物理模擬平臺按圖9所示接線運(yùn)行,對同一接線系統(tǒng),分別在物理模擬平臺和軟件仿真平臺進(jìn)行故障實(shí)驗(yàn),對比二者短路電流結(jié)果，如表5所示。圖13所示為軟件仿真平臺建立的系統(tǒng)接線模型。

圖12 兩相短路電流波形對比

表5 兩平臺的故障電流值

物理模擬平臺實(shí)測電流值在380 V等級下測得,軟件仿真平臺基于10 kV等級計算得到。雖然由于物理模擬電氣設(shè)備參數(shù)非標(biāo)準(zhǔn)，造成了一定的短路電流偏差,但并不影響繼電保護(hù)的整定與驗(yàn)證。

4.3 物理模擬、軟件仿真與PSCAD/EMTDC仿真對比

在軟件仿真平臺上進(jìn)行繪圖建模,并利用軟件模型進(jìn)行自動整定計算,得到定值單見表6。

表6 案例整定定值單

圖13 軟件仿真平臺接線模型

按照表6保護(hù)定值配置于物理模型中,并在3個案例對應(yīng)的運(yùn)行配置方式下進(jìn)行各個故障點(diǎn)的短路實(shí)驗(yàn),記錄保護(hù)動作情況。同時利用PSCAD/EMTDC搭建對應(yīng)的模型,并將保護(hù)定值分別設(shè)置于保護(hù)模塊中,同樣進(jìn)行相同故障點(diǎn)的短路故障仿真,記錄保護(hù)動作情況,以此作為物理模型保護(hù)驗(yàn)證的對比參照。保護(hù)動作驗(yàn)證結(jié)果見表7。

PSCAD/EMTDC仿真和物理模擬平臺中的繼電保護(hù)動作情況完全一致,說明物理模擬平臺能夠較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對實(shí)際10kV配電網(wǎng)繼電保護(hù)動作特性的模擬。從電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的選擇性要求角度來分析,案例中,當(dāng)每個故障點(diǎn)發(fā)生三相短路或兩相短路故障時,都由保護(hù)該線路的開關(guān)可靠地動作,完全滿足選擇性要求。速動性方面,由于需要考慮保護(hù)裝置的通信延遲、繼電器的動作時延、斷路器的固有分閘時延等因素,因此保護(hù)配合的時間級差設(shè)置為0.2 s,保護(hù)原則上越快動作越好,但其前提是滿足選擇性。

表7 案例一保護(hù)動作記錄

5 結(jié)論

本文研發(fā)的基于物理和軟件仿真的配電網(wǎng)繼電保護(hù)培訓(xùn)系統(tǒng),物理模擬平臺基于相似性原理構(gòu)建,可較好地模擬實(shí)際配電網(wǎng)短路故障的電流穩(wěn)態(tài)特性；軟件仿真平臺提供理論培訓(xùn)、保護(hù)配置與整定、實(shí)訓(xùn)操作、理論考試等功能。軟件仿真平臺能夠準(zhǔn)確地計算配電網(wǎng)模型的潮流分布和短路電流,并按照整定導(dǎo)則進(jìn)行配電網(wǎng)繼電保護(hù)的配置和整定計算。根據(jù)軟件模型的繼電保護(hù)整定結(jié)果在物理模擬平臺上進(jìn)行保護(hù)動作行為的驗(yàn)證,實(shí)際保護(hù)動作行為與理論分析保護(hù)仿真結(jié)果一致,且繼電保護(hù)動作情況滿足選擇性、速動性、靈敏性、可靠性,說明軟件仿真平臺得到的整定方案與物理模擬平臺均具有較好的實(shí)用性和有效性。