電磁暫態(tài)仿真系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

曹敏　王裴劼　張帆

摘要：隨著智能電網(wǎng)的深入發(fā)展，智能化變電站二次系統(tǒng)的測(cè)試手段也在不斷豐富。本文提出了一種基于智能化變電站的全新測(cè)試方案，通過(guò)對(duì)電網(wǎng)精確建模并進(jìn)行高精度電磁暫態(tài)仿真計(jì)算[1]，同時(shí)將結(jié)果按照IEC 61850協(xié)議與真實(shí)的二次裝置通訊，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化變電站二次設(shè)備的整體閉環(huán)測(cè)試。

關(guān)鍵詞：智能化變電站;實(shí)時(shí)仿真與全站測(cè)試;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM743 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）08-0085-02

0 引言

在新的發(fā)展階段，我國(guó)數(shù)字化發(fā)展水平不斷地提高，電磁暫態(tài)仿真系統(tǒng)性能不斷地增強(qiáng)，為智能電網(wǎng)發(fā)展大打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。繼電保護(hù)測(cè)試作為變電站和廠站中重要的定檢環(huán)節(jié)，應(yīng)順應(yīng)智能化趨勢(shì)，滿足數(shù)字化保護(hù)的測(cè)試需求。

1 仿真系統(tǒng)整體方案

仿真系統(tǒng)可計(jì)算出的電壓、電流等數(shù)字量按照IEC61850協(xié)議打包，通過(guò)高速光纖通訊系統(tǒng)輸向二次裝置。同時(shí)，仿真系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量的數(shù)據(jù)交換以GOOSE形式通過(guò)高速光纖通訊系統(tǒng)返回仿真系統(tǒng)，實(shí)時(shí)改變一次系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]。經(jīng)過(guò)電網(wǎng)的拓?fù)浞治黾半姶艜簯B(tài)計(jì)算，能夠全方位地進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真工作。其原理框圖如圖1。

2 仿真系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 仿真系統(tǒng)編制及算法

仿真系統(tǒng)通過(guò)模型的形式表現(xiàn)電力元件。在這種情況之下，相關(guān)人員就可以充分了解系統(tǒng)運(yùn)作狀態(tài)。

EMTP算法具有良好的應(yīng)用效果，對(duì)于提提高仿真水平具有重要意義。不過(guò)，在進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作時(shí)，數(shù)值的穩(wěn)定除性將會(huì)發(fā)生變化。仿真系統(tǒng)在這些變化點(diǎn)處采用后退歐拉法進(jìn)行計(jì)算，以消除數(shù)值振蕩[2]。

仿真系統(tǒng)的應(yīng)用水平相對(duì)較高，能夠?qū)刂葡到y(tǒng)進(jìn)行仿真模擬工作。各種模塊構(gòu)成了整個(gè)控制系統(tǒng)。通過(guò)一定的方程，可以表現(xiàn)運(yùn)作方式。其中，域中控制系統(tǒng)可以表示為：

（1）

其中和是頻域中的輸入和輸出矢量，為傳遞函數(shù)。在時(shí)域中對(duì)應(yīng)的數(shù)值方程為：

（2）

其中和為相關(guān)的系數(shù)。對(duì)于線性的控制系統(tǒng)，通常可以表示為下面的矩陣方程形式：

（3）

仿真系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)模型基于七階派克方程，能精確描述發(fā)電機(jī)的各類運(yùn)行過(guò)程。用戶可以根據(jù)實(shí)際發(fā)電機(jī)設(shè)定電機(jī)容量、額定電壓、定子電阻、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、直軸和橫軸同步電抗、暫態(tài)電抗和次暫態(tài)電抗、時(shí)間常數(shù)等各種參數(shù)，并可以調(diào)整發(fā)電機(jī)的出力，模擬發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況。除了發(fā)電機(jī)本身的參數(shù)之外，還可以指定發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和調(diào)速器的類型及參數(shù)，仿真不同情況下發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。

斷路元件是仿真系統(tǒng)的重要組成部分。通過(guò)模擬斷路器，可以獲知斷路器各種信息。與此同時(shí)，相關(guān)人員可以設(shè)定斷路器的動(dòng)作時(shí)間和合閘電阻。故障原件通過(guò)設(shè)置一定的參數(shù)，控制出現(xiàn)故障的位置、時(shí)間等，這種方式大大方便了對(duì)系統(tǒng)的研究，通過(guò)指定不同故障元件的時(shí)序，可以很容易模擬各種類型的故障。

2.2 仿真系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)的雙處理器體系是由兩部分所構(gòu)成的，一種是微機(jī)CPU，另一種是通訊卡的數(shù)字信號(hào)處理器。兩者的復(fù)作用各不相同[3]。微機(jī)的CPU主要進(jìn)行仿真工作，同時(shí)還要有效地運(yùn)作數(shù)據(jù)。即把數(shù)據(jù)寫到通訊卡中。DSP的通訊卡主要進(jìn)行通信工作。為仿真計(jì)算水平，兩個(gè)處理器需要同時(shí)開(kāi)展工作。DSP是通訊卡的運(yùn)算處理單元，運(yùn)用隨機(jī)存取存儲(chǔ)器與微機(jī)進(jìn)行通信。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

變壓器差動(dòng)保護(hù)可以防御變壓器繞組和引出線的相間及對(duì)地短路故障，是大型變壓器最重要、最有效的保護(hù)之一。變壓器的差動(dòng)保護(hù)與輸電線路的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)所應(yīng)用的原理是相同的。不過(guò)，兩者在變壓器各側(cè)電流大小，相位存在一定的差異。在差動(dòng)保護(hù)時(shí)，電流容易產(chǎn)生分波動(dòng)，降低差動(dòng)保護(hù)效果。如，變壓器勵(lì)磁涌流表現(xiàn)的最為突出。

經(jīng)過(guò)變換的勵(lì)磁涌流流入差動(dòng)繼電器，就可能造成保護(hù)裝置誤動(dòng)作。勵(lì)磁涌流的起始部分衰減很快，一般經(jīng)0.5～1秒后，其值不超過(guò)額定電流的0.25～0.5倍。變壓器勵(lì)磁涌流的大小和衰減時(shí)間與外加電壓的相位、電源的大小、鐵芯材料的性質(zhì)等有關(guān)[4]。試驗(yàn)中采取A相最大涌流時(shí)刻合閘，測(cè)試保護(hù)裝置是否誤動(dòng)作。

實(shí)驗(yàn)波形中可以看到，勵(lì)磁涌流最大值為4353A，經(jīng)1400ms后趨于穩(wěn)定。直流分量，二次諧波及三次諧波占有很大比重，最高時(shí)可高于基波的百分之八十。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，保護(hù)裝置整組啟動(dòng)，差動(dòng)保護(hù)及后備保護(hù)均無(wú)動(dòng)作行為。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化新型仿真系統(tǒng)除了能夠?qū)Χ卧O(shè)備進(jìn)行常規(guī)單體調(diào)試，更適合對(duì)全站進(jìn)行整體測(cè)試。系統(tǒng)包括豐富的電力系統(tǒng)元件模型，能夠?qū)ψ冸娬疽淮蜗到y(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，實(shí)時(shí)輸出。建立全開(kāi)放平臺(tái)，可以提高變電站發(fā)展水平。為提高電磁暫態(tài)仿真系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用水平，相關(guān)人員需要掌握電磁暫態(tài)仿真系統(tǒng)的運(yùn)用原理，進(jìn)而實(shí)際行動(dòng)踐行智能電網(wǎng)運(yùn)作工作，從而能滿足社會(huì)電網(wǎng)事業(yè)的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 張樹(shù)卿，梁旭，童陸園，等.電力系統(tǒng)電磁/機(jī)電暫態(tài)實(shí)時(shí)混合仿真的關(guān)鍵技術(shù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008（15）：89-96.

[2] 劉振亞.智能電網(wǎng)與第三次工業(yè)革命[N].科技日?qǐng)?bào)，2013-12-05（001）.

[3] 柳勇軍，梁旭，閔勇.電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真技術(shù)[J].中國(guó)電力，2004（04）：44-47.

[4] 王堅(jiān)敏.淺談幾種微機(jī)型變壓器差動(dòng)保護(hù)的原理[J].浙江電力，2001，20（6）：32-34.

Application of Electromagnetic Transient Simulation System in Smart Grid

CAO Min1，WANG Pei-jie2，ZHANG Fan3

（1.Electric Power Science Research Institute of Yunnan Power Grid Co.， Ltd.， Kunming Yunnan 650000;

2.Guangzhou Zenithsun Technology Co.， Ltd.， Guangzhou Guangdong 510000;

3.Beijing IN-TO Simulation Technology Co.， Ltd.， Beijing 100190）

Abstract：With the in-depth development of smart grid， the testing means of secondary system in intelligent substation are also constantly enriched. A new test scheme based on intelligent substation is proposed in this paper. By accurately modeling the power grid and calculating the electromagnetic transient simulation with high precision[1]， and communicating the results with the real secondary device according to IEC 61850 protocol， the closed-loop test of the secondary equipment in digital substation is realized.

Key words：digital substation; real-time simulation and Substation integrated test; application