繼電保護數字物理混合動態仿真測試系統分析

方 云，熊 飛，張莉平

（國能大渡河流域水電開發有限公司龔嘴水力發電總廠，四川 樂山 613100）

0 引言

電力已經成為人類生活不可缺少的存在，我國為滿足人民日益增長的用電需求，大力發展電力行業。據網絡公開數據顯示，2022年全社會用電量達到8.6萬億千瓦時，預計2025年將超過9.8萬億千瓦時；2022年底全國累計發電裝機容量超過25億千瓦，預計2025年將超過29億千瓦，2030年將達到38億千瓦。隨著電網規模不斷擴大，電力系統故障影響的廣度與深度日漸加劇。例如，美加“8.14”大停電事故影響范圍超過9 260平方千米，直接經濟損失45～120億美元；印度“7.30”大停電事故使多數地區電網陷入癱瘓，影響人口超過6.7億人。因此，加強電力系統保護力度，保證其安全與穩定運行至關重要。在自動化、數字化、智能化等技術推廣與應用下，電網結構日益復雜，對繼電保護提出了更高要求，以往的繼電保護測試系統已經無法滿足實際需求。近些年來，國內外學者加大了對混合仿真系統的研究，旨在探尋適用于新時期電力系統的仿真測試系統。本文則在現有理論與技術基礎上提出一種適用于故障分析的繼電保護數字物理混合動態仿真測試系統，該系統完成開發后進行了仿真驗證。

1 數字物理混合動態仿真測試系統開發需求與思路

1.1 開發需求

繼電保護是電力系統常用保護措施與裝置。電力系統裝設繼電保護裝置后，當電氣元件出現故障時或處于異常工況狀態時，電力系統保護機制自動啟動，最大程度將故障控制在一定范圍內，避免其對相鄰設備造成損害，影響整個電力系統運行。隨著近些年繼電保護研究的不斷深入，出現電流保護、電流差動保護、距離保護、高頻保護、微波保護等多種技術，繼電保護裝置從電磁型逐漸發展為集成電路型、微機線路型，自動化、網絡化、智能化等程度不斷加深[1]。繼電保護仿真測試系統將繼電保護裝置性能、功能等測試由人工操作轉向機械操作，可有效提高繼電保護測試效率與質量，在一定程度上規避了繼電保護裝置不正確動作對電力系統安全與穩定運行的影響。隨著繼電保護裝置的不斷創新，繼電保護仿真測試系統將趨向以下發展：一是系統處理器性能提高，可實現動態仿真測試；二是系統能夠模擬多種工況，完成全面閉環測試；三是系統處理器響應速度加快，信號傳輸、轉換、處理能力提高；四是低功耗、小體積、輕質量、多功能；五是可進行自我檢測，實現系統自身故障識別、排查與控制；六是系統可與其他系統互聯互通，進行功能拓展，應用范圍擴大；七是能夠根據設置要求對繼電保護裝置實施自動檢測，準確、全面記錄檢測信息；八是試驗報告自動化歸類與智能化調取；九是數據共享與多變電站同步調控。上述功能也是本系統致力滿足的需求[2]。

縱觀當前電網建設與發展情況可知，當前電力系統具有規模大、結構復雜、運行方式多樣等特征，新型繼電保護裝置逐漸被應用到電力系統中，傳統繼電保護仿真測試系統已經無法滿足實際需求。例如，模擬故障類型少，一些功能得不到測試；遠距離下整定計算程序靈敏度降低，無法準確評估繼電保護裝置性能等。因此，有必要改進、完善繼電保護仿真測試系統，促進其性能、功能等全面提升。本系統設計則需要解決傳統繼電保護仿真測試系統存在的問題，實現電力系統故障靈活仿真、繼電保護閉環測試、整定計算結果準確校正等功能。

1.2 設計思路

（1）數學模型與物理模型聯合應用，數字系統與物理系統之間由放大通道、反饋通道連接，采用整流端控制策略和逆變端復合控制策略提高功率接口穩定性。

（2）對比分析不同仿真軟件功能，選擇性能較為強大的仿真軟件搭建數字仿真系統。

（3）合理利用轉換器進行A/D（模擬/數字）或D/A（數字/模擬）轉換，滿足系統運行對信號采集、傳輸、利用的需求。例如，將測試信號轉換成模擬信號后輸入到測試裝置中；將測試裝置響應信號轉換成數字信號后反饋給仿真系統。

（4）營造VB、VC、MATLAB混合編程環境，開發系統功能模塊，增強系統軟件性能，實現人機友好互動。

2 數字物理混合動態仿真測試系統硬件設計與實現

2.1 關鍵技術指標

在繼電保護數字—物理混合動態仿真測試系統建設中，需要對其技術性指標進行確定。本系統開口輸入端64路，輔助接點32路；接點額定電壓為250 V，額定電流為0.5 A；直流源電壓輸出范圍為0～300 V，電流最大輸出功率為200 W；交流電流源輸出最大電流為3×40 A/相，連續輸出，輸出范圍為10～20 A，最大輸出功率每相不低于520 VA；交流電壓輸出最大電壓為4×120 V/相，輸出功率最大不低于60 VA。

2.2 模型搭建技術

在混合仿真測試系統構建過程中，PSASP、EMTP、MATLAB等軟件均可用于構建電力系統仿真模型。但對比分析發現，MATLAB的功能較為強大，更適用于繼電保護數字物理混合動態仿真測試系統研發。MATLAB開放性較強，相關工作人員可通過模塊庫尋找、自主制定等方式構建仿真模型，且整個過程操作較為簡單。例如，在MATLAB軟件的專業區域可尋找到電力系統工具箱，完成同步機、直流機、發電機、變壓器、輸電線路等多種模型構建。就變壓器而言，單相變壓器、三相變壓器均可直接選擇。

2.3 信號處理技術

信號處理能力直接關系系統運行效率與質量。因此，在系統研發過程中需要高度重視信號處理技術的選擇與應用。本系統考慮到數據計算量大、信號處理時效性要求高等要求，制定了數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）聯合現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的構建方案。DSP能夠滿足多種信號數字化處理需求，且運算能力與計算結果準確度較高。FPGA能夠將多種硬件電路進行合理組織，滿足不同階段硬件系統實現需求，且具有較強的靈活性、便捷性，利于系統修改與維護。上述兩種技術聯合，能夠進一步改善信號處理系統性能。

在系統運行過程中涉及信號轉換問題，因此在系統中配置了信號轉換電路。數字信號經過D/A轉換器變為模擬信號，經過濾波電路、功率放大電路等處理，信號質量得到有效提升，可滿足信號應用需求[3]。

2.4 異常工況報警技術

由上述設計需求分析可知，繼電保護數字物理混合動態仿真測試系統需要具備自檢功能。對此，在系統構建中配備了異常工況報警系統。該系統由兩部分構成，一部分對系統硬件設備進行直接檢測，另一部分通過數據分析實現系統運行工況狀態監督，二者聯合可及時發現過電壓、過電流、過負荷等問題，并提醒相關工作人員對繼電保護數字物理混合動態仿真測試系統進行檢查、維修。

2.5 功率接口控制技術

功率接口是繼電保護數字物理混合動態仿真測試系統的重要組成部分，由圖1可知，其在系統中承擔著數字子系統與物理子系統互聯互通任務。因此，功率接口的穩定性對系統運行穩定、功能發揮具有直接影響。傳統混合仿真測試系統的功率接口設計無法滿足繼電保護數字物理混合動態仿真測試系統需求，容易出現響應時間延時、準確率偏差過大等問題。鑒于此，本系統以絕緣柵雙極型功率管作為開關器件，主拓撲為單相背靠背H橋級聯結構。同時，對直流電壓波動問題，提出整流端控制策略，針對信號放大誤差問題，提出逆變端復合控制策略[4]。

圖1 數字—物理混合動態仿真測試系統簡圖

3 數字—物理混合動態仿真測試系統軟件設計與實現

3.1 裝置故障再現

故障再現是系統基礎功能之一，主要是借助一定設備將繼電保護裝置故障信息準確記錄，并在需求時進行故障還原與重現。通過故障再現，能夠將一般試驗設備無法模擬的故障進行模擬，為相關工作人員進行繼電保護研究提供支持；能夠在一定程度上節約繼電保護裝置檢測成本；能夠為進行繼電保護裝置動作行為分析與學習提供參考。本系統采用電力系統瞬態數據交換通用格式（Common Format for Transient Data Exchange，COMTRADE）進行數據記錄，并將其存儲到故障錄波器中，在進行故障再現時，故障錄波器將數據文件傳輸到測試儀中，由其實現再現。

3.2 數據格式處理

為減少數據交換誤差，提高數據交換、應用效率，本系統按照COMTRADE格式標準進行數據文件處理、記錄、保存。通常情況下，完整的數據涉及頭文件（用于滿足數據閱讀者閱讀需求，可采用文字編輯器編輯）、配置文件（用于計算機程序讀取與分析，一般具有固定格式）、數據文件（主要采用ASCII格式，由數字量、模擬量等組成）等內容。

3.3 混合編程技術

利用多種編程語言構建混合編程環境，進行軟件程序生成。相對于常規編程而言，混合編程執行效率更高，應用范圍更廣，適用性更強。在數字物理混合動態仿真測試系統開發過程中，采用“VB+VC+MATLAB”混合編輯技術，VB主要用于界面編寫，VC、MATLAB主要用于功能編寫。

3.4 主要功能模塊

從數字物理混合動態仿真測試系統界面中可找到文件模塊、仿真模塊、數據模塊、保護模塊、幫助模塊等。其中文件模塊下配備保存、查閱、退出等操作功能；仿真模塊下配備了各種仿真操作功能；數據模塊下配備了數據轉換功能，保護模塊配備了故障再現、手動測試、試驗參數調整、定值校驗等功能；幫助模塊主要用于顯示系統功能、軟件信息等。

4 數字物理混合動態仿真測試系統的測試與應用

針對電力系統距離保護、繼電保護裝置定值整定校核等多項內容開展測試驗證活動，結果證明，數字物理混合動態仿真測試系統能夠滿足預期要求，運行穩定。與此同時，以某電網為例，搭建仿真模型，測試出8個繼電保護段內共有13處故障點，且結果可靠。此外，將其同繼電保護其他系統連接，可正常運行，為相關工作人員學習與研究提供良好仿真實驗條件。

5 結束語

繼電保護裝置是電力系統重要組成部分，在電力系統故障識別、控制、處理等過程中發揮著至關重要的作用。隨著近些年電網規模的不斷擴大、新能源在電網中的不斷接入以及新技術、新設備的大面積推廣應用，對繼電保護系統性能、功能等提出了更高要求。本文為滿足新時期繼電保護系統需求，利用MATLAB軟件搭建數字仿真系統，通過應用故障再現技術、文件格式轉換技術、功率接口控制技術等構建系統硬件，通過COM技術實現混合編程滿足系統軟件設計需求，實現了與其他系統互聯互通。繼電保護數字物理混合動態仿真測試系統能夠實現繼電保護定值仿真校正、繼電保護裝置運行效果評估等功能，該系統可更好保證電力系統安全與穩定運行。經測試驗證，該系統運行穩定，應用效果較好。但值得注意的是，繼電保護數字-物理混合仿真測試系統研發是一個不斷改進、完善的過程，相關工作人員需要樹立創新意識，善于從國內外研究成果中、現有研發經驗中汲取經驗，持續提高電力系統仿真技術水平，助力電力行業高質量發展。