許漢平，吳俊鵬，葉 婧，林 濤，吳漢彬，肖 鋒

（1.國家電網(wǎng)湖北省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，湖北 武漢 430077；2.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430068；4.武漢供電公司，湖北 武漢 430200；5.隨州供電公司 電力調(diào)度控制中心，湖北 隨州 441300）

數(shù)字化變電站是智能電網(wǎng)的重要組成部分，它的出現(xiàn)給變電站的設(shè)計、安裝、調(diào)試、驗收和運行帶來新的挑戰(zhàn)［1］。例如，在數(shù)字化變電站全數(shù)字化應(yīng)用環(huán)境下，繼電保護裝置從網(wǎng)絡(luò)讀取固定采樣率的電壓電流波形數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)運行頻率偏離50Hz時，過程層的固定采樣率等間隔采樣將不滿足整周期采樣條件，會給相量計算帶來誤差，進而影響保護動作［2］。

以往的繼電保護仿真系統(tǒng)基本上是將實際故障錄波數(shù)據(jù)或電力系統(tǒng)模型仿真的電壓電流波形以數(shù)據(jù)文件的形式輸入繼電保護測試儀中，用于繼電保護的開環(huán)測試，保護的動作結(jié)果并不返回至模型中［3］。而基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站技術(shù)，采用了“三層兩網(wǎng)”架構(gòu)，更新了傳統(tǒng)的繼電保護系統(tǒng)的信息采集、傳輸及處理方式，進而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信化［4］。為了測試數(shù)字化變電站的繼電保護性能，以及相量算法和保護判據(jù)等對數(shù)字化變電站的適應(yīng)性，有必要開發(fā)數(shù)字化變電站繼電保護動作全過程仿真系統(tǒng)（簡稱仿真系統(tǒng)）。

筆者提出數(shù)字化變電站繼電保護仿真系統(tǒng)的總體方案，由M，N 2臺微機基于光纖以太網(wǎng)構(gòu)成微機局域網(wǎng)，M，N分別模擬數(shù)字化變電站中一次、二次設(shè)備的動作行為，二者之間可以通過IEC 61850通信協(xié)議交換電壓、電流波形數(shù)據(jù)和繼電保護的動作結(jié)果。筆者開發(fā)的仿真系統(tǒng)，通過在PSCAD／EMTDC中搭建含220kV變電站主接線的電力系統(tǒng)并設(shè)置故障，驗證所述仿真系統(tǒng)功能的完善和性能的優(yōu)越。

1 數(shù)字化變電站仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作流程

數(shù)字化變電站仿真系統(tǒng)是由M，N 2臺微機經(jīng)由光纖以太網(wǎng)絡(luò)組成的局域網(wǎng)，其框架如圖1所示。在數(shù)字化變電站中，二次側(cè)裝置從光纖網(wǎng)絡(luò)上接收過程層裝置發(fā)出的IEC 61850-9-1或是IEC 61850-9-2數(shù)據(jù)包，經(jīng)由IEC GOOSE指令收取和發(fā)出開關(guān)量數(shù)據(jù)［5-7］。該研究采用Winpcap進行以太網(wǎng)控制，模擬數(shù)字化變電站過程層和間隔層之間的通信［8］。

在微機M內(nèi)，基于PSCAD／EMTDC搭建含有數(shù)字化變電站電氣主接線的系統(tǒng)仿真模型，仿真產(chǎn)生電子式互感器及合并單元輸出的采樣值的（固定采樣率）電壓、電流波形數(shù)據(jù)，然后調(diào)用PSCAD／EMTDC的自定義模塊進行程序開發(fā)，并基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進行轉(zhuǎn)化和組幀，調(diào)用Winpcap完成網(wǎng)絡(luò)通信的仿真，使得相應(yīng)線路采樣值報文及開關(guān)量信息能通過光纖以太網(wǎng)（簡稱以太網(wǎng)）分別發(fā)送至微機N；N調(diào)用Winpcap接收M通過以太網(wǎng)傳來的基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的各自線路電壓、電流波形數(shù)據(jù)以及開關(guān)量信號的報文，解析報文后采用自適應(yīng)的繼電保護算法計算基波相量、基波序分量、基波功率方向等特征量和派生量，進而微機N模擬保護的動作行為，并將保護動作結(jié)果傳送至微機M，M中PSCAD／EMTDC的自定義模塊接收GOOSE報文并解析后，將保護動作結(jié)果發(fā)送至PSCAD／EMTDC中的電力系統(tǒng)仿真模型中，斷路器相應(yīng)動作，并將后續(xù)的仿真數(shù)據(jù)發(fā)送給N，通過上述方法實現(xiàn)數(shù)字化變電站繼電保護模型與電力系統(tǒng)模型之間的一體化仿真。

圖1 數(shù)字化變電站仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 1 Digital Substation simulation system structure

2 數(shù)字化變電站仿真系統(tǒng)具體功能開發(fā)

2.1 PSCAD／EMTDC自定義模塊的功能開發(fā)

PSCAD／EMTDC（Electro-Magnetic Transient in DC System）是一款廣泛使用的電力系統(tǒng)暫態(tài)分析軟件。基于PSCAD／EMTDC提供的自定義模塊，用戶可以使用Fortran、C語言和Matlab等3種計算機編程語言來開發(fā)自定義模塊的功能［9］。

在微機M的PSCAD／EMTDC自定義模塊中，將仿真得到的電流、電壓波形數(shù)據(jù)寫入到文件中，進而按照IEC 61850-9-2LE標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，通過Winpcap發(fā)送至微機N；在M的PSCAD／EMTDC自定義模塊中通過Winpcap收到N發(fā)來的GOOSE保護動作信號后，PSCAD／EMTDC軟件按照指定的采樣間隔讀入數(shù)據(jù)并控制PSCAD／EMTDC仿真模型中對應(yīng)斷路器的動作。

2.2 基于連續(xù)復(fù)小波變換的相量算法

在微機N中，系統(tǒng)頻率的偏移會對基于指定采樣率的電壓、電流波形數(shù)據(jù)的計算精度產(chǎn)生影響。為了減小衰減直流分量的影響，需要對接收到的電壓和電流數(shù)據(jù)作差分處理；為了盡量提高計算結(jié)果的精度，消除系統(tǒng)頻率偏移的影響，進而采用基于Morlet小波的連續(xù)復(fù)小波變換算法計算基波向量信息。算法流程見參考文獻［10-11］。

設(shè)f（t）是具有平方可積函數(shù)特性的輸入信號，Φ（t）為基本的小波函數(shù)式，f（t）的連續(xù)小波變換表示為

式中 a，b分別表示小波函數(shù)的尺度因子、時間平移因子（a∈R且a＞0）。在計算中，對于指定的小波中心頻率，小波函數(shù)的尺度因子為定值。這里設(shè)定中心頻率為f0=50Hz，進而根據(jù)小波函數(shù)的尺度因子求得該尺度下的Cwt（a，b），求得實際相位：

被測信號中某頻率分量對應(yīng)的實際頻率f可通過對θ進行求導(dǎo)：

信號實際幅值A(chǔ)的表達式為

式中 C為修正因子，是一個和選定的小波函數(shù)、特征尺度以及所測量的頻率值相關(guān)的常數(shù)。

該研究使用相量算法得到基波的相量信息，進而獲得序分量、基波功率和功率方向等派生量。

2.3 繼電保護動作行為的模擬

筆者以南瑞繼保電氣的RCS-902A成套線路保護裝置為例建模進行仿真?；谔崛〉降幕ㄏ嗔考芭缮啃畔ⅲ谖CN上采用軟件方式實現(xiàn)保護判據(jù)的計算并與整定值比較，最終確定保護的動作結(jié)果，最后，保護動作行為信息以GOOSE報文的形式送至微機M中。

3 系統(tǒng)功能與性能測試

3.1 仿真算例

筆者在微機M中使用PSCAD／EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件搭建1個包含220kV數(shù)字化變電站的簡單電力系統(tǒng)模型，設(shè)置A相線路中點處發(fā)生非金屬接地短路故障（0.1s時刻發(fā)生故障，故障時間持續(xù)0.1s，過渡電阻為12π，整定重合閘時間為斷路器跳開后0.2s）。設(shè)置系統(tǒng)頻率為50.5Hz，以體現(xiàn)該文算法在克服頻率波動對計算精度影響方面的優(yōu)越性。

陳桂生教授是我國當(dāng)代著名的教育學(xué)家，在研究教育基本理論領(lǐng)域成就斐然。筆者在閱讀陳教授《教育原理》中的《教育概念的辨析》一文時啟發(fā)很大，便試圖以新的視角來理解教育的緣起以及什么是教育。筆者認為，教育學(xué)并不是脫離我們的日常生活而存在，其研究領(lǐng)域也是“常規(guī)、常情、常理”的。

3.2 仿真測試結(jié)果

3.2.1 原始波形及相量提取

微機N調(diào)用Winpcap接收到從微機M中發(fā)送來的報文，解析后得到原始波形數(shù)據(jù)并采用2.2節(jié)中相量算法提取基波相量，如圖2，3所示。

圖2中由上到下依次表示A，B，C相電壓、3U0，A，B，C相電流、3I0。在0.1s時刻A相電流增大，B，C兩相電流不變，判斷出A相發(fā)生接地短路故障，故障持續(xù)0.1s，保護于0.2s時刻跳閘，并在0.4s時刻重合閘。

圖3中由上到下8行數(shù)據(jù)依次表示A，B，C相電壓、3U0，A，B，C相電流、3I0。經(jīng)檢驗，保護判據(jù)計算當(dāng)中所需的相量和故障分量信息均準(zhǔn)確無誤。

3.2.2 保護模擬

在微機N中按照保護定值進行整定，并進行保護模擬，模擬的保護判據(jù)結(jié)果如圖4～7所示，保護動作結(jié)果如圖8所示（限于篇幅，該文只給出部分主要結(jié)果）。

圖4中由上到下依次表示A，B，C相判據(jù)計算結(jié)果和動作情況、對端使能信號與本端方向及本地動作結(jié)果。A相判據(jù)在0.1s發(fā)生故障并達到整定值時發(fā)送跳閘指令，0.2s時斷路器跳閘并清除故障之后再收回出口。因系統(tǒng)根據(jù)繼保判據(jù)判斷為A相發(fā)生接地短路故障，故只有A相的結(jié)果被顯示出來。保護動作行為的模擬結(jié)果表明了縱聯(lián)距離保護仿真動作行為的正確性。

圖2 原始波形Figure 2 Original waveform

圖3 基波幅值Figure 3 Fundamental amplitude

圖6中由上到下6行數(shù)據(jù)依次表示A，B，C相判據(jù)計算結(jié)果和動作情況。保護動作行為的模擬結(jié)果表明了接地距離I段保護仿真動作行為的正確性。

圖7中由上到下3行數(shù)據(jù)依次表示零序電流保護判據(jù)判斷計算結(jié)果、零序過流二段和三段判據(jù)動作情況。為了測試后備保護動作的正確性，將主保護退出，對后備保護進行測試。為零序二段保護（后備保護）設(shè)置延時跳閘，當(dāng)零序二段保護判據(jù)在0.1s故障并達到整定值后，并沒有立即發(fā)送跳閘指令，而是直到延時過后再發(fā)送，待斷路器跳閘并清除故障之后收回出口；零序三段由于延時時間過長而沒有動作。保護模擬結(jié)果表明了零序電流保護仿真動作行為的正確性。

圖4 縱聯(lián)距離保護動作行為仿真結(jié)果Figure 4 Simulation results of longitudinal distance protection

圖5 工頻變化量距離保護動作行為仿真結(jié)果Figure 5 Simulation results of frequency variation distance protection

圖8表示在微機M的自定義模塊接收到微機N發(fā)送的動作結(jié)果經(jīng)解析后向電力系統(tǒng)仿真模型發(fā)送的信號，0表示閉合斷路器，1表示斷開斷路器。由于故障只持續(xù)0.1s，故而0.4s時刻故障已經(jīng)清除，重合閘之后系統(tǒng)能夠正常運行。

圖6 接地距離Ⅰ段保護動作行為仿真結(jié)果Figure 6 Simulation results of grounding distance protection segment I

圖7 零序電流保護II，III段動作行為仿真結(jié)果Figure 7 Simulation results of zero sequence current protection segment II and III

圖8 斷路器跳閘信號Figure 8 Breaker trip signal

通過以上結(jié)果表明，所開發(fā)的數(shù)字化變電站繼電保護仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)繼電保護模型與電力系統(tǒng)模型之間的一體化仿真，并具備完善的功能和優(yōu)越的性能。

4 結(jié)語

筆者對數(shù)字化變電站繼電保護仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究及開發(fā)。測試結(jié)果表明：

1）在網(wǎng)絡(luò)通信仿真方面，所開發(fā)的通信模擬技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)一次和二次系統(tǒng)模型交換電壓電流、繼電保護動作行為信息的功能；

2）對于固定采樣率的電壓、電流波形數(shù)據(jù)，采用連續(xù)復(fù)小波算法計算相量，能夠準(zhǔn)確提取保護所需的相量信息；

3）系統(tǒng)能夠正確模擬數(shù)字化變電站的繼電保護，并可得到保護判據(jù)在時間軸上的變化情況以及保護動作結(jié)果。

基于以上研究，筆者開發(fā)了數(shù)字化變電站繼電保護仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了繼電保護模型與電力系統(tǒng)模型之間的一體化仿真，為數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)的原理研究以及故障分析提供了技術(shù)手段。

隨著研究的不斷深入，還可以對保護模擬模塊進行改進，增加不同類型元件的保護，如變壓器保護、母線保護等等；并進一步將該仿真系統(tǒng)發(fā)展到整個二次系統(tǒng)，針對故障錄波、故障測距、測量以及計量等開發(fā)新的仿真模塊，使其應(yīng)用更加廣泛。

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