继电保护仿真案例库系统开发研究

2014-04-29廖小君韩花荣黄忠胜王婷婷

中国电力教育 2014年15期

廖小君?韩花荣?黄忠胜?王婷婷

摘要：国内外对继电保护案例分析仿真是通过暂态分析软件或动模试验进行，但一般用于对系统或保护装置的性能试验，不针对培训。就如何利用数字动模系统DDRTS对继电保护典型缺陷和四川典型事故进行仿真重演，结合实际保护培训设施设备，进行高层次的继电保护带负荷测试、故障查找和分析及简单、复杂事故分析的架构与实现方式方法等问题进行了研究。

关键词：继电保护；仿真案例库；DDRTS；测试

作者简介：廖小君（1974-），男，四川荣县人，国网四川省电力公司技能培训中心，副教授；韩花荣（1981-），女，山西寿阳人，国网四川省电力公司技能培训中心，讲师。（四川成都 610072）

基金项目：本文系四川省电力公司群众创新科技项目的研究成果。

中图分类号：TM74 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）15-0230-03

目前，国网公司系统建成了多个先进的继电保护培训实训基地，配置了良好的继电保护实训设备，可以开展各种保护设备的技能操作培训，但对于保护系统的仿真案例库培训系统，尤其利用真实的保护设备开发相应的事故案例分析培训模块目前尚未进行开展。各电力科学研究院利用各种动模系统可开展各种保护设备的动模试验，但一般用于对系统或保护装置的性能试验，不针对培训，并且仅限于保护装置，不涉及保护二次回路等。

下面就利用DDRTS仿真系统或其他保护测试系统结合实际的保护实训基地开展继电保护仿真案例库开发的有关问题进行研究，包括仿真案例库系统应具备的功能应用、系统构成方式研究，并对两种方式的构成进行了测试，对测试结果进行了分析，提出了开发存在的问题和改进方法，并对以后的应用前景进行了分析。

一、DDRTS系统仿真应用情况

目前培训中心拥有一套和 RTDS类似的数字动态实时仿真系统DDRTS（Digital Dynamic Real Time Simulator），是一个软硬件结合的电力系统数字仿真与试验装置。DDRTS由大型电网仿真软件和高速通信系统、信号转换及输入输出系统等硬件设备组成。利用电磁暂态仿真软件可建立全数字的仿真系统模型，对电力系统进行实时仿真模拟，将继电保护装置和安全自动装置试验所需的电压、电流等信号经通讯卡输出，通过数模转换和电压、电流放大器送入需要试验的继电保护装置和安全自动装置中以进行装置的实时试验。同时继电保护装置和安全自动装置的响应信号可实时反馈回计算机形成闭环试验。

DDRTS系统由于可以进行实时闭环测试，因此对于拥有和实际变电站类似的保护系统进行试验及培训具有良好的效果，尤其对于较复杂的保护动作培训，但如何充分利用DDRTS的特点进行适合现场人员培训的事故案例仿真培训是一个值得研究的课题。目前DDRTS应用于现场一些简单的事故回放和一些保护装置的闭环测试等情况较多，但对于保护系统的用于现场培训的仿真案例开发则很少。

二、仿真案例库系统功能

仿真案例库的开发以典型事故案例结合岗位培训教程中事故分析、带负荷测试、综合故障处理等培训和考核模块进行仿真，仿真的事故包括正常工作状态、保护正确动作和不正确动作。其中正确动作的分析以典型录波分析为主，开展典型故障特征及录波分析方法培训，并给出标准化事故分析简报模板供进行正确汇报事故借鉴。该部分仿真库的开发重点在于培訓事故分析方法，和培训学员查看录波及分析事故流程。不正确动作事故则根据不正确动作原因，包括二次回路故障、设置错误、整定错误、误操作等，重点在于培训学员能够根据仿真库仿真的现象及录波数据进行分析和判断或故障查找及排除（如果涉及回路故障）。

仿真案例库建设能够满足继电保护较高层次的培训，如技师、高级技师、优秀技能人才选拔、竞赛比武。案例库内容选择应考虑不同的难易程度、基本案例（如带负荷测试）、正确故障分析、简单案例（如单一回路故障、压板或控制字设置等）、复杂案例（如整定配合、系统故障、保护装置缺陷、复杂故障等）。

仿真案例库开发应充分和继电保护专业培训课程体系结合，其开发成果包括了继电保护专业培训和考核标准的多个模块，包括以下内容：故障录波报告调阅模块；110kV线路、变压器、母线等保护带负荷测试、故障录波动作分析模块；220kV线路、变压器及母线保护带负荷测试、故障录波动作分析模块；典型保护装置和回路故障查找和排除模块；复杂案例事故分析模块。

三、仿真案例库系统实现架构研究

为充分满足实际培训的需求，仿真案例库在实现架构上需考虑许多问题，包括：仿真模型系统如何搭建；DDRTS和实际保护装置及二次回路等物理设备的交互；其他相关系统的接入；故障模拟及考核方式等。除仿真案例网络模型外，还包括了培训时实施方案，如试验时涉及到的保护设备、是否对保护型号有要求、试验接线（电流电压接入方式、电流串接设备、故障录波和监控系统接入和测试方式、开关和刀闸状态接入和测试方式）、故障模拟设置、考核方式（如波形分析、负荷测试、回路查找、事故判断方法等）。

1.仿真案例库模型搭建及相关设置

仿真案例库的模型搭建是一个很重要的问题，首先模型应该和接入的实际保护设备的一次接线满足一致，这样才能保证保护动作行为的正确性和合理性。其次，仿真案例库的运行方式应当灵活，以适应不同的培训需求，如可以方便调整潮流，以灵活地开展带负荷测试等培训模块，或者进行不同的故障设置模拟。最后，仿真案例库的搭建应考虑一定的扩展性，尤其外部等值系统的考虑以及和安控系统的接口等等。220kV保护实训室仿真案例库模型如图1所示。

2.数字物理混合仿真案例测试系统搭建

一般的数字物理混合系统主要考虑仿真直接和保护系统接入，不会考虑和外部回路进行接入，但作为一个用于培训的保护仿真，则应考虑对保护回路的完整测试。

（1）交流信号输入系统。交流信号输入系统应通过交流信号二次回路送入到保护设备，以方便对保护二次回路的有关缺陷查找和排除模块进行培训，为此，保护培训设备应有较完善的保护输入二次回路，一般可采取接口屏或者设置端子箱模拟屏以模拟CT端子箱和PT端子箱。对于交流回路，考虑到节约放大器，可采用电流放大器输出后通过接口屏将需要测试的各保护、录波等设备串接起来，这样实现在本间隔的多个设备联动。以线路保护为例，其电流包括线路保护1、线路保护2和故障录波装置。

（2）跳闸回路接入。一般的动模系统直接接入保护跳闸和合闸接点，进行保护有关动作行为实验。但作为培训，保护的控制回路是非常重要的一环，较方便的模式是保护均通过模拟断路器实现完整的跳闸回路，仿真系统通过模拟断路器辅助接点引入，实现闭环测试。应注意的是，模拟断路器应满足双跳圈的功能，并应具备完善的信号输出。

（3）模拟刀闸系统接入。完善的二次回路还应考虑一次刀闸信号的接入，为此应配置一套完善的模拟刀闸系统，接入相关二次设备。对于仿真系统，在进行诸如充电保护等仿真动作时宜接入模拟刀闸信号，从而更准确地进行仿真试验。

3.其他系统接入

（1）故障录波系统接入。仿真案例的重要功能是进行事故案例分析培训，因此必须接入故障錄波系统，故障录波系统应接入完整的录波信号，包括保护信号和断路器跳闸位置信号。同时录波电流电压应和保护系统一致。

（2）监控系统接入。为更好地进行较复杂的保护事故分析培训，应考虑接入监控系统，尤其在进行事故案例分析时应和监控系统一同进行仿真，为此方案考虑了接口屏包括保护接口屏和测控接口屏，以实现较复杂的案例仿真。

（3）故障信息系统接入。220kV系统考虑了一套故障信息系统，在进行案例仿真时将其接入可更好地开展故障信息系统的培训，因为故障信息系统的培训可能涉及多个保护甚至多个站的动作行为才能更好地对其进行培训。

（4）通道接入。通道接入主要是通信系统，保护涉及到的专用光纤通信系统和复用光纤通信系统对于涉及光纤保护的仿真时尤为重要。

4.系统整体架构

系统整体构架如图2所示。

5.故障模拟及考核方式

继电保护仿真案例库的开发应包含仿真案例及培训实施方案，其测试内容及需记录的内容包括：保护动作信号、相关状态记录、相关保护动作录波、故障录波、监控记录。该部分通过图片和录波图的方式以附件的报告形式完成，便于进行离线培训。

仿真案例库的开发主要依靠DDRTS进行各种信号的仿真和模拟及培训。为了使培训能够让学员参与案例库的相关案例的测试和培训，案例库的各种测试模型可以由DDRTS测试后，输出为故障波形文件，这样可以通过多个测试仪进行同步输出，可以在培训过程中进行多组培训，解决了只有一套DDRTS系统而不能同时开展多个培训任务的问题。

四、系统开发问题及应用前景

1.开发有关问题

（1）仿真案例的选取具有一定的局限性，现场发生的相关案例有些属于二次回路缺陷、雷击、非电量等，用DDRTS难以模拟。

（2）仿真案例中有些需要较大的故障量输出，但受制于放大器30A的最大输出，因此需要对仿真模型等进行调整，一定程度上影响了针对性。同时，原来的放大器带负载能力不够，也影响了仿真的实用性。

2.应用前景

仿真案例库的开发成果已经用在了继电保护优秀技能人才选拔、保护竞赛、履职能力岗位培训等科目中，取得了很好的实践效果。后续可以在以下领域发挥更大作用：

（1）利用仿真案例库可以扩展保护和安控系统的联合仿真培训。

（2）如果有继电保护故障信息培训系统，利用仿真案例库可以更好地对故障信息系统培训进行有益的补充。

（3）现场仿真培训：继电保护仿真案例库可以很好地用在继电保护岗位培训的简单事故分析、带负荷测试、保护缺陷分析和查找、动作报告分析、复杂事故分析等培训模块中。DDRTS离线输出的相关案例也可以用于保护人员现场进行学习和测试、提高现场培训效果。

（4）自动化系统培训。仿真案例库开发建设的建模方法、测试技术和方法可以为自动化子站、主站、智能变电站等仿真案例库的开发积累丰富的经验，促进这些专业技能培训能力的提升。

参考文献：

[1]毛鹏，杨立，杜肖功，等.基于RTDS的超高压线路保护装置的试验研究[J].继电器，2004，32（3）：30-33.