基于RTDS的集中式保护动模试验研究

李鹏里，金世鑫，李 华

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015）

专论

基于RTDS的集中式保护动模试验研究

李鹏里1，金世鑫1，李 华2

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015）

集中式保护是由许继电气公司研发的适用于智能变电站的保护装置，该项技术于2012年8月首次应用于工程实际中，保护装置采用简化集成的设计理念，实现了采样SV（IEC61850－9－2）、GOOSE及IEEE1588三网合一的过程层网络接入方式。文中应用数字仿真仪（RTDS）作为测试平台，搭建了智能变电站一次系统模型，通过动模试验对集中式保护装置的功能进行测试，提出了220 kV线路、元件、母线保护以及66 kV备自投功能的测试方法，在试验中发现并解决了集中式保护软件功能及虚端子配置的一些问题。

集中式保护；RTDS；虚端子；GOOSE；IEEE1588

1 集中式保护概述

1.1 简介

集中式保护是由许继电气公司研发的适用于智能变电站的保护装置，采用简化集成的设计理念，从技术上已经实现将同一电压等级的所有线路保护及测控功能集成在1台装置上，将同一电压等级的所有元件（母线、母联）及母线保护及测控功能集成在另1台装置上［1］。集中式保护盘柜配置如图1所示，220 kV装置（1）实现3台主变、220 kV母线、220 kV母联保护测控功能，装置（2）实现8条220 kV线路保护测控功能，装置（3）、（4）作为热备用装置功能同装置（1）、（2）。66 kV装置（1）实现66 kV母线保护功能，6台电容器、1台所用变保护测控及计量功能，装置（2）实现13条66 kV线路、间隔保护测控及计量功能，装置（3）、（4）为B套装置，功能同装置（1）、（2）。

1.2 组网方式

集中式保护采用SV（IEC61850－9－2）、GOOSE及IEEE1588三网合一的过程层网络接入方式［2］，装置组网结构如图2所示。

SV通过划分VLAN的方式将SV数据传输保护装置，再通过保护内部接口程序将各智能单元的SV分别打包后送至CPU进行逻辑处理；GOOSE不划分VLAN，保护及测控发出的GOOSE报文通过交换机发送至智能单元，智能单元内部已经配置好有效的GOOSE，会过滤掉不匹配的GOOSE报文；由于过程层交换机及中心交换机相互级联，主时钟发出的IEEE1588对时报文会传送至所有交换机及智能单元，实现过程层对时。

图1 集中式保护配置

220kV保护采用单网双套的配置方案，即统一网络下采用2台装置（1台为运行态，1台为检修态），保护装置检修时A网不用退出，将热备态装置投入运行，66 kV保护采用传统的单网单套配置，保护装置检修时A网需要退出运行，切换至B网运行。

2 何家智能变电站RTDS测试模型

2.1 一次系统模型

模型由220 kV智能站侧5条出线，220 kV传统站侧5条出线，无穷大系统，发电机，220 kV母线，220 kV母联，3台主变，66 kV母线，66 kV母联，3条66 kV线路，66 kV侧负荷构成。

2.2 开关量闭环系统

应用RTDS进行何家变电站全站一次系统建模，利用与RTDS板卡相连接的I／O采集板卡、模拟断路器以及智能单元构成开关量采集闭环系统，开关量系统搭建如图3所示［2］。

2.3 模拟量输出系统

RTDS模型一次电流和电压可以通过模拟量输出模型GTAO或DDAC转化为0～5 V的交流量输出。传统站侧一次模拟量通过TA和TV转化成二次值后输出，通过功率放大器转化为实际的二次电流及电压输入到保护装置中；智能站侧的一次模拟量直接输出，通过采集器后转化为FT3格式的数字量输入至智能单元，最后通过交换机传送至保护（测控）装置实现采样值的输入，通过合理设置GTAO（DDAC）板卡、采集器以及智能单元的内部变比及系数就可以将实际的一次值采集到保护装置中，采样值输出系统如图4、图5所示［3］。

RTDS智能站侧模拟量输出变比设置如式（1）所示，其中K为RTDS模拟量输出设置变比，UN或IN是系统一次侧额定电压和电流，AN为采集器额定数字量输出对应的模拟量输入；RTDS传统站侧模拟量输出变比设置如式（2）所示，其中KX为功率放大器变比。

3 基于RTDS的集中式线路保护测试方法

3.1 集中式线路保护测试方法

图2 何家智能变电站集中式保护二次组网

图3 开关量传输闭环系统

图4 数字站侧模拟量输出系统

图5 传统站侧模拟量输出系统

通过在模型上设置各种类型的故障点来模拟线路故障，对集中式线路保护进行测试，检验集中式保护内部逻辑以及虚端子是否正确［4］。故障点设置如图6所示，故障点设在传统站侧线路区外k1，传统站侧开关出口k2，线路中点k3，智能站侧开关出口k4，智能站侧线路区外k5以及跨线故障k6。线路测试时，将保护投单重。测试需要满足以下结果：线路区外发生故障，线路差动保护不会误动；线路区内发生单相接地瞬时故障，保护单跳单重；线路区内发生相间短路故障，保护三跳；线路区内发生单相接地永久故障时，保护单跳单重后加速三跳并发出永跳令闭锁重合闸；线路区内发生异鸣相跨线故障时，保护动作；柳河2线保护动作同时，其他线路保护不能误动；将线路保护出口退出，模拟故障线路失灵保护能够动作；模拟系统振荡时，线路保护应闭锁，在振荡中发生故障时，保护应正确动作，系统频率偏移时（48 Hz和52 Hz）发生故障，保护应正确动作；传统站侧TA饱和且发生故障电流波形线性度满足要求时保护应能够正确判别出是区内故障还是区外故障造成的饱和。

图6 柳河2线保护测试故障点设置

3.2 集中式线路保护测试发现的问题

a.单一智能单元SV晶振异常后，会导致集中式保护所有线路及元件出现SV断链，从而闭锁母线保护和元件保护。该问题的原因是保护装置内部接口程序（NPI）将所有线路智能单元发出SV全部采集编号后才能传送至CPU进行计算，由于柳河2线晶振损坏导致SV报文只发出2 000帧／s（其他正常线路为4 000帧／s），NPI没有完成所有间隔的SV采样及编号就不会将其传送至CPU进行计算，保护装置在规定时间内没有收到各间隔的SV报文导致所有线路及元件SV断链，从而闭锁全站保护，这是集中式保护接口程序的一个重大问题，单个智能单元发出的SV异常会导致全站保护闭锁。经过厂家修改程序后，该问题已经解决。

b.220 kV线路失灵GOOSE信号发送方式为1对1，即线路保护动作时只向1套（A1／B1或A2／B2）元件保护发送失灵GOOSE，而没有向另1套元件保护发送，导致失灵保护动作也为“2取2”方式。由于220 kV是单网双套配置，智能单元内部配置双出口继电器，当A1和A2都为运行态时，智能单元出口策略为“2取2”方式，这就导致线路保护处于某种运行方式时，例如1套运行而另1套投检修，而元件保护两套都投运行，此时线路保护动作时只有1套元件保护能够收到失灵GOOSE报文，导致失灵保护动作无法跳开断路器。经过与厂家协商后通过修改失灵GOOSE报文的传送机制解决了问题。

4 基于RTDS的集中式元件保护测试方法

4.1 集中式元件保护测试方法

集中式元件保护集成了母线保护、母联保护和主变保护的功能，元件保护的测试和线路保护类似，模拟不同类型的区内外故障，检验集中式元件保护动作的可靠性，故障点设置如图7所示，故障点设置分别为：主变66 kV侧区外k1，主变66 kV侧区内k2，主变220 kV侧区内k3，主变220 kV侧区内k4，220 kVⅠ母k5，220 kV母联k6，220 kVⅡ母k7。测试需要满足以下结果：主变区内故障时，主变差动保护动作；区外故障时差动保护不误动；主变区外发生永久性故障时，主变高压侧后备或低压侧后备保护动作；主变保护区内故障断路器未跳开后主变失灵保护能够正常动作；主变发生区内故障时，其他主变不能误动作；220 kVⅠ母线或Ⅱ母线发生故障时，母线差动保护应正确动作；母线充电时发生死区故障母线差动应短时闭锁，通过大差后备瞬时跳开母联，以防止误跳正常母线间隔开关；发生死区故障后保护能够延时封母联TA，使得另一母线差动保护动作；母线区内故障时母联未跳开，母联失灵保护能够正常动作。

图7 元件保护故障点设置

4.2 集中式元件保护测试发现的问题

模拟母联充电于母线死区永久故障时，母线保护没有按照正确逻辑闭锁差动保护，误跳正常母线间隔，经过检查是由于监控系统发出的手合控制报文没有发送至保护导致保护没有判断出充电故障，经过厂家修改配置文件后该问题解决，当发生充电死区故障时母线大差后备保护动作瞬时跳开母联，同时会闭锁差动保护300 ms，避免死区故障误跳正常间隔的问题［5］。

5 基于RTDS的备自投功能验证

5.1 集中式保护中备自投功能测试方法

集中式保护备自投功能集成在66 kV元件保护装置中，利用RTDS对其进行测试可以检验备自投功能及其闭锁逻辑是否正确，许继集中式保护备自投有4种典型方式。

方式1：一主变带两段母线并列运行，另一主变作为明备用，采用主变互投。

方式2：每台主变各带一段母线，两主变互为暗备用，采用分段自投。

方式3：一主变带两段母线并列运行，同一侧所带有源线路作为明备用，采用线路自投。

方式4：一主变带两段母线并列运行，另一主变作为明备用，同时，同一侧所带有源线路也作为明备用，采用综合自投时，通过整定合高压侧开关与合有源线路开关时限，来实现先动主变备投或线路备投方式，闭锁另一备投方式。

故障点设置如图8所示。

图8 备自投功能验证故障点设置

设置1号主变区内故障k1，2号主变区内故障k2，66 kVⅠ母故障k3和Ⅱ母故障k4，测试要满足以下结果：当主变发生区内故障时，各种方式下的备自投能够正确动作；当从监控后台遥分主变开关或发生66 kV母线故障（k3、k4）时，备自投功能应正确闭锁。

5.2 集中式保护中备自投功能测试发现的问题

利用RTDS进行主变备自投闭锁逻辑测试时发现遥控分主变开关时，备自投功能未正常闭锁。原因是遥分开关时测控发出的备自投闭锁GOOSE与备自投功能中的虚端子连接错误。1号主变开关遥分时，应将GOOSE信号作为闭锁2号主变备自投动作的信号，2号主变开关遥分时，应该将GOOSE信号作为闭锁1号主变备自投动作的信号，原来的配置正好相反，所以导致遥分开关时备自投功能没有闭锁，修改虚端子连接后，该问题已经解决。

6 结束语

集中式保护应用简化集成的设计理念，大大减少变电站盘柜、交换机以及二次光纤的数量，节省了运维的成本。但是，由于集中式保护装置内部配置了大量的虚端子，无法像传统保护装置那样便于进行静态测试，因此，利用RTDS建模进行保护动模试验无疑是一种行之有效的测试方法。本文的主要工作是利用RTDS作为测试平台，搭建了智能变电站一次系统模型，通过动模试验对集中式保护功能进行测试，研究了220 kV线路、元件、母线保护以及66 kV备自投功能动模试验的方法，在测试过程中验证了保护的功能及逻辑，同时发现并解决了集中式保护软件功能及虚端子配置的一些问题，使得集中式保护的功能能够不断完善，为日后集中式保护的推广应用提供参考。

［1］ 马云龙，王来军，文明号，等.数字化变电站集中式保护应对边界信息缺失新方法研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39（6）：84－89.

［2］ 杜振华，王建勇，罗奕飞，等.基于MMS与GOOSE网合一的数字化网络保护设计［J］.电力系统保护与控制，2010，38（24）：178－181.

［3］ 金世鑫，李 华，张静巍，基于RTDS的区域保护备自投功能动模试验研究［J］.东北电力技术.2014，35（10）：57－60.

［4］ 李仲青，周泽昕，黄 毅，等.数字化变电站继电保护适应性研究［J］.电网技术，2011，35（5）：210－215.

［5］ 王长春.母线死区保护的完善［J］.东北电力技术，2008，29（12）：13－14，17.

Test Research of Centralized Protection Based on RTDS

LI Peng⁃li1，JIN Shi⁃xin1，LI Hua2
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China）

Centralized protection is producted by XU⁃JI electric company which is used in protection devices of intelligent substation. This technology is first used in practical project in August 2012.The device used simple and integrate design concept，sampling SV（IEC61850⁃9⁃2），GOOSE and IEEE1588 merge in process layer is achieved.This paper uses real time digital simulator（RTDS）as test platform，digital substation's primary system model is building，the centralized protection＇s function through the dynamic simulation experiments is tested，test method of line，element，bus protection and the function of prepared from the cast in 66 kV sys⁃tem are proposed，some problem of centralized protection software function and virtual terminal's configuration in experiments are detec⁃ted and solved.

Centralized protection；RTDS；Virtual terminal；GOOSE；IEEE1588

TM774

A

1004－7913（2016）01－0001－04

李鹏里（1976—），男，学士，工程师，从事继电保护研究工作。

2015－10－18）