基于高频故障信息的混合仿真培训及测试系统研制

刘海客，李宏伟，确 巴，王璐璐

（1.国家电网有限公司技术学院分公司，山东 济南 250002；2.国网西藏电力建设有限公司，西藏 拉萨 850000）

0 引言

电网电磁暂态过程能够最快反映电网的故障运行状态， 最能直接体现不良暂态过程的物理变化规律。 目前电网中利用高频故障信息的监测和保护设备逐步得到推广， 主要应用在基于电磁暂态的输电线路故障检测与快速识别、继电保护与故障定位、雷击及闪络辨识等领域。利用高频故障信息的监测、保护设备大规模入网， 可显著提高变电运行与调度运行控制水平，提高电网供电质量和可靠性。目前电网中缺少对此类设备的培训和测试系统， 本文基于此而展开。

1 基于模型数据库的电磁暂态仿真平台

1.1 仿真平台搭建

本文搭建了一套电力系统电磁暂态仿真分析平台，该仿真平台以完全图形化的用户操作方式，能够设置多重故障条件， 以ATP （Alternative Transients Program，简称为ATP）和 Simulink 为工具自动遍历仿真故障模型， 校验滤波算法、 保护原理和测距算法，实现暂态数据的谐波分析、序分量分析、有效值计算等多种功能。 通过搭建包含常见线路结构的模型数据库，仿真过程中可根据实际情况，对数据库中的模型进行快速直接调用， 并在此基础上可对其进行更改参数设置、修改故障类型、设置故障条件等操作。该数据库极大简化了模型搭建过程，显著提高仿真效率。

ATP 的运行机制是平台运行的基础， 利用图形化界面程序ATPDraw 搭建系统模型， 设置模块参数， 按照特定规则对系统模型进行节点编号和数据卡编写，生成一个结构严格的仿真脚本项目文件（二进制文件.atp）；ATP 自带的Tpbig 程序对该脚本项目文件进行仿真，生成的时域变量存储在.pl4 文件中。ATP 集成化自动操作机制见图1 所示。

图1 ATP 集成化自动操作机制

基于ATP－EMTP 仿真软件的模型数据库，结合仿真软件优势， 开发图形化的用户操作界面，将ATP－EMTP 数据库嵌入主操作界面， 并能够实现ATP－EMTP 程序的后台调用［1］。 同时，该模块设计了辅助模块，实现对滤波算法、保护原理和测距算法的仿真校验。 该平台实现了高速运算和图形化用户操作界面的有机结合，并实现仿真结果的集中化处理，达到仿真自动化与数据处理高效率结合， 促进复杂模型仿真及参数修正的灵活性， 提升大容量的电磁暂态计算整体运行效率。

1.2 仿真分析模块

ATP 集成化自动操作机制的建立， 可实现大量电磁暂态仿真的自动化运行， 可靠性和操作效率得到提升， 但面对海量仿真数据， 其处理速度仍是瓶颈。 本文采用MATLAB 并行计算技术处理大量仿真以缩短运行时间，进一步提升平台效率。平台数据结构的独立性和设计的模块化使得各个功能模块相互独立，每次仿真仅需要读取设置信息，多次仿真可同时运行，不同仿真进程间没有数据通信，这为并行处理提供可行基础。

为进一步简化平台的运行机制， 本文利用并行循环方式提高仿真效率， 并行循环同时支持单机多核或多处理器和计算机集群。随着仿真次数的增加，单机的处理速度将成为效率提升的瓶颈， 而集群处理方式下数据通信耗费的时间远小于仿真时间，此时计算机网络和集群机并行处理更具备效率优势。图2 直观地展示了本仿真系统输出的U 相接地故障高频暂态电压、电流信号［2-5］。

图2 U 相接地故障高频暂态电压与电流信号

2 高频信号采样系统

信号采集系统采用嵌入式硬件装置， 包含嵌入式模块化CPU、32 位浮点数字信号处理器（DSP）、高速大规模可编程逻辑器件 （FPGA）、 分层分布式多CPU 并行技术。 该采集系统功能合理分散、 结构紧凑、易于扩展、充分保证装置具有强大的数据吞吐及处理能力，实现了高性能、高可靠性、低能耗的整机一体化工业级设计。 该系统具备16 位精度和5 MB／s 速度的高速A/D 采样能力；高速记录和转存具备数百兆工作时钟， 保证高频信息的准确提取和存储；配置大容量数据缓存，可连续记录10 次高频暂态信息。

为保证采集系统有准确的时间标尺， 满足高速采集系统的数据同步性， 本硬件系统采用锁相GPS同步时钟的方法，直接接收GPS 天线对时信号，或通过B 码实现对时。GPS 取得同步后精度达100 ns，稳定度40 ns 之内， 并可同时接收GPS 与北斗卫星信号与 2 路 IRIG-B 码。

3 高速模拟输出及高频运放平台开发

该模块技术框图如图3 所示，采用ARM+FPGA架构的数字信号处理系统， 采用256 MB 的DDRII SDRAM 作为数据缓存，16 位高速D/A 进行数模转换； 超大高速的DDRII 缓存使装置可以具备高速长过程回放能力，10 MHz 频率可输出 3 s，100 kHz 可以输出 300 s，10 kHz 可以输出 3 000 s。

图3 高速模拟输出及高频运放平台技术框图

该模块后台软件具备3 路电流和3 路电压输出通道，可模拟输出完整的三相线路故障信息；信号输出可进行通道选择，波形提取及显示，实现现场录波文件的回放还原；可支持.txt 等文本格式数据，可实现ATP/EMTP 仿真数据信号输出，模拟故障信号。该模块具备16 位输出精度和1 MB／s 输出速度， 并具备与北斗、GPS 卫星对时和B 码对时的功能，且对时误差不高于100 ns。

高性能的电流和电压线性放大器， 满足电力系统高频电磁暂态频段信息的有效输出，其中电流通道的最大输出电流不低于10 A， 并可将至少400 kHz的电流高频信息不失真输出， 电压通道最大输出电压不低于100 V， 并可将至少10 kHz 的高频电压信息有效输出。同时，电流通道和电压通道可组成多通道测试系统，具备大电流输出的能力，且瞬间电流不低于30 A。

4 结束语

本文针对电力系统中的高频暂态信息， 开发了一套可实现电磁暂态高频计算和模拟输出的混合仿真系统。 利用此仿真测试系统开展基于高频故障信息设备的入网测试， 可显著提高此类设备的入网水平。 借助该系统开展了基于高频故障信息的设备故障分析培训， 显著增强了现场运维人员对现场设备的监控能力，具有巨大的现实意义。