基于数字动模技术的保护定值现地校核研究

杨胜利 徐在林 程世俊 金小波

（1.四川华能宝兴河水电有限责任公司，四川 雅安 625000；2.北京殷图仿真技术有限公司，北京 100190）

0 引言

从公司继电保护技术监督现场评价结果及非停分析报告来看，由于保护不正确动作造成的电气一次设备损坏、事故扩大等事件时有发生，给电力系统和电气设备安全稳定运行带来风险。保护定值设置不合理和电气二次回路存在的缺陷是造成继电保护不正确动作的主要原因，定值原因占总数的21.9%，电气二次回路缺陷占总数的52.7%，其他因素占25.4%。

目前，系统稳定运行对发电设备制造工艺的要求较高，在现场开展系统短路试验条件还不成熟。电力系统数字仿真不受原型系统规模和结构复杂性的限制，能够保障被研究、试验系统的安全，该系统具有经济性、方便性等优点，在电力系统很多领域发挥重要的作用[1]。该文将探索利用电力系统数字物理混合实时仿真技术进行继电保护系统定值现地校核，该项研究包括便携式电力系统实时仿真装置的设计、水电厂电气一次设备仿真、水电站现场定值数字动模校核方法研究、水电站现场实施方案编制等，并结合水电站年检全停的机会开展现场验证工作。

1 DDRTS实时仿真装置设计

1.1 DDRTS实时仿真装置原理

DDRTS实 时 仿 真 装 置（Digital Dynamic Real-Time Simulator，DDRTS）是北京殷图仿真技术有限公司开发的专门用于电力系统二次设备闭环测试的数字动模试验系统。系统通过图形化建模对电力系统一次设备进行数字建模，并形成电磁暂态计算模型，电磁暂态程序按设置的计算步长进行计算，通过高速光纤通信系统将计算的电流、电压信号送至信号转换装置进行D/A转换及功率放大，并通过交流采样回路接入保护装置，保护装置通过控制回路将跳合闸等命令接到断路器，断路器的位置状态再通过信号转换装置的I/O模块返回实时仿真装置，实现待测系统的一二次设备闭环仿真测试。DDRTS实时仿真装置原理如图1所示。

图1 实时仿真装置原理图

1.2 DDRTS便携式实时仿真装置设计

1.2.1 便携式仿真机的选型设计

便携机搭载数字物理混合实时闭环测试系统，并且基于PCI总线进行专业结构一体化设计，集成仿真试验系统所需的PCI控制器及各功能模块，其目的是有效减少现场测试烦琐的设备拆卸、搬运和部署工作。便携仿真机设计及选型如图2所示。

图2 便携机样机

1.2.2 分布式移动仿真装置的选型设计

现场接入试验的继电保护装置主要分布在机组继电保护室和升压站继电保护室，各类型保护屏柜相对分散布置。因此，仿真装置的设计须考虑分布式布置，分布式测试结构如图 3所示。

图3 分布式测试结构图

1.2.2.1 通信、信号转换、功率放大模块集成化设计

集成化设计的最大优点在于便携测试、就地使用，功放模块与仿真主机通过一对光纤线相连，仿真主机的模拟量信号、开关量信号直接在功放模块内部通过排线配置好，现场无须再配置电缆，信号干扰少，可靠性高。仿真装置硬件集成结构如图 4 所示。

图4 硬件集成结构图

1.2.2.2 模拟量、开关量接口设计

集成了模拟量输出、DI输入、DO输出的功放装置，与现场二次装置的连接，设计为插孔式物理接口，用测试仪专用电缆连接，即插即用，既方便快捷高效，又安全可靠。现场保护屏柜模拟量回路端子排均采用交流试验端子，通过测试仪线插头即可实现功放模拟量输出与保护模拟量输入的连接；开关量回路端子排均采用信号端子，通过测试仪线插头+插针即可实现功放开关量输入输出与保护开关量输入输出的连接。

1.2.2.3 功放模块的选型及移动测试车设计

按照电站典型单元接线及典型保护配置统计继电保护装置所需电流和电压模拟量，经统计分析，电流功放选型单台输出电流通道数按12路设计，电压功放选型单台输出电压通道按24路设计，电流电压最大输出幅值根据电站实际短路电流水平配置，移动测试车按最大3台装置组屏设计。移动测试车的设计还需考虑功放电源、安全接地等问题。移动测试车结构和外观设计如图 5所示。

图5 移动测试车结构图

2 电站继电保护系统现场校核方法

DDRTS实时仿真装置实现电站整站保护定值及二次回路现地校核的闭环仿真试验，具体方法步骤包括：1） 电站电气一次设备参数、主接线方式等的收集整理；2） 根据收集的系统及电气一次设备参数、主接线方式等在仿真装置中建模；3） 在仿真装置中设置待校核保护装置对应电气一次设备不同的故障类型及故障点，形成故障集；4） 在仿真装置中进行电气一次设备不同故障类型及故障点的开环仿真，录取故障波形，分析故障波形是否正确完整；5） 检查待校核保护装置定值是否与下达的正式定值一致；6） 根据继电保护定值投入保护装置功能连片、出口连片；7） 在PT/CT二次出线处或汇控柜电压、电流端子排处拆开并隔离保护相关电压、电流回路；8） 连接分布式保护移动测试装置与PT/CT二次出线处或汇控柜端子排处的相关电压、电流回路并检查；9） 连接分布式保护移动测试装置与继电保护装置相关开关量输入及输出回路并检查；10） 连接待校核继电保护装置所控制断路器位置至分布式保护移动测试装置开关量输入回路并检查；11） 利用仿真装置模拟系统空载、分别带不同负荷正常运行；12） 记录在系统空载、分别带不同负荷时保护装置电压、电流模拟量采样值，与仿真装置中计算出的电压、电流值比较，误差不大于5%；13） 利用仿真装置模拟各开关量输出信号，检查保护装置相应开入量是否实时正确变位；14） 短接保护装置动作信号、分合断路器，检查分布式保护移动测试装置采集开入量信号是否正确；15） 利用仿真装置模拟待校核电气一次设备故障，进行闭环仿真；16） 记录待校核保护装置动作情况，导出保护装置故障波形，分析保护动作是否正确；17） 如果不正确，分析原因，修改保护定值；18） 如果正确，进行其他故障模拟，直到所有故障集模拟完毕，结束本次校核。

所述步骤1）中所涉及系统参数为归算到本发电厂/变电站高压母线的系统等值阻抗。

所述步骤3）中故障类型包括单相接地、两相短路、两相短路接地、三相短路、断线、系统振荡、频率偏离正常值等；故障点指的是不同的故障位置，如输电线路的0~100%之间、变压器绕组的某个位置等。

3 某电站现场试验方案

某电站装设3台80MW水轮发电机组，主接线采用一机一变的单元接线方式，经升压变压器接入220kV电网，为确保现场试验顺利和人员、设备安全，编制水电站继电保护系统现场校核作业指导书，规定了试验前准备工作、试验作业程序和作业标准、试验后现场恢复等。

3.1 保护常规、异常采样值校验

试验要求：发电机空载、带25%、50%、75%、100%负荷下检验各保护装置及故障录波装置采样，并录取波形。

试验方法：用仿真装置给电站系统的保护装置和故障录波装置加入对应模拟量，从40Hz~70Hz，每间隔5Hz进行一次采样值校验。记录各处保护装置和故障录波装置的采样值，计算误差是否满足要求。

注意事项：试验时断路器断开，保护装置处于正常运行状态，保护的功能压板、出口压板均投入运行。

3.2 各种故障、异常工况保护校验

试验要求：模拟电站系统各种异常、故障工况，包括接地故障、相间故障、发电机匝间故障、发电机失磁、开关失灵、系统振荡等。

试验方法：用仿真装置模拟相应故障并输出故障量，测试保护装置动作行为，并保存录取的故障波形。

注意事项：试验时保护装置处于正常运行状态，保护的功能压板、出口压板、断路器分合位置随测试项目切换。

3.3 发电机保护与励磁系统配合检验

试验要求：模拟系统正常运行，发电机带不同负荷，检验励磁限制定值与保护配合关系是否正确。

试验方法：用仿真装置将发电机机端和中性点电流、发电机机端电压、转子电压分别接入发电机保护屏和励磁系统屏，检验励磁不同限制定值与保护配合情况。

注意事项：注意接至保护装置的发电机转子电压值。

4 总结

笔者利用DDRTS实时仿真装置对水电站继电保护系统定值及回路的就地校核进行研究，弥补了现有数字物理实时仿真装置现场应用的不足，推动了仿真装置在电站就地闭环试验技术的发展，探索了利用数字动态模拟技术校核方法代替保护装置常规检验的可能性。利用机组检修机会，短时间内开展继电保护系统定值及回路校验，有效降低机组安全稳定运行风险，最终形成了一套继电保护系统定值及回路现场试验标准，包括系统建模、故障模拟、故障波形审查、试验流程、试验前准备工作、试验作业程序和作业标准、试验后现场恢复等，开创了一种全新的继电保护定值校核方法。