基于数字物理混合仿真技术的水电厂电气二次实训系统的研究

王乐宁 邢奥斌 张 路 刘 灏 李 冬

（国能大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川 雅安 625300）

0 引言

保证水电厂的安全生产运行是维持电力系统能源供给不可或缺的部分。继电保护作为电力系统安全、稳定运行的第一道防线，其原理复杂、设备很多，对继电保护及自动化专业人员的业务水平提出了较高的要求。

目前，继电保护自动化专业培训主要依靠理论教学实现，导致专业人员缺乏实操演练机会，现场故障处理能力偏弱。为加强实训效果，文献[1]主要通过测试仪对继电保护装置进行调试；文献[2]使用软件对继电保护装置进行数字建模，并阐释了在智能变电站实训中，测试仪与虚拟保护之间的交互模式。文献[1]、文献[2]均利用测试仪作为故障源，缺乏与实际电气一次系统的关联。文献[3]采用了虚拟与真实设备相结合的仿真系统进行实训与测试，但其应用领域主要聚焦于变电站，尚未拓展至发电侧。

当前继电保护专业实训存在以下2个问题：1） 缺乏对电气一次系统故障的模拟手段，无法还原继电保护动作的真实场景。2） 少有针对发电侧的仿真实训系统的构建与探讨。为提升发电侧继电保护专业人员的技能培训效果，该论文提出一种基于数字物理混合仿真技术的水电厂电气二次实训系统。

1 水电厂电气二次实训系统的构建

该实训系统可实现数字仿真模拟一次系统与真实物理二次系统的无缝衔接，再现故障场景，其原理如图1所示。系统通过交流采样回路将仿真计算得到的正常运行和事故状态下的电流、电压信号接入保护装置，真实模拟一次系统故障电流、电压信号的动态特性，并实时采集经开关量信号转换装置返回的断路器位置状态，实现发电厂一次、二次系统全过程闭环仿真。接下来对二次实训系统的关键环节进行介绍。

图1 水电厂电气二次实训系统

1.1 电磁暂态仿真计算

当电网发生故障或开关的分合时，各元件中电场、磁场以及相应的电压和电流将发生动态变化，产生复杂的电磁暂态过程。在实训系统中，仿真软件的图形化建模平台可根据真实一次系统拓扑、元件参数搭建一次系统图，并在任意点设置各类型故障，仿真计算环节便可读取软件中的模型参数，从而进行电磁暂态仿真计算。电磁暂态仿真计算基于H.W.Dommel教授提出的算法，在电力系统元件的处理中，应用隐式梯形积分法将微分方程化为离散化差分方程，在任意时刻，得到由一系列等值电阻和等值电流源构成的诺顿等效电路形式的暂态等值计算电路。以该暂态等值计算电路为基础得到节点导纳矩阵，形成节点方程，如公式（1）所示。

式中：()为当前时刻由暂态等值电路的纯电阻部分形成的节点导纳矩阵；()为时刻各节点电压组成的列向量；()为时刻各节点注入电流组成的列向量。

（）的值满足公式（2）。

式中：（-Δ）为电流源历史项列向量，其意义为当前时刻暂态等值电路在诺顿等效形式下与该节点相连的等值电流源列向量的值，由（-2Δ）、-Δ时刻的节点电压和节点导纳矩阵计算得到；（）为当前时刻的外施电流源。

因此，节点方程如公式（3）所示。

根据节点方程，对对称的节点导纳矩阵进行三角分解，通过前代和回代运算求解时刻的各节点电压（）和支路电流，并计算得到新的诺顿等效电流源历史项列向量（），再进一步求解+Δ时刻的节点方程（+Δ）（+Δ）=（）+（+Δ），得到新的节点电压U（t+Δt）和支路电流。如此反复，以固定的仿真步长向前在每一个步长点对系统进行求解。如果在仿真过程中系统发生了故障或开关的跳合闸，那么必须修正节点导纳矩阵并重新进行三角分解。

在电磁暂态计算中，电机采用经典派克方程描述的微分方程，其数值求解仍可采用梯形法。由于电机是在d-q旋转坐标系下进行计算的，而网络则是在A、B、C三相静止坐标系下进行计算的，因此电磁暂态仿真计算采用机网接口对相应的端口交换量进行坐标系转换。

1.2 模拟量信号转换和模拟电压/电流互感器

模拟量信号转换和模拟电压、电流互感器具有数/模转换以及电压、电流输出功能，可将仿真的数值量结果转换成交流模拟量输出，是沟通仿真主机与真实二次装置的接口。在仿真主机中可根据自动化设备的具体情况设置电压、电流通道数以及电压、电流放大倍数等，仿真计算输出的数字信号通过模拟量信号转换装置和电压电流互感器模拟装置进行D/A转换和功率放大，从而产生可直接接入真实二次装置的信号，进而模拟实际生产过程中电压、电流互感器二次侧接入继电保护装置的场景。在每步长结束后，各信号输出量由仿真主机的实时进程控制系统同步控制，从而保证输出信号的实时性以及数字一次系统和物理二次系统的无缝对接。

1.3 开关量信号转换

开关量信号转换装置用于系统与二次真实设备开关量的交换，通过将继电保护的跳闸命令或断路器的开关位置返回仿真主机来完成图1中二次实训系统的闭环仿真。该装置配置若干I/O信号模块，各信号转换模块的输入、输出由仿真主机同步控制。开关量输入信号均采用光电耦合输入，开关量输出信号采用继电器输出。

2 实训系统的应用

该文提出的水电厂电气二次实训系统在大渡河瀑布沟水电厂实训基地进行了实践应用。该水电厂拥有6台额定电压为27 kV、单机容量为600 MVA的发电机组。该二次实训系统根据发电机实际参数建立仿真模型。

2.1 实训系统的组成

为提高该实训系统的应用性，结合该电站一次设备布置及继电保护配置情况，一次设备的模拟采用数字仿真技术来实现，二次侧采用与现场相同的物理装置，实现了物理仿真与数字仿真的有机结合以及数字电网与真实物理设备的无缝对接。二次实训系统仿真首先面向保护设备进行划分，即分为发电机保护、主变压器保护、出线保护、母线保护以及断路器保护，每元件的保护各由一套组成，建立了“一机、一变、一线路、双母线”的保护配置方案。各元件的保护根据应用情况，将动作出口命令返回仿真主机，并在各元件的保护之间实现屏间电气联动，更加真实地模拟水电站在实际运行中保护装置的运行情况。

2.2 实训系统的应用举例

在实训过程中，教员在仿真软件中触发发电机各类故障并进行仿真计算。通过实训系统的模拟电压/电流互感器装置输出计算得到的事故状态下的电流、电压信号，经交流采样回路接入现场真实保护装置，触发保护动作。以下展示实训教员通过仿真触发发电机典型故障后，二次实训系统的实训效果。

用实训系统模拟发电机定子A相两个并联分支绕组间发生匝间短路故障。由于短路造成A相并联绕组电势不再相等，A相两并联绕组之间出现环流，根据发电机继电保护的接线和保护原理，该环流会导致单元件横差动保护、裂相横差动保护以及不完全纵差动保护均因出现差流而动作。从触发故障后实训系统中保护装置的报文来看，报文显示0 ms保护启动，30 ms发电机横差动保护动作，44 ms发电机裂相差动保护动作，50 ms发电机不完全差动1保护动作，跳灭磁开关、跳GCB开关，证明仿真的发电机故障成功触发了保护的正确动作。现场录波装置记录的波形如图2所示。由图2可知，在故障（0 ms）前，各相中性点两分支的电流相位和幅值几乎相等，A相短路后，由于A相两绕组中出现环流，因此A相分支1、2的电流瞬时值大小相等、方向相反且幅值增大。在保护跳断路器开关后，B相、C相电流变为0 A，而A相有环流的存在，断路器断开约230 ms后，绕组电流降为0，由此可知真实保护的跳闸信号引发断路器动作后，开关位置成功返回仿真。该录波图符合真实故障状态下定子匝间短路故障录波的特点，并且进一步证明了二次实训系统故障再现的完整性和有效性。

图2 定子绕组匝间短路录波图

用实训系统模拟发电机失磁状态，现场保护装置报文显示0 ms保护启动，999 ms失磁保护III段动作，跳灭磁开关、跳高压侧、关主汽门、跳厂变A分支、跳厂变B分支、启动A分支快切、启动B分支快切、解除失灵电压闭锁并启动断路器失灵。该结果说明二次实训系统正确触发了保护动作。现场录波装置采集得到的波形经录波分析软件生成的发电机失磁机端阻抗变化轨迹如图3所示。图3中横坐标为阻抗的电阻，单位为标幺值（p.u）,纵坐标为阻抗的电抗，单位为标幺值（p.u）。在发电机失磁后，电磁转矩小于原动机转矩，导致转子加速，功角δ增加。在失去同步前，机端阻抗轨迹大致沿等有功功率圆移动，且发电机从系统吸收大量的无功功率，以建立机组的励磁，轨迹由第一象限移动至第四象限。功角增加至超过静稳极限后，发电机与系统失去同步，机端测量阻抗轨迹逐渐进入静稳阻抗圆（也称为临界阻抗圆）范围，表明发电机由同步转入异步运行。在异步运行阶段，发电机继续吸收无功功率，轨迹落入失磁保护的异步阻抗圆范围内，触发保护动作。

图3 发电机失磁机端阻抗变化轨迹

3 实训系统的效果

3.1 对职工培训效果的提升

为了提高该实训系统的应用性，该文结合该电站一次设备布置及继电保护配置情况，构建了基于数字物理混合仿真技术的水电厂继电保护实训系统。该系统在职工技能培训方面发挥了重要作用，电站利用该系统开展技能培训，让职工在仿真设备上开展实操演练，模拟实际故障处理。与传统理论培训相比，仿真实操培训大大提升了培训的实用性和针对性，也提升了职工技能培训的效果。

3.2 职工技能比武的平台

该电站以二次实训系统为依托搭建职工技能比武平台，组织职工利用该系统开展技能比武，与传统的纸质答题或者线上考试相比，该系统可以进行仿真比武，与现场实际设备操作保持一致。该电站在比武中设置运行操作或故障处理等题目均能在实训系统中得到实现，大大提升了技能比武的实操性和针对性。

4 结语

该文基于当前发电侧继电保护专业实训的不足，构建了一种基于数字物理混合仿真技术的水电厂电气二次实训系统，并在实训中进行了实践。由仿真触发一次系统故障而得到的二次实训系统保护动作报文和装置录波结果与真实电力系统中发电机发生各类故障的特性吻合，由此证明二次实训系统的仿真计算以及故障电压、电流输出环节的准确性，可以满足二次实训的功能需求。应用效果表明，基于数字物理混合仿真的实训方式可精确再现电厂故障，增加了专业人员实操演练的机会，比传统的实训方式具有更明显的优势。