数字化变电站继电保护测试技术的分析研究.pdf

第4 O 卷 第 3期 2 0 1 2年2月 1日 电 力 系统 保护 与控制 P o we r S y s t e m P r o t e ct io n a n d Co n t r o l VO 1 4 0 NO 3 F e b 1 ， 2 0 1 2 数字化变电站继电保护测试技术的分析研究 李先姝 ，黄家栋 ，唐宝锋 (1 。 华北电力大学，河北保定0 7 1 0 0 3 ；2 河北省 电力研究院，河北石家庄0 5 0 0 2 1 ) 摘要：随着 I E C 6 1 8 5 0 标准的实施和数字化变电站技术的逐步推广，数字化保护无论在硬件结构还是实现方式上都有明显的 变化，这给传统继电保护测试技术带来了新的课题。研制的基于 I E C 6 1 8 5 0 标准的测试平台可实现对数字化继电保护装置的 实时闭环测试。通过建立电力系统的一次模型，经过精密的暂态计算，将计算数据按 I E C 6 1 8 5 0 标准输出至实际的数字化保 护装置，进行性能测试。试验结果表明，该平台可以提供满足数字化保护所需要的二次特征量和测试环境，具有重要的实用 价值 关键词：数字化变电站；I E C 6 1 8 5 0 ；测试技术；继电保护；数字仿真 Re s e ar ch on t e s t in g t e chno l o g y o f r e l a y pr o t e ct io n f or d igit a l s ubs t a t io n LI Xia n - me i ， HUANG J i a - d o n g ， T ANG Ba o - f e n g ( 1 No r t h Ch in a E l e ct r ic P o we r Un iv e r s i t y , Ba o d in g 0 7 1 0 0 3 ， C h i n a ； 2 H e b e i E l e ct r ic P o we r R e s e a r ch I n s t i t u t e ， S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 2 1 ， C h i n a ) Ab s t r a ct ：W i t h t h e imp l e me n t a t i o n o f I EC 6 1 8 5 0 s t a n d ard a n d the d e v e l o p me n t o f the d i g i t a l s u b s t a t i o n t e ch n o l o g y ，d i g i tal p r o t e ct i o n h a s t a k e n s ig n i fi cant ch a n g e s i n t h e h ard ware a r ch it e ct u r e a n d im p l e m e n t a t i o n me t h o d ， wh ich h a s b r o u g h t n e w s u b j e ct s t o p r o t e ct io n t e s t A n e w t e s t i n g p l a t f o r m b a s e d o n I EC 6 1 8 5 0 is d e v e l o p e d ，wh i ch C an ca r r y o u t the r e a l - t ime cl o s e d l o o p t e s t s f o r p r o t e ct i o n d e v ice s By e s t a b l i s h in g the mo d e l o f p o we r s y s t e m， t h r o u g h p r e ci s e tr an s ie n t ca l cu l a t i o n ， the ca l cu l a t e d d a t a a cco r d i n g t o I EC6 1 8 5 0 s t a n d ard wi l l b e s e n t t o the a ct u a l d ig i tal p r o t e ct io n d e v i ce s f o r p e r f o r man ce t e s t T h e t e s t i n g r e s u l t s v e r i f y t h a t the p l a t f o rm ca n p r o v id e the n e ce s s a r y s e co n d a r y ch ara ct e r i s t i cs a n d t e s t e n v i r o n me n t for d ig i t a l p r o t e ct i o n s ， an d i t h a s g r e a t a p pl i ca t i o n v a l u e Ke y wo r d s ： d i g i tal s u b s t a t i o n ； I E C6 1 8 5 0 ； t e s t in g t e ch n o l o g y ； r e l a y p r o t e ct io n ； d i g i tal s imu l a t i o n 中图分类号： T M7 7 文献标识码：A 文章编号： 1 6 7 4 3 4 1 5 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 1 0 5 - 0 4 O 引言 随着 I E C 6 1 8 5 0规约的推广和智能电气设备的 发展 ，特别是智能断路器 、电子式互感器的出现， 变 电站 自动化 技术进入 了数字化 的新 阶段 。符合 I E C 6 1 8 5 0标准的数字化保护装置与传统的继 电保 护装置在结构上有着很大的区别，传统的测试技术 已经不再适用，数字化变电站保护设备的测试项 目、 测试方法、测试手段等有 了较大的改变 。 数字化保护测试仪只 能进行单装置静态开环 测试，根据测试需要生成一系列稳定的数据，对数 字保护装置的性能进行评估。利用支持 1 E C 6 1 8 5 0 标准的通信管理机来测试保护装置的通信功能 ，利 用数字化继 电保护测试仪来测试保护装置的动作逻 辑等传统的保护功能。通信和保护测试之间是孤立 的，测试存在着接线复杂、测试效率低 、测试人员 工作量大等问题。 本文讨论了数字保护与传统保护在测试方面的 区别 ，分析了数字化继 电保护对测试系统的要求， 继而搭建 了基于 I E C6 1 8 5 0规约的数字保护测试平 台。通过建立变电站一次系统的模型，进行高精度 的电磁仿真计算，将计算结果按照符合 I E C 6 1 8 5 0 标准的形式输 出到实际的数字保护装置，可以进行 数字化变 电站二次设备性能的实时闭环测试 。 1 数字化保护与传统保护的差别 1 1硬件差别 典型的微机保护主要包括以下几个部分：模拟 量输入接口单元、开关量输入输出接口、数据处理 单元、人机接口、通信接口等。 数字化保护的数据直接来自 E C T E V T的数字 信号，所以与以往的传统保护不 同。其主要包括 以 一 1 0 6 - 电力 系统保护与控制 下几个部分：光接 口单元、中央处理单元、开入单 元、开出单元、人机接 口和通信接 口 1 1 。 1 2信号传输方式不同 常规综自 站的一次设备采集模拟量，通过电缆 将模拟信号传输到保护装置，装置进行模数转换后 进行数据处理，然后通过网线将数字量传至后台监 控系统。同时监控系统和测控保护装置对一次设备 的控制也是通过电缆传输模拟信号实现的。 在 I E C 6 1 8 5 0规约中，过程层的光电互感器将 采样值经过内部转换后通过光纤传输至合并单元， 合并单元将各路光 电互感器传送进来的二次侧数据 汇总后打上时间标签传送至过程总线，保护等智能 电子装置从过程总线上获取采样和控制信息。跳闸 信号的传输则由光纤以太 网取代原来的电缆硬接线 方式 2 。 基于 I E C 6 1 8 5 0规约的数字化保护设备之间信 息的传递全部网络化，原来 电缆接线的测试方法 已 经不再使用。因此 ，有必要开发新的测试系统，能 够对变 电站继 电保护装置的基本功能进 行闭环测 试 。这样 ，可 以反映电力系统的真实情况，对网络 负荷情况、装置接口是否正常工作、保护动作时延 等相关因素进行分析。 2 对数字化保护测试系统的要求 2 1通用性 目前合 并单元采样数据支持 I E C 6 0 0 4 4 7 8 、 I E C 6 1 8 5 0 9 1 2等通信标准。I E C 6 0 0 4 4 7 8标准的 接口为串口， 采样值报文传输遵循 F T 3 帧格式， 采 用点对点传输，传输速率为 2 5 Mb it s ；I E C 6 1 8 5 0 则采用 以太网接 口，支持 网络传输，传输速率为 1 0 Mb it s 、1 0 0 Mb it s甚至更高。其 中 I E C 6 1 8 5 0 9 1 定义的通信接口是串行单向点对点传输，是一种过 渡方案 ；I E C 6 1 8 5 0 9 2采用 网络传输，真正实现了 采样值数据资源的共享，是今后数字化变电站发展 的方 向L 3 。 4 】 。测试系统要能够输出不同形式 的报文， 满足使用不同形式规约设备的测试要求。 2 2实时性 整个测试系统包含 电磁暂态仿真计算、采样值 数据打包、G O O S E报文发送及解析等环节，各个 通信接 口处理时间的长短将直接影响到保护装置的 动作时间，必须保证有足够快的速度，才能满足闭 环仿真测试系统的实时性要求。 2 3同步性 组成测试系统的各个单体光数字转换装置、数 字保护设备等之间信号的传输必须满足同步性的要 求。提供的电压、电流数据是保护动作判据所需要 的信息，必须保证采样数据是在同一个采样点上获 得 的，以避免相位和幅值产生误差，导致保护装置 误动作，带来严重后果。 2 4测试规模 要进行数字化变电站二次系统整体性能测试 ， 测试系统需要外接多个数字保护装置，保证有足够 的信号输入输出通道。仿真装置 目前实现了 6组 电 流及 6 组电压及 1 2 路开关量的仿真规模， 可以构建 出简单 的数字化变电站二次系统 ，进行整体性能的 实时闭环测试。 3 新型数字化保护测试系统的构建 3 1硬件平台的构建 测 试 平 台 以 电 力 系 统 全 数 字 仿 真 装 置 ( ADP S S )为核心 设备 ，研发 了光数据转换接 口 P WF 2 T ( 带模数转换单元) ，可以将 AD P S S输出 的1 0 V 弱电压信号转换为符合 I E C 6 0 0 4 4 7 8 、 I E C6 1 8 5 0 9 1 2规约的报文，并通过光纤传送到待 测数字继 电保护设备中；同时，P WF 2 T 可 以接收 数字继电保护设备发出的 G OOS E动作信号并解析 为开关模拟量信号， 并反馈至 A D P S S ， 以此形成光 数字继电保护装置的闭环测试系统。测试平台示意 图如图 1 所示 。 继 电保护装嚣 测控 装置 网络交换机 图 1数字化保护测试平台示意图 F ig 1 T e s t in g p l a t f o r m o f d i g i t a l p r o t e ct i o n 该仿真装置基于高性 能机群服务器 ，利用机群 的多节点结构和高速本地通信 网络 ，采用网络并行 计算机技术对计算任务进行分解，并对仿真过程进 行实时和 同步控制 ， 实现大规模 ( 1 0 0 0台机、 1 0 0 0 0 条母线)复杂交直流电力系统的机 电暂态实时仿真 和机电一电磁暂态混合实时仿真以及外接物理装置 试验5 】 o 通过构建完整 的二次系统网络 ，可 以实现所有 二次设备的互联，并在不同系统运行方式下进行检 验，测试结果全面、客观、准确，较之以前具有明 显的优势，有效降低了保护误动作的可能。 为了更真实地反映数字化变 电站的实际情况， 还配置 了常规采样合并单元 、智能操作箱、光交换 机、G P S时钟同步装置等设备，逐步建成一个模拟 李先妹，等 数字化变 电站继电保护测试技术的分析研究 1 0 7 的数字化站。 3 2测试模型 A DP S S的核心软件基于成熟的商用软件“ 电力 系统分析综合程序”( P s AS P) ，具有很高的可靠性 和可信度。 利用 P S A S P软件建立被测电力系统的电 磁模型 ，输入各种参数 ，进行高精度的电磁暂态实 时仿真计算，可 以完成对电力系统各种运行方式和 故障类型的模拟 。可以在建立的电磁模型上 自由设 置故障点位置、类型、持续时间等参数 ，并可以设 置复合故障，以检验保护装置在复杂故障时的动作 行为是否正确。 根据 DL T 8 7 1 2 0 0 4 电力系统继电保护产 品动 模试验的相关要求 ， 针对光纤差动线路保护装置 ， 建立相关的电磁模型。图 2为 7 5 0 k V、5 0 0 k V和 2 2 0 k V长距离线路 电磁仿真模型。 图 2 7 5 0k V、5 0 0k V和 2 2 0k V长距离线路模拟接线方案 F ig 2 S imu l a t io n wir in g s ch e me s o f 7 5 0 k V , 5 0 0 k V a n d 2 2 0 k V l o n g l in e s 4 测试结果 该测试平 台建成后，为检验该平台是否达到了 预期的设定的要求，进行了大量的试验。具体包括 平台组成设备单机性能测试、整体通信情况测试以 及输出报文的测试等。通过电磁暂态仿真输出数据 与数字录波器记录的波形数据的对 比表明，该测试 系统采样值精确可靠，实时性较好，达到了预期设 定的各项 目标，可 以满足对数字化变电站继电保护 等二次设备的闭环测试要求。 4 1实时性测试 光数字转换装置 P WF 2 T模拟电子式互感器+ 合 并单元的数字量输出。 合并单元的电流、电压采样数 据对实时性和同步性要求很严格。 从硬件角度， 光数 字转换接口P WF 2 T的开关量采样频率为 1 0 k H z ， 时间分辨率为1 0 0 u s ； 模拟量采样频率为5 0 k H z ， 采 样精度为 l 6 b i t 。其A D转换芯片采用 T 1 公司推出 的裔眭能转换芯片，转换速率达到 2 5 0 k S P S( k i l o s a m p le p e r s e co n d )( 注：转换速率是指完成一次模拟 转换到数字 的 A D 转换所需时间的倒数1 ，2 5 0 k S P S 即代表一次A D转换所需时间仅为4 s 。 从实验结果 来看，仿真总时间设置为 6 0 S ，根据录波器记录波形 的时间也为 6 0 s ，周期为 2 0 ms ，也验证了仿真平台 的实时性。 4 2同步性测试 采用 G P S时钟同步装置 R CS 9 7 8 5 C给光数字 转换装置 P WF 2 T 、数字保护装置等发送 同步脉冲 信号，具体的同步信号连接关系如图 3所示。 从对 由图 2构成的线路差动保护在稳态或者区 外故障时的实验结果看， 线路差动电流为零。由此， 验证 了不同的数据通道的数据输出满足同步性的要 求 。 图3同步信号连接关系示意图 F ig 3 Co n n e ct io n r e l a t io n s o f s y n ch r o n iz in g s ig n a l s 4 3整体测试 现仅简单介绍利用该测试平台对某超高压线路 光纤差动保护装置的动作性 能进行实 际测试的情 况。为了全面考核保护装置的动作情况，设置各种 情况下的故障【 6 J ：保护区内外金属性故障、经过渡 电阻短路 、转换性故障、系统震荡和频率偏移、C T 及 P T 断线、时钟源和同步信号发生异常等因素对 保护 的影响。 测试系统采用的数字式录波器接收功率放大器 提供 的电流电压模拟量，同时接收保护装置的动作 时间信号。典型的录波图如图 4 、图 5所示。 图 4为系统稳定破坏后，全相发生震荡，频率 为 2 5 Hz ，A相纵差保护动作、接地距离 I 段动作， 经 1 7 7 ms 跳 A相，3 9 6 ms 后重合闸动作 。 图 5为 AC相瞬时性短路故障，工频变化量 、 纵联差动、相间距离 I 段保护动作，1 3 ms 跳三相 ， 不重 合 。 5 结论 为满足基于 I E C 6 1 8 5 0的数字化变电站继电保 护设备的测试需求，本文在分析数字化保护与传统 保护区别的基础上，设计了一种数字化变电站保护 装置的闭环仿真测试系统。该测试系统 以电力系统 全数字实时仿真装置为核心，通过增设转换接口与 1 0 8 电力 系统保护与控制 m 删删 州 胤 帆 删 懒 W 一 删蜊 fIflfl 凇 棒 娴* V I W M 州 州 脚 舯 州 ： M 州 M M 州 蜊 6 腓 j M 4 啪 w m M W n M 图4系统震荡，线路中点 A相短路 F ig 4 S y s t e m s h o ck s ， A- p h a s e s h o r t cir cu it a t t h e l in e mid p o in t 葺i 三三三章手= = = 荨三三三三i 三 三 i尊 稿 面 墨 霰 ： 一 一 ： 一 一 i 图 5出口AC相瞬时性短路故障 Fi g 5 I n s t a n t a n e i t y s h o r t - ci r cu i t o f AC- p h a s e at t h e l i n e o u t l e t 数字化保护设备进行信息交互，可 以完成数字化变 电站二次设备闭环性能测试，同时为数字化变电站 的相关技术研究提供了一种新的试验手段，具有实 用价值 。 参考文献 1 解晓东，汤磊数字化变电站继电保护应用问题研究 J 中国电力教育， 2 0 1 0 ， 2 1 ： 2 6 3 - 2 6 6 XI E Xia o d o n g ， T ANG Le i Re s e a r ch o n the a p p l i ca t io n o f d ig i t a l s u b s t a t i o n r e l a y p r o t e ct io n J C h i n a E l e ct r ic P o we r Ed u ca t i o n ， 2 0 1 0 ， 2 1 ： 2 6 3 - 2 6 6 2 冯硕，黄梅，李晓朋基于 I E C 6 1 8 5 0的光数字继电保 护测试仪的研制 J 】 继电器，2 0 0 8 ， 3 6( 8 ) ：2 3 2 5 ， 4 5 F E NG S h u o ， HUANG M e i， L I Xia o - p e n g De v e l o p me n t o f fi b e r d ig ia t l r e l a y p r o t e ct i o n t e s t e r b ase d o n I E C 6 1 8 5 0 J R e l a y , 2 0 0 8 ， 3 6 ( 8 ) ： 2 3 2 5 ， 4 5 3 赵应兵，周水赋，马朝阳基于 I E C 6 1 8 5 0 9 2的电子 式互感器合并单元的研制 J 电力系统保护与控制， 2 01 0 3 8 ( 6) ： 1 0 4 1 0 6 ZHAO Yi n g - b i n g ， Z HOU S h u i - f u ， MA Z h a o - y a n g Re s e arch a n d ma n u f a ct u r e o f me r g i n g u n it b ase d o n I E C 6 1 8 5 0 - 9 - 2 J P o w e r S y s t e m P r o t e ci o n and C o n t r o l ， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 6 ) ： 1 0 4 1 0 6 4 廖泽友，郭贽，杨恢弘数字化变电站采样值传输规 约的综述与对比分析【 J 】 电力系统保护与控制，2 0 1 0 ， 3 8 ( 4) ： 1 1 3 1 1 8 L I AO Z e - y o u ， GUO Y u n ， YANG Hu i- h o n g Th e s u mma r y