数字化变电站的保护装置测试

1、收稿日期:2008207207基金项目:湖南省教育厅科技项目(08C787作者简介:王晓芳(1965-,女,硕士,副教授,主要从事电力系统及其自动化方面的教学与研究.通讯作者:王晓芳,女,硕士,副教授;E 2mail:wxf6543yahoo 第23卷第3期2008年9月电力科学与技术学报JO URNAL O F E I ECTR I C P OW ER SC I ENCE AN D TECHN OLO G YVol .23No .3Sep.2008数字化变电站的保护装置测试王晓芳1,向前2,李付亮3(1.邵阳学院电气工程系,湖南邵阳422000; 2.北京博电新力电力系统仪器有限公司,北京1

2、00098;3.湖南水利水电职业技术学院,湖南长沙410131摘要:数字化变电站的继电保护装置输入电子互感器的数字信号,需要新型的继电保护测试技术和仪器.介绍了数字化变电站,设计了一种新型的数字继电保护测试仪,实现了110k V 变电站保护装置的测试,为数字化变电站的保护装置现场调试提供了范例.关键词:电子式互感器;继电保护测试仪;数字化变电站;保护装置中图分类号:T M 61;TK 01文献标识码:A 文章编号:167329140(20080320079205Protecti ve dev i ces test for d i g ita l substa ti on sWANG Xiao

3、2fang 1,X I A NG Q ian 2,L I Fu 2liang3(1.Depart m ent of Electrical Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China;2.Beijing Bodian 2Xinli Power System I nstrument L i m ited Company,Beijing 100098,China;3.Hunan Hydr oelectric Occupati onal College,Changsha 410131,China Abstract:Pr otective

4、Devices input digital signals fr om electr onic transf or mers in digital substati ons .Itneed ne w p r otective relay test technol ogies and instruments .The digital substati on is intr oduced in the pa 2per;a ne w instrument for p r otective relay test is designed,and the p r otecti on devices is

5、tested in a 110kV substati on as an exa mp le of p r otective devices test f or digital substati ons .Key words:electr onic transf or mer;p r otecti on relay test instru ment;digital substati on;p r otective device新型电子式互感器的出现及其在工程中的应用,不仅促进了高压电器设备的一体化集成技术的发展,实现电气设备紧凑化、模块化和智能化,而且为继电保护和控制等二次设备发展带来了新的变革

6、,促进了变电站内过程层的数字化和过程总线网络化的发展,使测量、保护、控制、监测等不同功能实现信息共享.同时,也带来了保护和智能设备测试手段的显著变化.1电子式电流/电压互感器电流(压互感器是电力系统中的重要辅助设备,是联系一次设备和二次设备的必要环节.在不同电压等级下将大电流高电压线性变换成适合于计量、保护、监测仪表使用的电流(压信号,并实现高压设备和二次设备之间的电气隔离,保证人员和设备的安全1.传统的CT,PT采用电磁感应原理制成,基本部件包括铁芯、铜导线、变压器油、绝缘材料等.不易损坏,基本不需维护,可靠性高.但多年的使用经验表明,其存在的问题也是显而易见的2.1电压等级越高,短路电流越

7、大,为解决绝缘和传变特性,必然是体积增大,设备变得更加笨重,安装运输不便3.2暂态传变特性差,高压系统中要求保护动作速度快,改善暂态传变特性需增加投资.3CT二次侧输出对负载有严格要求,超高压变电站占地面积大,从开关场到控制室的二次电缆可达200m,为保证传变精度,增加电缆截面也不一定能解决问题.4传变大电流会造成铁芯饱和,成为差动类保护误动作的主要原因.5CT二次不能开路,否则会产生数千伏的高压,危及人身设备的安全.目前基于Rogowski线圈的电子式电流互感器和电阻分压、阻容分压的电子式电压互感器,先将高电压大电流变换成小电压信号,就近经A/D变换成数字信号后通过光缆送出给接收端.这种类型

8、的有源式传感器由于技术较为成熟已经开始在国内挂网运行4.ECT,EPT的优点主要有:体积小、重量轻,电压高时更是如此.便于和数字设备连接,具有完备的自检功能.绝缘性能好,造价低.不含铁芯,消除了磁饱和、铁磁谐振等问题.暂态特性好,测量精度高.频率响应范围宽.2过程总线与I EC61850I EC61850规约是在美国的UCA2.0标准上发展起来的,以UCA2.0为基准来工作.目的是支持多个厂家的I ED,使它们之间具有互用性、互操作能力,在变电站局域网的范围内实现控制数据的无缝连接.I EC61850的特点如下所述5.1分层.将变电站划分为变电站层、间隔层、过程层,每个物理设备由服务器和应用组

9、成,他们的数据库也是分层的.2采用了抽象通信服务接口(ACSI的概念,它与具体的网络独立.I EC61850根据电力生产的特点和要求,归纳出电力系统所需要的信息传输要求,抽象通信服务接口.这样,网络技术的发展,通过映射,就可以替换掉.抽象接口脱离目前已有的通信协议,可以更适用于将来技术进步的情况.3采用了面向对象的信息自我描述方法.过程层的典型设备有远方I/O、智能传感器和执行器,主要完成开关量和模拟量的采集以及控制命令的发送与一次设备相关的功能.按照I EC61850的发展观点,变电站各个层次之间的联系都将建立在串行通信的基础上,过程层与间隔层之间基于交换式以太网的串行通信方式在标准中称为过

10、程总线通信,间隔层与变电站层之间串行通信方式称为站级总线通信.3数字化变电站采用的系统结构目前数字化变电站大多采用61850-9-1的系统结构,分为站控层、间隔层和过程层3层,如图1所示 .图161850-9-1的系统结构F i gure1Syste m structure of61850-9-1站控层设备组屏安装,站控层采用单以太网,通信管理机实现双机热备用自动切换;间隔层测控单元具有遥测、遥信、遥控(调等功能,完成对全站设备的保护、测量和控制,安装在各间隔单元;过程层由光电电流电压互感器和合并器等组成,完成对数字信号的采集、合并、处理后以光信号方式对外提08电力科学与技术学报2008年9月

11、供数据.智能设备直接通过程层总线与间隔层设备交互信息,非智能设备就地配置智能终端,智能终端接入过程层总线.所有信息经微机汇控单元,发送至远方控制端以实现远方控制端对本变电所的远方监控,所内留有当地监控接口.各单元或系统间采用光缆传输方式互联.4数字化保护测试仪介绍电子式电压和电流互感器的使用带来保护测试的改变表现在如下几方面.1传统保护、仪器仪表的输入是电压和电流的模拟量.而光数字接口的数字保护其输入的信号是光数字信号.2信号传输方式变化.I EC 根据基于数字光电电气量测、智能开关设备和数字保护及通信的变电站全数字自动化系统的预期发展,拟定了变电站内的开放式通信系统标准,即I EC 6185

12、0系列标准.在变电站自动化系统中,量测、控制和保护的数据和信息传送均通过过程总线,自动化系统中站控和过程总线均采用以太网进行通信.为了对保护设备进行测试,我们应用了一种新型的测试仪器.这种测试仪具有光以太网接口,能通过以太网发送符合I EC 61850协议的数据桢到保护装置或者其它的仪器仪表中.每一桢包含有电流和电压的采样值.同时,它能够接收保护动作的硬接点信号,实现保护的测试.测试仪的硬件由4部分构成:上位机(PC 、中央处理单元、数据处理单元和开关量输入输出单元.内部结构如图2所示 .图2数字测试仪硬件结构F i gure 2Hard ware structure of digital t

13、ester中央处理器实现将采样数据按照I EC61850-9-1协议逐点打包和发送,并通过US B 口和串口与上位机进行数据交换,通过数据总线与数据处理单元进行数据交换.数据处理单元通过接收上位机下传的数据和指令进行采样数据的实时计算.并根据其获得的开关量信号,与PC 机一同实现保护测试流程的控制.开关量单元完成开入量和开出量的采集和转换.测试仪的软件由上位机程序、数据处理和通讯程序、测试流程控制和数据计算程序等3部分构成.上位机软件负责测试仪的图形用户界面、电力系统稳态故障计算以及试验过程控制.基于数据库的上位机软件为用户提供了一整套功能强大的测试模块,能够使用户方便快捷地完成各种复杂的继电

14、保护试验.测试仪上电后,DSP 在得到PC 机下载的测试程序后,开始运行,并从外部Flash 中得到有关测试仪的一些配置信息.在得到PC 的试验命令后开始试验,DSP 实时计算出8路通道的输出量,并将其放在HP I 内存中,然后将连接在ARM 外部中断的I/0口置位,启动AR M 外部中断信号.中央处理单元(MCU 要做的是完成与PC 机之间通过US B 和与DSP 之间通过HP I 的数据通信,协议栈软件也在MCU 中运行.数字测试仪协议栈软件流程如图3所示 .图3数字测试仪协议栈软件框图F i gure 3Fl ow chart of p r ot ocol stack digital t

15、ester18第23卷第3期王晓芳,等:数字化变电站的保护装置测试协议栈软件的主要功能是将测试数据按I EC61850-9-1协议组帧,最后以光纤以太网的模式输出到被测数字设备上,由于协议栈软件功能相对独立,装置上电后,AR M经过一个内存的重映射过程,将程序映射到快速S DRAM上运行.经过初始化以后,进入外部中断等待状态,如果有快速中断响应,立即进入协议栈中断服务程序,从外部RAM存储器中读取八路信号量,进行数据组帧和发送.通过读、写中断响应AR M将实现PC与DSP之间的数据传输.5现场测试使用数字化测试仪对某110k V变电站的所有保护进行了测试.该变电站变压器主保护采用带二次谐波制动

16、的差动保护,后备保护采用复合电压闭锁过流保护;馈线保护由过流保护、低周减载和低压减载保护组成.试验之前,根据被测保护的定义,首先在测试仪应用软件上对采样率、AS DU的数目、通道、最大输出电压和输出电流的倍数等参数进行配置.不同厂家的保护装置及不同的工程应用这些参数会有变化,必须正确配置,否则将不能得到正确的测试结果.然后,通过US B接口将测试仪连接到PC机上,通过光口将测试仪的输出信号传送到被测保护装置,使用测试线将保护动作信号连接到测试仪的开入端子上.最后,在PC上启动应用软件开始保护的测试.下面以差动保护的测试为例对试验过程进行描述.测试仪软件中差动测试模块提供了实现对变压器差动保护的

17、测试功能,并根据保护装置有关高中低三侧电流的定义对AS DU进行了配置.试验步骤如下.1设置差动保护定值.差动定值包含有变压器高、低压侧的平衡系数、启动电流、速断电流、拐点电流、比率制动系数、变压器接线型式和制动方程.而启动电流、速断电流、拐点电流和比率制动系数构成了差动保护的比率制动特性曲线,如图4所示.2设置差动保护通用试验参数.CT二次接线.测试模块提供了全星形接线和传统接线2种.当由微机保护的软件处理变压器图4比例制动特性曲线F i gure4Characteristic curve of braking rati o转角(内转角时选择前一种型式.否则,使用后一种接线型式.这里选择全星

18、型接线.转角方式.模块提供了低压侧转角和高压侧转角2种,将各侧不同的电流值折算成作用相同的电流.选择以高压侧电流为基准,将低压侧电流折算到高压侧.平衡系数的计算.变压器接线为Y/-11,各侧的额定电压及差动CT的变比分别为U1,N1,U2,N2.各侧流入差动保护的电流分别为I1=S n3U1N1;(1I2=S n3U2N2.(2式中Sn为变压器额定容量.以变压器高压侧为基准,将低压侧电流折算到高压侧的平衡系数是:K=U1N1U2N2.(33添加测试点.添加启动、速断、比率系数等测试点.4接线.通过光纤将保护的电流输入光口,接到测试仪相应的光口上.保护装置的跳闸接点通过测试线连接到测试仪的开关量

19、输入端A,B,C,D,E,F,G,H任意一对端子上.28电力科学与技术学报2008年9月5执行测试.按“F2”或鼠标点击“开始”按钮联机输出.试验开始后测试仪通过以太网发送符合I EC61850-9-1协议的数据桢到保护装置.每一桢数据包含高低压侧六路电流值.保护跳闸信号通过测试仪的开入量输入到测试仪中.测试仪通过改变电流值的幅值对保护进行测试.测试结束后得到比率制动系数、启动电流、速断电流和动作时间等结果,并将试验结果记录在试验报告中,完成保护试验.软件测试界面如图5所示 .图5测试软件界面F i gure 5Ttest s oft w are interface6结论随着电子式互感器及I

20、EC61850通讯协议的推广和运用,智能化的一次设备和二次电子装置之间要实现数字化通信,变电站内智能装置的数量将急剧增加,现场需要数字保护的测试工具.本文研制和应用的新型测试仪为数字保护的测试提供了先进手段,应用的测试方案为数字化变电站保护装置的现场调试提供了理论和试验依据.参考文献:1曾祥君,刘正谊,屈明志,等.互感器暂态行波传输特性仿真分析与实验测试J .长沙理工大学(自然科学版,2004,1(1:71275.ZENG Xiang 2jun,L I U Zheng 2yi,QU M ing 2zhi,et al .Si m ulative a 2nalysis and experi m e

21、ntal test of the trans m issi on characteristics of transient traveling 2wave in transfor merJ .Journal of Changsha Uni 2versity of Science and Technol ogy (Natural Science ,2004,1(1:71275.2赵玉富,陈卓亚,郭洪.电子式互感器J .电测与仪表,2006,43(6:28231.ZHAO Yu 2fu,CHENG Zuo 2ya,G UO Hong .Electr onic Transfor mer J .Electrical Measure ment and I nstrumentati on .2006,43(6:28231.3徐玉琴,刘丽花,张丽.超(特高压输电线路差动保护电