智能电网变电站HIL仿真

摘要随着科学技术的发展，变电站由传统变电站阶段发展到了智能变电站的阶段。近年来，我国大力推进智能变电站的发展，加快智能变电站的建设，智能变电站是如今我国电力系统发展的方向。智能变电站有优良的交流互动性能、“三层两网”的分层结构等的优点，还具有一次设备智能化、二次设备网络化的显著特征。为了对智能变电站进行研究和学习，本文将在智能变电站的理论基础之下，借助开放的HIL仿真系统通过MATLAB的Simulink模块建立智能变电站一次设备及系统模型，根据建立的模型在IEC61850通信协议标准下对变电站保护系统的SCD文件进行修改，完成变电站的自动化配置，实现HIL仿真系统对智能变电站的仿真。再利用开放的HIL仿真系统基于上述变电站模型与二次保护设备进行互通互联，使保护设备在故障时能够动作。关键词：智能变电站；IEC61850；SCD文件；自动化配置HILSimulationandAutomationConfigurationofSmartGridSubstationAbstractWiththedevelopmentofcommunicationtechnologyandscienceandtechnology,thesubstationhasdevelopedfromthetraditionalsubstationstagetotheintelligentsubstationstage.Inrecentyears,Chinahasvigorouslypromotedthedevelopmentofsmartsubstationsandacceleratedtheconstructionofsmartsubstations.SmartsubstationsarethedevelopmentdirectionofChina'spowersystemtoday.SmartsubstationshavetheadvantagesofexcellentACinteractionperformance,a"three-layer,two-network"layeredstructure,andothersignificantfeatures.Theyalsohavethecharacteristicsofintelligentprimaryequipmentandnetworkedsecondaryequipment.Inordertoconductresearchandstudyonsmartsubstations,thisarticlewillbebasedonthetheoreticalbasisofsmartsubstations,withthehelpoftheopenHILsimulationsystem,theprimaryequipmentandsystemmodelofintelligentsubstationsareestablishedthroughMATLABSimulinkmodules,accordingtotheestablishedmodel,theSCDfileofthesubstationprotectionsystemismodifiedundertheIEC61850communicationprotocolstandardtocompletetheautomaticconfigurationofthesubstation,realizethesimulationofintelligentsubstationbyHILsimulationsystem.TheopenHILsimulationsystemisthenusedtointerconnectwiththesecondaryprotectionequipmentbasedontheabovesubstationmodel,sothattheprotectionequipmentcanoperateintheeventofafailure.Keywords:Intelligentsubstation;IEC61850;SCDfile;automaticconfiguration

1绪论 绪论1.1我国变电站的发展历程人类的发展史上，在1882年，自世界上第一个具有实际意义的电力系统建立以来，就有了变电站的存在。变电站作为联系发电厂和用户的中间环节，它起着变换和分配电能的作用。它是电力系统的重要组成部分，它的存在直接影响整个电力系统是否可以保证运行的可靠性、电能质量以及运行的经济性。在变电站一百多年的发展历史中，它在技术、设备配置等方面都有着非常大的变化。从采用常规设备、结构复杂的二次设备的传统变电站到现今进入自动化发展新阶段的智能变电站，主要可以分为四个发展阶段，“传统变电站——综合自动化变电站——数字化变电站——智能变电站”。我国第一阶段的传统变电站，在20世纪80年代以前，全国上下的各项技术以及通信还不算特别的发达，这个时期变电站的工作以及运维以较为简单的人工操作为主。保护装置的组织机构比较简单，它们按照传统的保护布局设置，各个二次设备之间运行也相对独立。进入20世纪80年代以后，随着计算机和网络通信技术的发展，以及微机保护技术的逐渐推广，我国的变电站进入了自动化发展的阶段——综合自动化变电站。综合自动化变电站阶段，将传统的保护装置电路用由微处理器构成的自动装置来替代，提高了装置的可靠性和自身故障自诊断的能力。但是，这一时期综合自动化变电站的设备在运行上仍然相互独立，无法实现装置之间的通信，具有一定资源分享局限性。2005年到2009年期间，随着我国数字化技术的不断发展和IEC61850通信协议标准、智能一次设备在国内的推广应用，标志着我国变电站发展进入数字化时代，这也意味着我国即将叩开智能变电站的大门。2010年，国家电网公司发布了《关于加快推进智能电网建设的意见》，要求在加快电网智能化的建设上能够实现突破。同一年的3月份，“加强智能电网建设”被写入《政府工作报告》，标志着中国电网进入快速发展阶段，意味着我国智能变电站建设的步伐正在加快。智能变电站是如今我国乃至全世界变电站的发展主流，也是国家电网公司提出的“坚强智能电网”的非常核心的一个部分。为此，从2010年开始，我国便大力开展智能变电站的试点工程，截止至2015年底，国家电网公司已建设完成约2800座智能变电站。在一系列的投产建设中，我国现已完成了国家电网公司提出的“四确保一争取”的目标，迈出了“坚强智能电网”重要的一步，为未来基本建成坚强智能电网打下了坚实的基础。1.2电力系统数字仿真技术的发展要进行智能变电站的仿真离不开电力系统的数字仿真技术。至今为止，电力系统数字仿真技术的发展主要可以分为三个发展的阶段，“电力系统动态模拟仿真系统——数模混合式实时仿真系统——全数字实时仿真系统”。“电力系统动态模拟仿真系统”作为最早出现的电力系统数字仿真技术，它出现打破了人们“实践出真知”的理念，对电力系统的测试不再局限于在现实中建立好了完整的电力系统后再进行测试，但这个阶段仿真系统很大的不足就是，“电力系统动态模拟仿真系统”的仿真组件占地空间太大、资金投入大，仿真资源的使用非常的有限，一般一个电力系统仿真只能针对一个电力系统。在第一阶段后，电力系统数字仿真技术有了一定的发展。发展第二阶段的“数模混合式实时仿真系统”，与第一阶段相比不再单纯依赖纯实物元件的仿真，而是采用部分数字元件与实物元件组合进行仿真。第三阶段“全数字实时仿真系统”的出现对电力系统数字仿真技术的发展具有重大的意义。它是数字仿真技术、计算机技术和并行处理技术发展的产物，具有实时性和带被测试设备闭环运行能力的优点。“全数字实时仿真系统”它具有两种应用方式：混合仿真和完全数字仿真。本课题用到的是混合仿真方式，将实时的数字仿真系统继电保护设备结合进行仿真。1.3选题的意义随着我国国力的不断增强和生产力的不断进步，在用电越来越普遍化的社会，人们对电的需求变得越来越多。在追求智能化、经济、低碳环保的今天，智能变电站的发展与建设便变得势在必行。但凡是世间的事物，在发展的过程中必定会有一个不断完善的过程，在不断的模拟操作或者实际操作中选择最佳的方式，并朝着这个方向前进。然而进行实际操作的完善方法对于智能变电站的建设和发展来说不是一个最佳的选择，因为建设一个智能变电站的成本并不低，这时候利用HIL仿真系统进行智能变电站的运行仿真便具有实际的经济意义，利用较少设备成本，构建出具有同样运行效果的“变电站”。变电站的保护系统的出厂集成测试、变电站的运行检测以及变电站的维护都需要变电站HIL实时仿真系统，传统的HIL变电站仿真系统价格昂贵，动辄需要上亿，同时系统封闭，很难将业界的研究成果直接使用在这样的系统上，因此开发开源、开放式的变电站HIL仿真系统，通过开源的平台，使得原来的变电站相关实时仿真的费用大大削减甚至免费，同时业界研究成果可以直接运行在开放系统上，对变电站的建设、运行和维护都提供了新的途径，意义重大。智能变电站仿真系统的自动化配置对完成开放的HIL变电站仿真系统来说是有机组成部分，对实现仿真功能有重要意义。智能变电站在未来进步的空间仍然非常的大，发展的前景也非常好。发展与完善智能变电站相关内容的研究，深入对智能变电站的学习，对我国整个电力系统、以及智能电网的建设和完善都有积极的意义。1.4本文进行的工作本文课题“智能变电站的仿真和自动化配置”要实现的功能是对智能变电站仿真系统进行参数设置和自动化的配置，使一次设备与二次设备之间完成互联互通，进而实现人机系统界面与实时的仿真系统之间的互动。在这个课题中，主要包含了有以下几项工作：（1）学习智能变电站的相关理论知识，了解IEC61850通信协议的内容。（2）在MATLAB的Siumlink仿真模块中构建出220kV变电站一次设备的运行模型，并进行变电站一次设备参数的设置。（3）在SCLConfigurator软件中进行SCD文件的修改、编写，对智能电力装置之间的通信配置和变电站一次系统结构的进行配置，完成电力系统自动化配置。（4）将变电站仿真运行模型与实际的智能保护设备通过光纤模块进行连接，根据运行条件和状态进行保护装置的设置，利用IEC61850的通信协议对变电站通信设备进行标准化，实现一次设备与二次设备之间的互联互通。（5）在变电站一次设备仿真模型中，对模块进行短路故障的设置，使保护装置在故障的时间区间里能够迅速、自动可靠的动作，将故障清除。2智能变电站的仿真运行机理及相关概念2.1智能变电站基本概念变电站的核心功能是变换电压等级和接收、分配电能。智能变电站在具备基础功能上，功能更为完善、运行更为智能化。在国家电网公司发布的《智能变电站技术导则》中对智能变电站有着明确的定义：“智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护和监测等基本功能，并根据需要支持电网实时自动化控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。”。智能变电站可以分为两个部分：智能高压设备和变电站统一信息平台。智能高压设备会在运行方式发生改变时做出相应的调节反应，在故障发生时迅速、可靠的动作。变电站统一信息平台的作用主要有两个：进行系统横向信息的共享使管理系统的上层应用之间获得统一的信息；对系统纵向信息的标准化使其各层应用对其上层应用支撑的透明化。对两个功能进行理解，横向的信息共享而获得统一的信息，即同一层的设备接收到下层设备传递过来的信息是统一、一致的，确保没有差别。系统纵向信息的标准化，即不同层的设备内部协议规约或者其他技术等可以不一致，但是它们可以通过设备与设备之间进行通信的MMS(制造报文规范)接口的标准化，使不同层之间的设备可以无障碍的进行信息交互。通过纵向信息的标准化可以解决不同设备之间因内部复杂的原理结构而不能进行信息传送的问题。按照系统组成结构上划分，智能变电站分为三个层次：过程层、间隔层和站控层，如图2.1所示，为智能变电站的系统逻辑结构图。过程层的设备包括智能一次设备、合并单元和智能终端，主要进行开关量或者模拟量的采集以及控制命令的执行。间隔层由保护装置、测控装置、计量装置等智能电力装置所组成，完成智能变电站设备运行信息的采集、测量和控制等。智能变电站结构最为核心的部分是站控层，它由GPS设备、多个工作站、远动站和五防系统等共同构成，它们一起完成对智能变电站设备和运行状态的实时监控，并能够通过外部系统完成信息交互和数据的共享。在智能变电站的系统结构中，含有2层网络结构：站控层网络和过程层网络，它们对3层设备起到连接作用。通过站控层网络，变电站可以实现站控层设备之间的横向通信和站控层与间隔层之间的纵向通信。过程层网络含有GOOSE网和SV网，利用GOOSE网可以实现间隔层设备之间的横向通信，通过过程层设备与GOOSE网、SV网的配合能够实现纵向通信。这两层网络都采用双重网结构，可以分为A网和B网，A网和B网传送的信息都各不相同，它们将各自收集到的信息传输到对应的设备，使设备获得的信息更具有针对性，同样也提高了信息的利用率。图2.1智能变电站的系统逻辑结构图（一个设备间隔）图2.2传统变电站的系统结构图传统变电站是我国的第一代变电站，智能变电站是不断发展的计算机科学技术与传统变电站相互结合的成果，它们既有相同的部分，也有不一样的部分。传统变电站和智能变电站作为变电站，它们最终实现作用和功能是一样的，都可以进行电压等级的变换和电能的汇集、分配，他们区别仅仅是实现方式上的不一致。根据图2.1和图2.2，将传统的变电站系统结构与智能变电站系统结构相对比，智能变电站与传统变电站的区别在于设备之间的连接方式以及使用设备的不同。智能变电站在过程层和间隔层之间进行信息、运行状态传送的电缆被光纤所取代，与电缆相比，光纤的布线方便，同时也可以提升设备信号传递的速度，提高工作的效率和运行的可靠性。在设备方面，智能变电站采用的是智能一次设备，如电子式互感器、智能变压器、智能断路器等。依据以上的基础概念以及系统结构图，结合本课题的仿真内容以及需要实现的功能等，以下给出本课题仿真的智能变电站系统架构图，如图2.3。图2.3本文智能变电站系统结构图2.2智能变电站的特征智能变电站作为技术不断创新进步和通信发展中的一个产物，在经历了传统阶段、综合自动化阶段、数字化阶段后，形成了独有的一些特征：系统分层分布化。智能变电站根据IEC61850通信协议将变电站分为“三层两网”结构——站控层、间隔层、过程层、站控层网络和过程层网络。这种分层分布化非常利于各层设备之间的集中管理，同一上层设备之间的信息数据能够通过变电站统一信息平台进行系统横向信息共享，对获得的信息进行统一化处理。而不同层之间也可以通过系统纵向信息的标准化，即通信接口的统一，达到不同层之间设备的透明化，使异构系统之间能够信息互通。智能变电站之间这种统一的“三层两网”构架，不仅实现了信息的共享，也解决了设备之间相互操作性差的问题和后期运行维护复杂的问题。一次设备智能化。作为智能变电站的重要特征，智能变电站一次设备的智能化，是在传统的一次设备功能的基础上，采用统一的信息模型和信息交换模型，运用IEC61850通信协议和信息管理系统进行各设备或系统间数据的交流互动。智能化的一次设备通过良好的信息交互性、先进的运行状态监控和故障诊断手段，能够正确的判断一次设备的运行情况，准确对故障或不正常工作状态进行预测和识别，同时将检测的结果及时的反馈给相关诊断系统，让运行维护人员可以根据检测结果及时做出相应的处理。二次设备网络化。变电站的二次设备指的是对一次设备的运行状态进行监视、测量、控制和保护的设备，它的基本任务是将故障从电力系统中切除，反应电气设备的不正常运行状态，做出判断并动作于发出信号或跳闸。智能变电站基于传统二次设备的功能，通过将IEC61850通信协议应用于变电站内的通信，对二次设备间的通信接口进行标准化，利用最新的网络通信技术，实现变电站二次设备的信息交互、数据共享、互操作等的功能。智能二次设备可以通过光纤和IEC61850通信协议利用设备的分布式控制来取代传统的总线控制，这提高了设备之间数据传输的速度也使输送的信息更加标准化。更加标准化的信息通信。智能变电站全站采用国际通用的通信规约IEC61850通信协议来实现信息的交互。具有良好的交互性。变电站作为最重要的电能资源汇集再分配的中心，要求它具有良好的信息交互能力，这可以保证电力系统在运行的时候具有较高的可靠性、精准性，在电力系统发生运行方式变化或发生故障的时候能够快速判断而做出反应。智能变电站在进行信息采集以后，不但能够快速将数据输送进行变电站内部设备之间的分享，还能够与该智能变电站在内的电力网系统进行良好的交流互动。低碳环保。近几年来，各个国家的能源发展布局、电能供给情况、电力的发展方式正发生着重大的变化。全球以能源多元化、清洁化为发展风向，以优化能源结构、推进能源战略转型为目的。在这种形势下，智能变电站不仅具备电压变换、智能化配置平台功能，也可以减少能量的损耗，实现节能减排。在智能变电站中，将传统高能耗的电子元件和设备用集成度高而且能耗低的设备取代，同样的，我们用光纤电缆取代传统电缆进行通信，这些改善方式都有效的降低了能源的损耗。在新能源发展方面，智能变电站的出现对提高新能源的利用率有一定的促进作用，新能源发电完全可以依托着智能变电站的发展而发展。运行可靠性高。可靠性作为电网继电保护最基本的性能和作为用户对电能的基本要求之一，智能变电站提高了保护装置中的组成元件质量和可靠性，保护回路也有了一定程度的简化，在这些的基础之上，依托于变电站智能化的通信网络系统，使得保护设备能够在故障发生前做出预判或在故障以及不正常工作状态发生时迅速做出反应，并能够快速对事件进行处理，这有效减少了由于故障造成的供电损失，实现了电网的高质量运行。2.3HIL（硬件在环）本课题进行智能变电站仿真的实验，在这个过程中采用“虚”与“实”结合的实验方法，将电脑仿真与二次保护设备连接起来完成实验过程，通过接收电脑的仿真数据使真实的保护设备模拟实际的运行状况。通过网络层的相互连接将两个原本相互独立运行的部分，可以共同运作起来。这一“虚”与“实”结合的方式在计算机专业术语里面称为“HIL”，即“硬件在环”。在本实验中，由硬件保护设备和实时的仿真系统两部分组成HIL系统。HIL系统的仿真部分由仿真主机与智能终端、合并单元等组合而成，由继电保护设备组成硬件部分。使用“HIL”的方式进行实验，可以降低实验的成本和时间，并且可以将设备最大利用化。硬件在环的仿真方式不仅弥补了单纯使用计算机仿真的不足，还提高了实验结果的可信度。2.4智能变电站的通信协议智能变电站的设备通信以IEC61850通信协议为标准，实现了变电站的规范化和标准化，以及设备间的透明化。本文的智能变电站仿真通信依托于IEC61850通信协议进行设备间的信息交互。IEC61850通信协议标准将智能变电站划分成了“三层两网”结构，并且对各层之间的通信接口进行了定义。在智能变电站“三层两网”的基本结构中，IEC61850对各层进行了进一步的分解，将它们细分为一个个实现智能变电站不同功能的小单元，这些小单元是智能变电站中的智能电力装置，是变电站SAS（SubstationAutomationSystem）系统中重要的基本单元，这个小单元简称为IED。一个或者多个IED相互配合可以实现监察测试和远程控制等的功能。在IEC61850通信协议的标准下，IED就是一个个的智能设备，要实现这些设备的功能，IEC61850通信协议定义了逻辑节点LN，这些逻辑节点对应着智能变电站对应的一些功能，一个逻辑节点可以对应一个IED或者多个IED，即一个功能可以由一个或者多个IED来完成。目前，已有91个通用功能的逻辑节点，通过属性功能等的划分，可以分为：控制，状态，取代，配置，描述等的类别。特别的，每个IED必须有两个逻辑节点LN0和LPHD，里面包含每个设备必备的信息。LN是功能物理逻辑的概念，而逻辑设备LD就是LN功能的汇集。IEC61850通信协议标准采用面向对象建模技术，通过对智能变电站进行信息模型的构建来描述这一应用的具体功能。如图2.4，在IEC61850通信协议标准中，利用服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据与数据属性的分层模型组成了IED的信息模型，完成对实际设备的抽象。在这个模型中服务器可以提供设备外部看见的功能服务，逻辑设备作为集合逻辑节点的虚拟设备，逻辑节点表示物理设备的功能描述，数据含有逻辑节点的信息，数据属性则是对数据的定义。图2.4信息模型结构图通过上面的信息模型，有个概念：可以将设备复杂的内部结构通过抽象实物化建立一个模型，让复杂的变电站系统可以用精准的计算机可以懂的语言描述出来，并利用这个语言对智能变电站进行自动化配置，这也是本文需要进行的工作。利用上面的信息模型，构建出后文SCD文件配置时信息模型图。以220kV线路1保护为例，如图2.5。图2.5220kV线路1保护信息模型IEC61850通信协议还引入了GOOSE(GenericObjectOrientedSubstationEvent面向通用对象的变电站事件)和SV/SMV（采样测量值）的网络信息传输方式，会在后文中有所提及。IEC61850通信协议在电力系统中的应用非常的广泛，不仅使智能变电站内的通信标准化，这种通信协议还标准了智能变电站与智能变电站之间、智能变电站与电力系统的控制中心之间的通信。2.5智能变电站内的保护通信方式在本课题中主要运用到的继电保护方式为线路的纵联保护和变压器的差动保护。以线路的纵联保护为例，保护的动作需要用到线路两端的信息，两端的保护设备将通信设备和通信通道传送来的保护信息，在内部进行逻辑比较后迅速做出正确判断。输电线路纵联保护结构如图2.6。纵联保护保护动作运用到基尔霍夫电流定律原理，在正常情况下，两端电流值流入会等于流出，但是在故障发生的时候两端电流会有较大的电流差，当两端电流差值超过正常运行值时保护启动。本课题中，由于线路阻抗等的原因，正常运行时会有一定的电流差值。图2.6输电线路纵联保护结构图本课题智能变电站仿真的继电保护通信设备之间通信方式用到的是光纤通信。光纤通信以光纤作为保护信息传递的媒介，在电力系统通信中广泛应用。与传统的电缆通信相比，光纤通信有通信容量大、耗材少、无感应性能等的特点。本文的智能变电站仿真运用到了单模光纤和双模光纤。它们的区别如下表2.1：表2.1单模与双模光纤的区别区别点名称单模光纤双模光纤颜色黄色橙色传播光束数目一束光多束光传输距离较远较近3开放式智能变电站仿真及自动化配置的实现开放式智能变电站仿真系统由两大部分构成：仿真系统和硬件保护部分。如图3.1，简单的描述了开放式的HIL仿真系统架构，硬件保护部分由图中的淡黄色区域的保护、测控、采集装置的真实二次设备组成，仿真系统部分由图中的仿真主机、信号发生器、智能终端、交换机等构成。整个HIL仿真系统要能运作起来需要先对两部分进行配置：仿真系统的配置以及保护装置的配置，这也是本章节需要进行的工作。仿真系统的配置和管理是基于开放的MATLAB仿真平台，保护装置的配置和管理是基于开放的IEC61850协议标准。图3.1开放式的HIL仿真系统架构后面的具体工作也以此为蓝图展开。3.1智能变电站一次设备模型建立及设置本课题进行的是220kV智能变电站的仿真运行。在这里首先运用MATLAB的Simulink仿真模块构建出具有基本运行元件的220kV智能变电站的一次设备模型，再对具体元件进行参数设置。3.1.1元件模块的选择表3.1元件模块的使用仿真模块模块选用电源Three-PhaseSource输电线路DistributedParametersLine变压器Three-PhaseTransformer(ThreeWindings)测量采集Three-PhaseV-IMeasurement负载Three-PhaseSeriesRLCLoad开关Three-PhaseBreaker故障Three-PhaseFault波形显示Scope在上表3.1，主要列出来本课题变电站一次设备模型使用的元件模块，下面对其作进一步的说明。（1）电源模块。电源模块在电力系统设计中是不可缺少的部分，在现实变电站系统中相当于是发电站。在本课题中，采用Three-PhaseSource模块作为电源向变电站供电。其中采用了两个Three-PhaseSource模块，220kV侧的电源模块和110kV侧的电源模块。（2）输电线路模块。课题中设置了220kV和110kV共两条输电线路，为了能够在仿真中更好的描述波的传输过程，采用的是DistributedParametersLine模块。（3）变压器模块。在本课题中，考虑到仿真的变电站的变压器有三个电压等级，220kV/110kV/35kV，选用三相三绕组的Three-PhaseTransformer(ThreeWindings)模块。（4）测量采集模块。采用Three-PhaseV-IMeasurement模块作为电压、电流量采集的模块。用该模块对运行的一次设备进行电压和电流数据的采集，相当于是互感器的作用，负责传递数值数据。（5）负载模块。采用静态负荷模型模块Three-PhaseSeriesRLCLoad模块来模拟线路上的用电负载。（6）开关模块。开关模块选用Three-PhaseBreaker模块，该模块类似于变电站一次设备中刀闸（隔离开关）的作用。（7）故障模块。选用Three-PhaseFault模块作为故障模块，添置在在需要仿真故障的区域。（8）波形显示模块。为了方便观察变电站运行时某区域的电流或者电压的数值以及故障发生时的数值变化，可以利用Scope模块采集Three-PhaseV-IMeasurement模块的数据来进行波形的显示（9）Powergui模块。Powergui模块是MATLAB中的电力系统图形用户分析界面。它通过Simulink仿真模块中的功能来连接不同的元件模块，具有分析电力系统模型的重要功能。（10）母线模块。在MATLAB的中是没有具体的母线模块的。母线在整个电力系统中的作用是连接各个分支线路，对电能进行传输、汇集和再分配，即母线可以看作是一个电能交汇的节点，那么就可以利用负载模块的分支线路与输电线路的衔接节点作为一个母线模块。这个变电站仿真模型中含有110kV母线和220kV母线各一个，110kV母线是单母线，可以用一个衔接节点来表示，220kV母线是双母线结构，可以用两个衔接节点表示，并且在两节点之间通过母联开关相连接。3.1.1元件模块的连接在选出了构建变电站一次设备模型需要使用到的元件模块后，参考实际变电站的设备布局进行元件模块之间的连接。模块之间的连接采用这样的走向：220kV电源——220kV输电线路——220kV母线——220kV侧负载——220kV/110kV/35kV变压器——35kV侧负载——110kV侧负载——110kV母线——110kV侧线路——110kV电源。其排布如图3.3。图3.2双母线模块上图3.1为220kV的双母线模型，两母线之间互为备用，当其中一段母线发生故障时，发生故障的母线所连接的用电负载可以不必断电，通过另一段母线继续供电，提高了供电的可靠性。图3.3220kV变电站一次设备模型在上图3.3中，根据电力系统的知识，出于对运行的安全性考虑，110kV及以上系统运行时需要中性点直接接地，而35kV系统运行时中性点应经消弧线圈接地。为了更简单直观的说明各电压等级的分布以及各出线数量等，在这里按照变电站的一次主接线图的绘图标准绘制了图3.4的一次主接线图，这个图中展示了本课题中智能变电站使用的一次设备并且可以较直观的看出各电气元件之间的连接关系。图3.4一次主接线图3.1.2元件模块参数的设置将各个元件模块连接完成后，按照运行的需求对各模块进行相关参数的设定。电源模块。仿真模型中有两个电源模块：220kV供电源和110kV供电源。两个电源都大于等于110kV，电源中性点采用直接接地方式：Yg。考虑到线路输送时会有一定的损耗问题情况，在设置电源电压数值时，将电压提高了大约10%的额定电压的数值。在我国使用的电是正弦交流电，它的频率为50Hz，所以电源模块以及其他模块需要进行频率设置时，都设置为50Hz。其他部分设置采用了默认值。如图3.5和图3.6为具体的参数设置。图3.5220kV电源模块参数设置图3.6110kV电源模块参数设置输电线路模块。本课题的输电线路共有两段，220kV输电线路和110kV输电线路。在这里模拟80km的输电距离，将它们都设置为80km长的输电线路。其他线路电阻、电感、电容值采用默认值。具体设置如图3.7和图3.8。图3.7220kV输电线路模块参数设置图3.8110kV输电线路模块参数设置变压器模块。仿真模型中采用的是三绕组变压器模型，电压等级为220kV/110kV/35kV三个电压等级。在220kV和110kV电压等级侧采用中性点直接接地的方式，35kV电压等级侧采用中性点经消弧线圈接地。将变压器容量设置为100MVA，三个线圈电压值将220kV、110kV、35kV对应填入，其他参数可以采用系统的默认值。如图3.9和图3.10为具体的参数设置。图3.9变压器模块参数设置图3.10变压器模块参数设置（4）测量采集模块。在本课题中的电流、电压数值的采集由Three-PhaseV-IMeasurement模块进行，将数据采集后进行波形的显示，来观察系统在运行时的电压和电流的情况，利于故障发生时进行判断。这一模块主要设置的是需要采集的电流、电压区域的命名，在Simulink中所有该模块的命名都不允许重复。为了方便仿真的进行，所有命名采用对应采集信息模块的名称作为区分的命名形式。（5）负载模块。负载模块在该仿真模型中共有4个，220kV线路侧包含有两个，110kV线路侧和35kV侧各有1个。在经过调试以后，对四个模块进行了以下的参数设置，如图3.11、3.12、3.13、3.14。图3.11220kV_1负载模块参数设置图3.12220kV_2负载模块参数设置图3.1335kV负载模块参数设置图3.14110kV负载模块参数设置（6）开关模块。本文的变电站仿真中配备了有多个开关模块，起到接通和断开线路电源的作用，也可以改变系统运行的接线方式。在本课题中，所有的开关模块主要设置为在仿真开始后由常开的“open”状态转换为常闭的“close”状态，即变电站开始运行后，所有的电气设备通电。（7）故障模块。依据本课题的实验室配备，分别在变电站模型的220kV输电线路、110kV输电线路、220kV双母线、220kV母联、110kV母线、变压器区域内设置故障，在故障模块中设置故障时间区间为[52025404560658085100105120125140145160165180185200]，进行单相接地故障或两相间故障等的故障测试，仿真变电站的故障运行状态。如图3.15，为其中一个故障模块的设置。图3.15故障模块参数设置（8）波形显示模块。波形显示模块主要是用采集来的实时电压、电流数据进行显示。在该模块中可以根据显示的需要进行显示窗口数量等的设置。（9）Powergui模块。在本文的变电站仿真模型中主要对powergui模块进行仿真类型和取样时间进行了设置，其他部分采用默认值。仿真类型选用的是Discrete即离散化电气模型，对数据进行离散化的分析处理。设定采样时间为0.00005s。设置如图3.16。图3.16Powergui模块参数设置（10）其他。为了使模型仿真可以较长时间的运行，在这里将模型仿真停止时间设为无穷，即“inf”，停止可以按仿真的停止键，进行手动操作。设置如图3.17。图3.17仿真时间设置3.2IED配置前的工作上面已经完成了变电站一次设备的模型建立，接下来要进行的工作是对已有的变电站模型进行自动化配置。在进行具体的配置前还需要先进行以下的工作，为后续的配置工作做铺垫。3.2.1全站IED的命名智能变电站的每一个智能电力装置都需要有唯一的一个命名，以便于区分和进行后续的操作。在这里按照IED的命名规则，如表3.2，为本课题中的每一个IED赋予一个名称。IED的命名规则使用七位大写字母和数字组合表示，第一位用来区分IED的类型，第二位是使用的对象类型，第三位和第四位用来区别电压等级，第五、六位用来编号排序，最后一位是设备套数，这一位在只有单套的成套设备时可以忽略。本课题的IED的具体命名如表3.3。表3.2IED的命名规则表3.3IED命名3.2.2装置通讯IP地址的配置在实际的智能变电站中，设备间要进行数据的相互传送，就必须确保它们处在同一网络下。可以将所有设备的子网掩码进行统一，配置为：00，这样所有设备都在同一区域的网络之下。处在同一网络下的设备为了能够按照需要向其他的设备传输信息，就需要为每台保护设备设置不同的IP地址，具体的IP地址如表3.4。表3.4保护设备的IP地址保护设备IEDIP地址PL2206PL2209PL1106PL1107PT2202PM2204PM1105PF22023.2.3定义IED装置的GOOSE、SMV、APPID地址在记事本中以xml格式对SCD文件中的各个IED的GOOSE、SMV、APPID地址进行定义。按照规定，变电站内装置的地址定义范围应为：GOOSE范围：01-0C-CD-01-00-00到01-0C-CD-01-07-FF，SMV范围:01-0C-CD-04-00-00到01-0C-CD-04-07-FF，GOOSE的APPID范围：0000到3FFF，SMV的APPID范围:4000到7FFF。设置的具体地址如表3.5。表3.5相关设备地址设置IEDGOOSE地址APPIDSMV地址APPIDIL220101-0C-CD-01-12-3B123BIL220201-0C-CD-01-12-451245ML220101-0C-CD-01-12-33123301-0C-CD-04-00-174017ML220201-0C-CD-01-12-37123701-0C-CD-04-00-194019IML110101-0C-CD-01-11-98119801-0C-CD-04-00-014001IML110201-0C-CD-01-11-99119901-0C-CD-04-00-024002IM220101-0C-CD-01-12-591259IM220201-0C-CD-01-12-5D125DMM220101-0C-CD-01-12-61126101-0C-CD-04-00-1B401BIM110101-0C-CD-01-12-791279MM110101-0C-CD-01-11-F911F901-0C-CD-04-00-134013IF220101-0C-CD-01-11-041104MF220101-0C-CD-01-12-65126501-0C-CD-04-00-1D401DIT220101-0C-CD-01-12-721272MT220101-0C-CD-01-12-69126901-0C-CD-04-00-1F401FIMT110101-0C-CD-01-11-F211F201-0C-CD-04-00-104010IMT350101-0C-CD-01-11-DA11DA01-0C-CD-04-00-0C400C3.2.4装置之间虚端子连接图要进行智能变电站的自动化配置，就必须要清楚设备之间是怎么连接的，设备在信息输送时是有怎么样的对应关系的。在GOOSE、SV网络下，智能变电站在装置之间的信息传输有着一一对应的关系，这些对应关系相当于传统变电站设备端子之间的连接关系，为了可以更加清晰的知道设备信息收发之间的连接关系，将这些一一对应的关系形象化为虚端子，这样设备之间就有了“实体”的端子连接关系，便于理解和运用GOOSE、SV信号。引入了虚端子的概念之后，就必须要设计设备之间的虚端子连接图，便于后面在IED配置时，有明确的装置之间的连接关系。根据本课题实验室所具备的实验设备和仿真的功能需求，设计出了以下的虚端子连接图，如图3.18是变压器保护的虚端子连接图，图3.19包含双母线保护、母联保护、单母线保护的虚端子连接图，图3.20是220kV线路1保护和110kV线路1保护的虚端子连接图，（）为后面SCD文件中进行IED配置时提供参考。图3.18虚端子连接图1图3.19虚端子连接图2图3.20虚端子连接图33.3智能变电站的自动化配置有了3.2节的准备工作，接下来进行智能变电站保护系统的具体配置。要对一个变电站的保护系统进行自动化配置，需要有与该变电站结构、功能和运行需求相匹配的配置文件，里面包含智能变电站所有IED智能电子保护设备的配置和能够实现IED的对应功能的信息以及系统结构、通讯信息。智能变电站保护设备有了这些配置信息，才能够按照变电站的具体运行要求进行工作。智能变电站进行自动化配置需要用到SCL语言，SCL语言是变电站用到的设备配置语言。SCL文件包含有：ICD文件、SSD文件、SCD文件和CID文件。其中ICD文件在自动化配置中相当于是IED的“空壳”，只提供IED最基本的数据模型和相关服务，还没有被赋予名称和具体的通信参数。SSD文件包含于SCD文件中，是系统的规格文件，提供变电站的一次设备架构信息。SCD文件利用ICD文件和SSD文件进行IED的具体功能配置和设备内在之间的通信设置。CID文件由SCD文件生成，已经含有变电站各个IED的具体释意和功能。通过以上四种文件之间的关系，智能变电站自动化配置的流程如下图3.21。图3.21智能变电站自动化配置流程图基于以上内容，本课题按照上面建立的变电站模型和相关的功能，在已有的ICD文件和SSD文件基础上，着手于对SCD文件进行修改和编写，对已有具体功能的ICD进行命名配置，变为具体的IED，这些IED共同完成智能变电站的保护任务。再利用配置的SCD文件生成CID文件，将CID文件数据传输到智能变电站设备中。本课题中SCD文件编写使用到的软件是SCLConfigurator。如图3.22是软件SCLConfigurator初始化的界面。在这里创建以SCL文档结构定义的Header、Substation、Communication和IED4个目录对象。图3.22SCLConfigurator初始化的界面3.3.1Header部分Header部分一般记录有SCD文件中最基本的一些信息，如设备版本号、修订版本、文件修改的日期记录、修改人名称等，信息可以自行修改。具体的界面如下图3.23。图3.23Header部分界面3.3.2Substation部分Substation部分描述的是变电站的模型。可以对变电站的主接线图进行编辑。3.3.3Communication部分这一部分包含有智能变电站中的通信方式和类型。通信的方式主要有：MMS（制造报文系统）、GOOSE（报文通讯）、SV以及GOOSE与SV共同组网的方式。其中MMS通信类型在站控层又可以分为A网和B网，具体命名如下图3.24。本课题中主要用到界面列表的前四种类型，在配置IED的时候，主要进行的是过程层SV网以及GOOSE网之间的配置。图3.24Communication部分通信方式设置MMS及GOOSE是智能变电站基本的通讯方式，MMS主要运用于监控网络，进行站控层网络的信息传输；GOOSE主要运用于传送实时的保护信号，进行过程层网络的信息传输。3.3.4IED部分在IED部分的目录下，提供了对智能变电站所有IED的管理配置，根据该课题的变电站模型需要，进行IED的添加以及配置。IED的添加前面已经将本课题需要用到的设备IED进行了规范命名，现在要将各一次设备的保护IED添加入软件的IED目录下。每个保护设备的IED，在一个设备间隙中，应含有一个合并单元和一个智能终端。合并单元用来将间隔内的互感器模拟量转为数字量进行数据传输。智能终端是具有测控功能的智能保护设备，可以完成二次设备对一次设备的控制功能。在这里以其中一个IED的220kV线路1保护的添加为例。如图3.25，对需要添加的IED按照SCD命名原则进行命名，并选择相应存储路径下的ICD文件作为该设置的ICD文件名称。图3.25IED的命名接下来是“Schema校验”的校验结果页面，如图3.26。图3.26Schema校验页面对重复命名的部分做添加IED名称为前缀的处理，如图3.27、3.28。图3.27重复部分添加前缀图3.28重复部分添加前缀如下图3.29、3.30是子网类型的选择。依照ICD中已有的通信类型的名称，为SCD文件中的通信名称选择对应的名称，并设置了通信类型。图3.29子网类型选择页面图3.30IED中SCD子网设置完毕IED添加成功，如图3.31、3.32。图3.31添加成功界面图3.32IED列表中添加成功的IEDIED添加完成，如图3.33。其中图中顺序1-8为实验室现有的保护装置，可以完成该课题变电站一些故障的基本保护动作，后面的一些IED为较完整的智能保护系统应有的IED。图3.33添置完毕的IED列表IED的更新在完成智能变电站所有IED的添加后，需要进行对IED更新的步骤。在IED列表中单击右键选择“Update”的选项，如图3.34，这个IED更新向导将用一个外部的ICD文件来更新当前SCL文档中的一个IED，并需要进行接下来的一些选择操作。图3.34IED更新向导单击下一步，进入下一个步骤，如图3.35，指定ICD文件的全路径文件名，可以通过“Browse”来选择使用指定路径下的ICD文件名。图3.35ICD文件名称设定继续点击下一步，如图3.36，为校验结果的界面，可以进行下一步。图3.36校验结果界面进入下一个步骤，如图3.37，勾选需要更新的选项，默认全部勾选。图3.37更新项目选择界面下一步，如图3.38，更新完成，执行操作。图3.38更新完成界面IED的配置上一节已经完成了对IED的添加和更新，接下来，本节将对IED进行具体的配置，完成IED之间的通讯连接配置。在本课题中的保护只涉及到了差动保护，利用差动保护原理对故障进行区分，并通过保护设备将故障切除。在本节的配置中根据差动保护在实际的保护运行中需要采集到信息数据或者状态信息进行具体配置，这些信息会利用智能变电站的合并单元和智能终端来将数据汇集并通过GOOSE网或者SMV网进行保护装置间的信息传送。下面是具体的配置过程。在IED的目录下可以对SCL文档中具体的一个IED进行配置。选择其中一个IED，如220kV线路1保护，如图3.39，在这个界面中可以对220kV线路1保护的IED进行具体的配置，配置界面的底部有几个选项按钮，在SCLConfigurator中可以对IED的LogicDevice、LogicNode、DataSet、GSEControl、SMWControl、Inputs、ReportControl进行配置。LogicDevice配置。按照功能将保护设备的逻辑设备进行划分可以分为五个部分：LDO（公用LD,包含装置信息）、PORT（保护LD，包含保护的功能等）、RCD（录波LD）、PIGO（保护GOOSE过程层的访问点LD）、PISV（保护SV过程层的访问点LD）；将合并单元划分为两个部分：MUGO（合并单元GOOSE访问点LD）、MUSV（合并单元SV访问点LD）；将智能终端划分为一个部分：RPIT（开关闸刀位置等信息LD）.以220kV线路1保护为例，在图3.39中显示了220kV线路1保护下的所有的LD，LogicDevice界面中只能对LD的Description进行修改，其余操作都不被允许。图3.39IED配置（2）LogicNode配置。在LogicNode界面中，可以对其中一个LogicDevice下的LN进行配置。如图3.40，通过界面顶部的LD按钮可以切换不同LD下的LN。LogicNode界面只能对逻辑节点执行删除、上移或者下移、节点Description修改的操作，其余操作不允许进行。图3.40LogicNode界面（3）DataSet配置。如图3.41，这是下一个按钮选项，可以对具体的LN下的DA进行配置。选择其中一个DA可以显示该DA下的FCDA的相关信息。图3.41DataSet界面（4）GSEControl、SMWControl配置。在GSEControl、SMWControl的配置界面中，可以对IED中某个LD下的LN0的所有GSEControl和SampledValueControl进行配置。（5）Input配置。Input用于Goose及SMV的接收端的配置，通过定义外部IED的信号(外部信号)与自身IED的信号(内部信号)的关联，即可实现Goose和SMV接收端的配置。SCD文件的IED配置中重要的一步是对所有的IED之间的通信进行配置，IED之间要进行信息通讯数据的传输，这些数据将通过GOOSE或者SMV网在设备之间进行传输。所以需要在SMV网或者GOOSE网下将各设备之间进行“连接”，而Inputs界面进行的工作是将自身内部信号与其他IED的外部信号形成一一对应的关系，使智能设备之间能够进行通讯，并且可以正确动作。在这里以三绕组变压器的配置为例，先进行SMV网下的设备通讯配置。如图3.42，在界面最左边的大纲目录下选择IED目录下的目标IED进行设置，在这里以PT2201A的主变保护为例进行设置。选择中间界面顶部的LD按钮切换到PISV的LN节点界面，这个节点包含了SMV网的通讯联系信息，再选择Inputs界面进行配置。在设置连接关系时，必须要先选择与自身IED进行SMV通讯的外部信号。在这里与自身IED（PT2201A的主变保护）有SMV通信关系的是变压器的三端三个电压等级的合并单元，它们负责向变压器保护设备传输在运行中采集到的电压或电流等的信息。因为对于自身IED（PT2201A的主变保护）来说，自身设备是属于自身内部的部分，而合并单元是向它发送信号的一方，相当于是外部信号，应在界面右边部分的IEDSelector下选择ExternalSignal外部信号，将需要的FCDA（功能约束数据属性）文件拖入界面中，如图3.43。通过上面的步骤便将发送SMV信息的外部IED添加进列表了。图3.42PISV下的Inputs界面图3.43PISV下的外部信号的添加下一步要将自身IED的内部信号添加到对应的外部信号对应的位置，即自身的IED中需要接受外部信号的部分。如图3.44将IED选择器的下端按钮切换到内部信号的列表下，选择与外部信号对应的内部信号，这两个信号都需要选择M1信息类型下的外部信号和内部信号，来完成两个IED发送与接受之间的匹配。PT2201A的IED的SMV网的Inputs配置完成如图3.45，这样IED的SMV网的信息传递就有了对应关系。图3.44PISV下的内部信号的添加图3.45Inputs操作界面——SMV网之间的内、外部信号添加匹配完成在现实中为了减少智能变电站二次设备中进线的数量，会将部分采集信息汇合在一起。在这里可以在合并单元和合并单元之间进行信息的合并，将多个合并单元的数据汇集在一个合并单元后，通过光纤将数据传输给信号交换机，信号交换机将接受到的信息复制成多份，发送给对应的保护设备。这样也就减少了二次侧进线的数量。在这里对部分合并单元进行采样信息的合并。以主变220kV侧合并单元和母差保护的合并单元为例，在它们之间建立SMV网的联系，进行采集信息的合并。如图4.46，在这里将母差保护合并单元的电压采集信号“传输”给主变220kV侧合并单元进行合并。图4.46合并单元信息的合并在上面已经完成了SMV网通讯的配置，而在变电站的保护系统中，智能保护装置在接受到合并单元传递过来的一次设备采集信息后，需要通过自身的保护判定，在故障发生时，将跳闸的信号通过Goose网络层发送给智能终端来控制开关断开，同时，智能终端也会回送开入、开出等的信息给保护装置。依据于此，接下来需要进行GOOSE网通讯的Inputs配置。与SMV网的配置一样，要选择与自身IED有GOOSE网联系的IED的外部信号，将它们添加到Inputs界面中，再将与那些外部信号有对应关系的内部信号添加到Inputs界面相应的位置，同样形成外部信号和内部信号的一一对应关系。GOOSE层网络主要传输的是变电站内的重要实时信号，用于在IED之间传输开入、开出等的信号，所以GOOSE网主要支持的是保护设备与智能终端之间的通信。在这里以PT2201A主变保护与主变220kV侧智能终端A的IED在GOOSE网层面的配置为例，它们的配置步骤和上一节中SMV网通讯的配置步骤一样，只不过GOOSE网层面需要注意的是，应该选择IED选择器目录下的G1信息类型来选择对应的外部信号和内部信号。因为对于智能终端来说，自身设备是属于自身内部的部分，而保护设备是发送命令的一方，相当于是外部信号，所以保护设备目录下的PCDA添加为外部信号，智能终端目录下的相关添加为内部信号。如图4.47、4.48，添加内、外信号完毕。图3.47选择外部信号图3.48选择外部信号3.4保护设备的参数设置在配置完保护设备的SCD文件后，需要对保护设备仪器进行一些控制面板上的设置，才能保证在运行时可以正确动作。继电保护设备作为二次设备，与一次设备之间通过互感器会有一个变比，经过测试，将设备变比设为6:1，确保设备能够在故障发生正确动作。具体设置图见附录。以纵联差动保护作为一次侧设备的保护方式的二次设备间是成对存在来进行保护动作的，为了确保收发两端保护设备是对应的双方，需要将保护设备1的对侧识别码与保护设备2的本侧识别码是一致的，反过来保护设备1的本侧识别码与保护设备2的对侧识别码也需要一致，才能够确保两方能够接收到对方的信号。如在本实验中的两台110kV线路保护装置，分别将他们的本侧识别码设置为300和301，对侧识别码设置为对侧设备。本课题中涉及到的所有设备保护都是差动保护，所以在设备进行设置的时候，关闭了保护设备的其他保护方式的软压板，只开放差动保护方式的压板，这个设定与上面的IED配置相呼应。具体的一些保护设备控制面板设定图见附录。3.5自动化配置文件的导入由于智能化的设备的光纤接线，免除了大量端子排之间的接线复杂问题，但也造成了使用者不了解其中接线结构的问题，为了解决这一问题引入了“虚端子”的这个概念。本课题使用的许继虚端子配置工具软件知道一个IED有几个通信的通道和利用什么方式进行通信的，以及具体的IED内部的“端子”与哪些“端子”连接。本课题中主要利用许继虚端子配置工具软件将已有的SCD文件导出为CID文件和虚端子文件，同时将这些文件下装到保护设备中，让设备可以清楚的知道自己需要进行的工作。打开许继虚端子配置工具软件，如图3.49，是XJ虚端子配置工具的初始化界面，选择虚端子的模块进行具体的操作。进入虚端子模块，选择加载上面已经编写好的SCD文件，加载完成后如图3.50。从列表中可以非常直观的看到SCD文件中含有的设备保护、智能终端以及合并单元等。图3.49初始化界面图3.50装置列表选择其中一个模块可以加载出里面的虚端子信息，这里选择第一个模块为例，里面包含的信息如图3.51、3.52、3.53。在图3.51中，可以很直观的看到与变压器保护有通讯关系的每个IED，图中的方框代表一个IED，IED之间通过S(SMV)或者G(GOOSE)网络连接，进行通讯。具体内容在下一章节会进行进一步的分析。图3.51列表信息图3.52IED的虚端子信息图3.53IED的虚端子具体信息上面是虚端子工具中可以向我们展示的SCD文件内容信息，要将配置文件导入保护装置需要进行接下来的操作。将配置好的SCD文件，利用XJ虚端子配置工具自动生成与过程层通讯的配置文件。装有虚端子工具的设备与保护装置通过网线连接在一起，以便于文件的下装。在上面已经将SCD文件导入到了虚端子中，单击其中一个IED，在虚端子界面的底部选择“导出虚端子”的按钮，这一操作会生成过程层配置文件ied_cfg.xml，如图3.54。图3.54导出虚端子文件接下来选择虚端子界面下的“文件操作”按钮，选择与电脑连接的装置名，这里是WMH-801保护装置，利用“FTP”将配置文件上传到保护装置里。如图3.55。在弹出的窗口中，如图3.56，进行图中圈住的方框的操作，将上面生成过程层配置文件ied_cfg.xml拖入上传目标文件目录下，点击上传的按钮，配置文件下装完成。图3.55上传配置文件图3.56上传目标文件将文件导入设备成功以后，各个保护设备也就有了明确的工作内容，通过相互之间的配合可以实现智能变电站的保护功能。本章节进行了变电站一次设备模型的构建和SCD文件中各IED的配置，在准备好了这些工作后，接下来可以将各设备之间联通，进行智能变电站的仿真测试。4智能变电站仿真的测试4.1MATLAB故障的仿真波形为了简化操作的进行，在变电站一次设备模型中主要进行变电站故障发生率较高的两相相间故障和故障发生时损害较严重的三相接地故障的仿真，并观察正常波形和故障波形。4.1.1输电线路故障先进行输电线路模块的仿真，将故障设置在输电线路的保护范围内。如下图。图4.1220kV输电线路故障模块图4.2110kV输电线路故障模块220kV输电线路设置故障模块，分别对220kV输电线路进行三相接地故障和两相相间（A、C相之间）故障的仿真，取线路两端的电流、电压的数据进行故障前后的比较。仿真结果如图4.3、4.4。图4.3220kV输电线路故障仿真图（三相接地故障）图4.4220kV输电线路故障仿真图（两相相间故障）上面两张图中，波形【1】、【3】为线路两端的电压量，波形【2】、【4】为两端的电流量，最后一个波形【5】为两个电流量的之间的差流。两张图中，都是在第5秒的时候发生故障，发生故障时电流会发生突增，电压降低。波形【3】由于故障接近数据采集模块，故障发生时电压降为零（三相接地故障的判据：三相电压都为零）。在正常运行的时候，两个系统的电流差流110kV输电线路设置故障模块，分别对110kV输电线路进行三相接地故障和两相相间（A、C相之间）故障的仿真，取线路两端的电流、电压的数据进行故障前后的比较。仿真结果如图4.5、4.6。图4.5110kV输电线路故障仿真图（三相接地故障）图4.6110kV输电线路故障仿真图（两相相间故障）上面两张图中，波形【1】、【3】为线路两端的电压量，波形【2】、【4】为两端的电流量，最后一个波形【5】为两个电流量的之间的差流。两张图中，都是在第5秒的时候发生故障，发生故障时电流会发生突增，电压降低。波形【3】由于故障接近数据采集模块，故障发生时电压降为零。4.1.2变压器故障将故障设置在变压器保护的区域内，进行变压器故障的仿真。图4.7变压器故障模块因为变压器的输入输出端的三个电压等级不一致，导致正常运行时三个流入流出的电流之间相加的相量和是不为零的。为了能够对变压器运用电流差动保护，在这里做了一个小处理来区别正常运行状态和故障状态的电流差值。先确定220kV电压等级侧为输入端，110kV和220kV侧为输出端，通过电流的采集，可以确定在正常运行时220kV侧电流为125A，110kV侧电流为225kV，35kV侧电流为8A。输出侧的电流之和为233A，输出侧电流之和乘以一个增益值K=0.5365就会等于输入侧的电流值，将输入侧的电流值与输出侧电流和之间的电流差来构成三绕组的变压器保护。图4.8是电流数据连接图。变压器故障仿真波形如图4.9.图4.8变压器各端电流数据采集处理图4.9变压器三相接地故障仿真图【4】【3】【2【4】【3】【2】【1】图4.10变压器两相相间故障仿真图在上图4.9、4.10中，波形【1】为220kV侧的电流值，波形【2】、和【3】分别为110kV、35kV侧的电流值。波形【4】为220kV与110kV、35kV侧电流和乘以增益后的电流差，正常运行时，该值接近为零，在第5秒时，故障发生，该值骤增，超过正常范围值，保护启动。4.1.3母联故障对双母线之间的母联开关保护范围内设置故障，观察故障仿真的波形图。设置的故障区域如图4.11。图4.11母联故障模块下图4.12和4.13为母联保护区域内发生三相接地故障和两相相间故障的波形图，其中波形【1】、【3】为保护两端的电压值，波形【2】、【4】为保护两端的电流值，波形【5】为两端电流差。当电流差值突增是，故障发生。图4.12母联三相接地故障仿真图图4.13母联两相相间故障仿真图4.1.4110kV母线故障在110kV母线的保护区域内设置故障，故障发生区域如图4.14。由于这里涉及到有三端信息采集点，在运用差动保护来区分正常运行和故障的情况时，采用和前面变压器仿真模块的同一方法，利用基尔霍夫电流定律，流入的电流等于流出的电流。将流入节点（这里为110kV母线）的电流与流出节点电流之和做电流相量差比较，当电流差值突增，故障出现。图4.14110kV母线故障模块如图4.15和4.16为故障仿真波形图，在第5秒时，故障发生，电流差突增。其中，波形【1】、【2】、【3】为三端的电流值，【1】为流入值，【2】、【3】为流出值。波形【4】为电流差值。图4.15110kV母线三相接地故障仿真图4.16110kV母线两相相间故障仿真4.2变电站仿真模型与智能二次设备之间的互联互通在本课题的智能变电站仿真实验室中，二次保护设备有：220kV母线保护、110kV线路保护、220kV母联保护、220kV线路保护、110kV母线保护、220kV变压器保护。在这里将前面建立的变电站仿真模型传输的数据信息与已经自动化配置好的二次保护设备进行连接，实现它们之间的互联互通，进行智能变电站的整体仿真。4.2.1一次设备与二次设备之间的连接在前面第三章节对各个装置之间的通讯IP地址以及配置完成了，接下来可以将各个设备之间连接起来，连接起来进行具体的通讯。为了实现智能变电站的整体仿真，需要将变电站一次设备模型的运行数据传送给二次设备，相互反馈。以110kV的线路保护为例，有两台110kV的线路保护断路器对110kV输电线路进行保护，将仿真模型数据与110kV保护设备1通过信号发生器（作为合并单元）连接，信号发生器在两个设备之间一端通过网线另一端通过双模光纤进行数据的传输。另一端，在电脑仿真中打包同样的仿真模型数据与110kV保护设备2通过信号发生器（作为合并单元）连接，同时，两保护设备之间要通过光纤进行收、发两端的连接。具体连接如下图4.17。图4.17设备之间的联通4.2.2SCD文件查看分析用KM9Kscdtool工具可以非常直观的看到在前面配置的SCD文件中各个IED设备的信息，在这里将上一章节的IED配置的IED内、外信号之间的“连接”形象化，各个设备之间的所有信号通讯口连接都是一个端子，形象命名为“虚端子”，将虚拟的端口形象化。通过点击具体的装置模块，来查看设备之间是怎么进行连接的，又是通过什么方式进行信息传送的，通过这个工具软件可以将SCD文件的内容更加形象的呈现出来。如图4.18是加载入SCD文件后的页面，显示了SCD文件中含有的所有设备。图4.18IED信息模块列表点开其中一个IED模块，如变压器保护，可以看到保护模块由哪一些部分组成，他们之间交互又是通过哪一种通信方式的。如下图4.19是变压器的保护模块图。在该模块中点击其中一段连接线，里面会有详细的内部虚端子连接图，如图4.20。而这一些内部虚端子的连接对应的就是上一个章节里面的Inputs配置界面内部信号和外部信号的配置，在这里以物理连线的方式呈现出来，可以更加直观的看出他们内部连接关系。图4.19变压器保护模块图4.20虚端子连接图4.2.3报文分析在装置联通以后，可以将保护设备的运行信息传输到电脑，在二次设备运行时进行报文的捕捉和分析，如果可以顺利捕捉到报文，说明设备之间已经可以联通并进行通信传输了。在本课题实验中可以利用报文捕捉分析来判断保护设备是否配置正确。本课题中利用装有ZHNPA软件的电脑与保护设备连接后捕捉报文来对报文进行分析，对运行中产生的信息进行捕捉，如在运行中的电流和电压信息、检修信息、故障信息等。报文的捕捉和分析在实际的智能变电站运行中起着非常重要的作用，对于智能二次保护设备的故障排除工作不可或缺。软件基本的操作界面如图4.21。图4.21软件操作界面从图4.21可以知道，一个报文文件打开的时候，在软件的主界面会显示所有的报文，可以根据界面上显示的报文捕捉时间、网口号、APPID等来选择需要的报文。点击相应的报文，会在报文分析区展示具体的报文信息。接下来，选取实验过程中110kV线路1保护与合并单元的连接在正常运行时捕捉到的一个报文进行分析。如图4.22，4.23，在报文分析区中的“SequenceofData”下可以显示21个通道的数值，这个通道的值是两台设备之间进行数据传输时获取到的值，每一个“通道”由两个“虚端子”形成。在上一小节通过SCD文件查看工具可以非常直观的看到抽象实物化的“虚端子”之间的连接，本节就是获取两个具有对应关系的“虚端子”之间连接通道的信息，通过两个工具之间的配合使用，可以更加明确设备之间的是“怎么传输”、“传输的是什么”。在进行实验测试时，选取电压值6个值进行传送，在图4.23中，共有7个通道有数值，第一个通道值中显示的是基准值，其余的6个通道值是接收的6个电压值。一个通道对应两个端子之间的连接，通道与保护装置和合并单元端子之间对应关系如表4.1。图4.22报文分析1500-798721500-79872-79872312320312320-231424-231424图4.23110kV线路1保护电压值表4.1各通道对应的虚端子通道对应的虚端子通道对应的虚端子02A相电压1、保护A相电压Ua108A相电流1、保护A相电流Ia103A相电压2、保护A相电压Ua209A相电流2、保护A相电流Ia204B相电压1、保护B相电压Ub110B相电流1、保护B相电流Ib105B相电压2、保护B相电压Ub211B相电流2、保护B相电流Ib206C相电压1、保护C相电压Uc112C相电流1、保护C相电流Ic107C相电压2、保护C相电压Uc213C相电流2、保护C相电流Ic2将界面切换到SV波形分析，如图4.24，与上面的各个通道值相对应的，图中显示示的是通道的波形图，一个通道对应一个波形。在波形分析界面中有T1和T2两个光标，TI光标是黄色的虚线部分，表示起始的接受位置，T2光标是紫色的虚线部分，T2光标可以在波形分析界面通过单击定位，在定位后，可以在波形界面上方看到两个光标的报文接收时间、采样时间等的信息。在图