智能变电站实时闭环测试技术研究及应用

李 鹏，王玉婷，刘 玙，高 磊，袁宇波

(1．江苏省电力公司电力科学研究院，南京市211103;2．国电南京自动化股份有限公司，南京市211106)

0 引 言

智能变电站集成度较常规变电站有很大提升，与传统变电站建设规律不同，智能变电站在现场调试前须对装置单体功能、系统整组、网络性能、采样同步性等进行集中测试［1-2］。

集成测试模式可以在智能变电站发展初期发现和解决许多设计、配置及性能等方面的问题，极大地减轻现场调试工作［3-4］。

目前，随着智能变电站二次设备技术规范的日趋完善，集成测试项目和指标已较为成熟。但为满足大规模建设的要求，集中测试的内容有待进一步完善，除了保证调试工作的全面性和完整性，还应通过动模试验系统检验设计的合理性，这也有助于探索智能变电站投运后运行、检修等相关问题的解决方案，并为技术监督、故障分析等奠定基础。

实时数字仿真(real time digital simulator，RTDS)系统是基于并行计算的全数字电磁暂态实时仿真系统，其模型和仿真精度已获得业内较高的认可度［5-7］。以RTDS 为核心构建数字动模试验平台能够在系统及全站一次设备建模的基础上，动态模拟实际电力系统的特性，并与控制保护装置接口实现动态闭环测试［8-12］。

本文结合智能变电站工程建设的需要，提出基于RTDS 系统的智能变电站数字动模试验模式，并设计智能变电站二次设备集中闭环测试方法，最后针对某500 kV 智能变电站工程，介绍在集成联调期间开展的全站二次系统数字动模试验。

1 RTDS 系统简介

RTDS 系统综合了先进的计算机软硬件，硬件完全模块化，可扩展以适应复杂系统;用户与数字仿真设备之间通过图形用户界面PSCAD 进行沟通联系，PSCAD的PC 机版本被称作RSCAD，整体结构如图1 所示。

图1 RTDS 系统整体结构Fig.1 Overall structure of RTDS system

1.1 硬件系统

RTDS 系统由Rack 组成，多个Rack 可进行级联，Rack 的数量与仿真规模相关，每个Rack 包括多个处理板卡。目前最新的处理板卡是PB5 卡，一块PB5 卡可以进行144个单相节点的网络解运算。对于较大规模电网的仿真，可以分割成几部分在不同的处理板卡中实现并行计算。

输入输出接口板卡是RTDS 系统中的一个重要部分，用于实现与控制保护等外围物理设备的接口，常用的接口板卡有以下几种［13］:模拟量输出板卡GTAO 卡，输出12 路±10 V 范围内的模拟量小电压信号;数字量输入卡GTDI 和数字量输出卡GTDO，带宽达2 Gbit/s，均支持64 路开关量，其内部回路及外部接线如图2 所示。

图2 开关量输入输出板卡回路及接线Fig.2 Circuit and connection of GTDI and GTDO card

1.2 软件系统RSCAD

RSCAD 是实现RTDS 系统硬件与用户进行联系的软件界面，可利用RSCAD元件库中的模型或自定义模型完成相关建模，并在连续运行的情况下完成各种操作，主要包括Draft、Runtime、CBuilder 和TLine/Cable 等模块。

2 RTDS 系统数字动模试验

基于RTDS 的数字动模试验主要由软件建模和硬件配置2 部分组成。软件建模包括电网建模、控制逻辑设计、输入输出配置、操作及显示设置。硬件配置完成RTDS 接口板卡、功放及控制保护间的连接，实现RTDS 与控制保护的闭环。为了便于结果分析，关键模拟量和开关量信号应接入录波装置，试验系统原理见图3。

图3 RTDS 数字动模试验原理Fig.3 Digital dynamic test principle base on RTDS

由图3 可知，RTDS 处理板卡计算的电网动态数据通过各接口板卡与控制保护设备进行电缆连接。GTAO 完成电网动态数据的D/A 转换，实现模拟量的实时输出。可根据控制保护模拟量输入方式来确定直接接收小电压信号，还是接收经功放输出的电流、电压信号;GTDO 完成开关量的输出，可为控制保护提供开关位置等数字量信号;GTDI 卡实现RTDS对外部开关量的输入，接收来自控制保护的跳合闸或控制等数字量信号。所有的接口板卡通过光纤进行级联，并在RSCAD 模型中进行信号端口的配置。

3 基于RTDS 的智能变电站闭环测试

智能变电站中保护测控等二次设备的采样值采用SV 报文传输，开关量采用GOOSE 传输，因此，需要以新的方式来开展其二次设备的动模测试。

3.1 测试原理

RTDS 公司开发的GTNET 卡是专门针对RTDS与外部设备在IEC 61850 规约下交互连接的，具有GTNET_SV 和GTNET_GSE 2 种模式，但由于国内外IEC 61850 －9 －1.9 －2 协议(以下简称9 －2 协议)的差异，目前GTNET_SV 与国内现有SV 大多不兼容，GTNET 卡仅用于GOOSE 传输。

目前，智能变电站在设计和建设中，一般通过合并单元(MU)将经传统互感器变换的电气量以SV 报文形式传输给保护测控等装置;利用智能终端(IT)收发GOOSE 报文实现保护与断路器等设备间开关量的传输。现阶段，一些工程甚至取消了MU，互感器二次输出直接经电缆接入保护装置，采用电缆采样、GOOSE 跳闸的模式。

在智能变电站集成测试阶段，数字动模试验作为系统级测试，应尽可能模拟实际系统运行情况。将GTAO 板卡输出的小电压信号经功放放大来模拟互感器二次输出，并经电缆接入MU，由MU 向保护测控装置输出SV 报文;对于电缆采样的模式，功放输出的电压电流直接接入保护装置;保护跳闸及开关位置状态经智能终端与RTDS 系统接口板卡相连，测试原理如图4 所示。

随着电子式互感器技术的成熟，未来可能会大量应用在智能变电站中，对采用电子式互感器的二次系统进行RTDS 动模试验时，应进行以下改进:(1)将MU 中的电子式互感器输入板改为常规电压电流输入板来接受功放输出的电压电流;(2)更新GTNET卡SV 模式，使其适应国内所应用的9 －2 协议(目前RTDS 公司正在进行该工作);(3)开发能够将RTDS输出的小电压信号直接转换为9 －2 采样值报文的中间装置。

图4 智能变电站设备数字动模试验原理Fig.4 Digital dynamic test principle of intelligent substation device

3.2 测试模式

目前，智能变电站中模拟量采样主要用“电磁式互感器+合并单元”的方式或“电磁式互感器经电缆直接接入保护装置”的方式。在智能变电站集成测试过程中，利用RTDS 进行局部电网电磁暂态建模，根据测试目的采用不同的试验模式。

3.2.1 全站系统测试(模式1)

全站系统测试模式下，合并单元、智能终端及保护测控按工程实际进行配置和整定，相关光口(包括SV 点对点、GOOSE 点对点及组网光口等)之间正确连接，如图5 所示。实际中，智能终端一般采用强电开入(如DC110 V)，GTDO 板卡输出的开关位置信号需经中间继电器接入智能终端。

图5 全站系统测试模式Fig.5 Systematic test mode of overall substation

该模式最接近实际运行，可以进行二次系统整体测试及SCD 文件检测等，但接线复杂，特别是当线路保护涉及线路对端保护的配合时，需要集成测试现场具备对侧保护设备。

3.2.2 保护功能测试(模式2)

可采用图6 所示同步测试模式进行智能变电站保护功能测试，图中以线路保护为例。

图6 同步测试模式Fig.6 Synchronous test mode

图6(a)所示的接线方式下，合并单元、智能终端按保护进行配置，光口之间正确连接。若有多种型号的保护装置，为简化试验及接线，可采用同步测试的方式，即对于线路各侧保护的采样值回路，电压并联、电流串联连接至合并单元;对于线路各侧开关量回路，智能终端跳闸或开关位置信号电缆经并接后至GTDI 卡(各智能终端开入的直流电应取自同一电源)。这种方式能实现多个保护的同步测试，便于比较各厂家相同类型线路保护功能及性能的差异。该方式下，线路两侧可采用智能化保护，两侧装置连接相同，均如图6(a)中智能化侧连接方式;也可采用线路一侧采用智能化保护，对侧采用传统保护，传统侧二次电压电流及开关量回路经电缆直接连接。这种测试方式能进行各间隔相关设备(包括保护装置、合并单元及智能终端)及二次回路功能的整体测试。

同步测试时，为了简化接线，多台保护可利用交换机连接智能终端进行网络跳闸，这需要对保护和智能终端重新进行配置，且保护和智能终端组网光口与交换机相连，如图6(b)所示。

对于其他元件保护，试验原理类似，图6 所示方式均适用，只需按智能化侧进行接线即可。这种方式适合保护装置功能测试，可进行采样回路的性能检测，其中互感器的动态行为在RTDS 中实现，合并单元的性能由装置本身决定。该模式也适用于开展差动保护电流的同步性测试。

3.3 测试项目

利用数字动模试验可以实现智能变电站保护测控装置、合并单元、智能终端、监控系统等的闭环测试，验证二次回路功能和相关信号的正确性、网络运行工况对二次系统的影响等。测试项目包含保护装置常规的性能检测和针对智能变电站二次系统的特殊试验项目。

3.3.1 保护装置功能试验

保护装置功能试验包括常规功能试验和专项功能试验。根据《电力系统继电保护产品动模试验》的规定，常规功能试验主要开展以下几类测试:区内外金属性故障、发展性故障、转换性故障、区内外经过渡电阻短路、操作试验、系统频率偏移、互感器断线、电流互感器饱和等。对于变压器保护还要考核分接头调整引起差流增大时区内外故障下的动作行为，操作试验时空投产生励磁涌流的情形等。母线保护应考虑区内故障有电流汲出时保护动作行为等。

专项试验是针对工程实际要求对保护进行升级或特殊处理开展的试验项目，如某工程要求线路高频保护装置采用光纤/载波双通道“或”逻辑，要求线路高频保护具备串补功能等。根据这些特殊需求，可制定测试项目，开展专项功能试验。

3.3.2 智能变电站二次系统特殊试验

特殊试验主要针对合并单元、智能终端和监控系统及其二次回路。

检测合并单元异常时保护的动作行为，如合并单元重启或失电、合并单元同步光纤断开、数据光纤断开等情形下，保护的动作情况及同时发生区内外故障时保护的动作行为。

检测从故障发生到保护跳闸的整组动作延时，该延时包括合并单元延时、保护动作延时及智能终端延时。

通过断开外部对时光纤模拟时钟不稳定，检查保护的动作情况及同时发生区内外故障时保护的动作行为。

通过模拟网络风暴，检查保护情况及同时发生区内外故障时保护的动作行为，特别考核网络风暴时，开关拒动情形下失灵保护的动作行为。模拟一次系统多个断路器同时跳闸，考核监控系统数据处理能力。

3.3.3 差动保护同步性测试

针对线路差动保护、主变差动保护及母差保护开展同步性测试。检测不同负荷电流水平下，保护差流的幅值和相位;检测区外故障流过穿越性电流时，保护差流的幅值和相位及动作行为，考核差动保护电流采样的同步性。

特别对于智能变电站与传统变电站间的线路纵差保护，由于线路两侧采样方式不同，一侧采样为SV报文，而对侧采用模拟量直接采样方式，需重点考察两侧线路保护采样的同步性。分别输出线路本侧和对侧二次电流至合并单元和保护装置，比较两侧保护差流的幅值和相位，并模拟不同区内外故障考核保护动作行为。同步性测试时要求两侧线路保护光纤通道正常连接。

4 应用实例

在某实际500 kV 智能变电站集成测试中，利用本文方法完成了保护设备的数字动模试验。

4.1 系统模型

试验按照实际电网参数进行建模，其中，站内考虑实际接线形式，采用3/2 接线，本期共4 串，包括:1个完整串和3个不完整串，5条出线，如图7 所示。建模时完整保留相关线路，对周边系统按短路容量等值。线路3 为长线，采用分布参数模型，其余4 回线路按集中参数建模，线路1 和2、线路4 和5 均为同杆并架双回线，建模时考虑零序互感，系统单线图及保护配置见图7。

该站采样值采用电磁式互感器加合并单元的方式，跳闸采用GOOSE 点对点方式，相关继电保护均为特殊版本。

图7 500 kV 智能变电站局部等值系统Fig.7 Local equivalent system of 500 kV intelligent substation

4.2 试验方案及内容

4.2.1 线路分相差动保护测试

对工程涉及的3 种型号线路差动保护(PCS931、PSL603 及CSC103)按图6(b)方式进行同步测试。跳合闸均由线路保护控制，开关分合闸固有时间统一按30 ms 考虑。任何一个保护动作出口即可跳开RTDS 的模拟断路器，启用一套线路保护的重合闸功能，便于转换性故障测试。

为了全面考虑功率倒向、跨线故障及零序互感等的影响，试验中选定同杆双回线中的线路1 进行测试，设置了6个故障点，其中F1 和F2 为线路首末端故障，F3 为双回线跨线故障，F4 为双回线相邻线故障(考核本线功率倒向)，F5 和F6 为母线故障，对线路差动保护开展常规性能测试。图8 为线路1 发生F1 点A 相故障CT 饱和时的测试波形。

图8 线路1 A 相故障CT 饱和试验录波Fig.8 Test waveform of Line－1 A-phase ground fault with CT saturated

试验中，针对线路差动保护进行同步性测试，用功放为合并单元和常规保护提供二次电流，检查重负荷及区外故障穿越性电流下线路保护差流大小及保护行为。

4.2.2 线路高频保护测试

该工程中线路3 配置了一套高频保护，根据要求高频保护采用“光纤+载波”双通道“或”逻辑，即光纤通道和载波通道的动作出口跳闸采用“或”逻辑，远传信号双通道传输，且远传信号均通过线路保护转发，采用“或”逻辑。

针对高频保护除常规试验外，开展了双通道“或”逻辑验证的专项试验。利用RTDS 模拟线路3区内(F7)A 相和区外(F6)B 相同时故障，将光纤通道和载波通道“分相式命令”设置成不同，通过保护的动作行为来判断纵联保护是否满足“或”逻辑要求。

4.2.3 母差保护测试

针对母差保护开展保护常规功能测试及差动保护电流采样同步性测试。

4.3 试验结果

线路保护、母线保护装置在常规试验中均能区内故障可靠动作、区外故障不误动，动作行为满足全部检测项目的要求。故障发生到线路保护跳闸出口的整组动作延时不超过20 ms。针对线路3 高频保护完成了光纤/载波双通道“或”逻辑试验，保护功能、远传满足“或”逻辑要求。

线路差动保护、母差保护在穿越性故障电流下差流很小，装置采样值满足同步性要求。试验结果表明:被测保护装置能正确识别区内、区外各种故障，保护的功能和性能满足相关标准，符合工程实际的要求。

5 结 语

随着智能变电站的推广和应用，需要在集成测试阶段全面考察智能变电站二次系统在各种电网故障及二次系统异常情况下的性能指标。本文结合工程建设的需要，基于实时数字仿真系统RTDS 开展智能变电站二次系统数字化动模试验方法研究，设计了智能变电站二次系统闭环测试方法及方案，可用于开展保护功能试验、二次系统特殊试验，以及全站二次系统整体测试。对某500 kV 智能变电站工程，在集成联调与现场调试之间开展了全站二次系统数字动模试验，考察二次设备的动态性能，为智能变电站集成测试提供了有力的支撑。

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