配电网继电保护培训系统设计与实现

郭谋发, 陈志欣, 高 伟, 洪 翠, 陈伟凡, 杨耿杰

(福州大学 电气工程与自动化学院, 福建 福州 350116)

目前,已有的继电保护仿真培训系统多应用于变电站和发电厂[1-7],有些研究是面向电力系统应用开发的继电保护仿真培训系统[8-13]。利用软件模拟配电网短路故障,难于验证保护配置与动作特性。

本文研制了一套融合物理模拟和软件仿真的配电网继电保护仿真培训系统,该系统综合了理论培训、实训操作、实物验证以及考试等多种培训形式,是提升配电网继电保护学习培训效果的高效培训平台。

1 系统的结构和功能

系统主要由配电网继电保护物理仿真平台(以下简称物理模拟平台)和配电网继电保护配置与整定软件(以下简称软件仿真平台)组成,系统构成框图见图1。

物理模拟平台以配电网常见辐射式网络为原型,利用相似性原理建立网络结构和参数确定的配电网模型系统,并配置了配电网常用微机继电保护装置,学员可在该平台上进行真实的保护配置与整定操作,并能实验检验配电网故障时的保护动作特性。

图1 系统构成框图

软件仿真平台基于图形化界面设计,集保护配置整定与保护理论培训及考试为一体的软件系统,可实现配电网保护配置整定培训操作、配电网保护理论培训以及考试等功能。配置整定培训通过“绘制配电网络接线、拓扑分析、潮流计算、故障分析、保护配置与整定”的完整过程实现配电网继电保护配置与整定的操作培训,接线与物理模拟平台相同时,还能验证保护动作情况。

2 物理模拟平台设计

2.1 结构与功能

物理模拟平台的结构见图2。一次设备基于相似性原理设计,主要实现配电网电气主回路及常见故障的模型模拟；二次设备主要模拟配电网二次回路的测控及保护；监控软件以高性能PC为载体,通过通信服务器、数据库和应用程序,控制物理仿真平台中各模块实现信息交互。

图2 物理模拟平台结构

2.2 物理模拟原理

配电网物理模拟基于阻抗一致的等效原则,以380 V系统等效模拟实际10 kV配电网,并保留其物理特性的实物模型系统。设计模型系统电压、电流、阻抗、功率模拟比分别为26.32、1.0、26.32和692.75,该模拟比将作为实物模型设备的选型依据。

2.3 物理模拟平台电气主接线

我国10 kV配网配电网络接线模式主要为放射式接线,线路结构包括架空、电缆或缆线混合线路,因此本系统物理模拟平台采用如图3所示电气主回路设计。其中,d1—d7为预先设置的线路故障点,可通过接入故障模拟器模拟配电网短路故障,直观查验配电网保护的动作特性。同时,在914线路末端与设计了联络开关,可在必要时与924、925线路联络,模拟环网或是通过其他开关配合实现单辐射线路延长。

图3 物理仿真平台主接线

2.4 物理模拟平台主要电气设备

2.4.1 主变压器

变压器模型可相似于原型而与其电压变比无关[14],考虑实验室电压等级,确定模型变压器的电压变比为380 V/380 V。原型主变压器选定参照应用较为广泛的S(F)11系列110 kV三相双绕组无励磁调压电力变压器,并根据负荷选择合适容量,主变压器铭牌参数如表1所示(I0为变压器空载电流百分比，uk为短路电压百分比)。

表1 110 kV主变压器参数

根据模型系统设计的模拟比,得380V模型变压器的参数见表2所示。

表2 380 V模型变压器参数

2.4.2 配电网线路

配电网线路采用常见的π型等效模型,见图4。选择10 kV配电网常用架空、电缆线路参数,并根据阻抗一致原则,得到配电线路等效模型参数见表3[15]。满足参数要求的电气元件,按照图4的模型连接,即为配电网线路实物模型。

图4 线路π型等效模型

线路类型RΩ·km-1LmH·km-1CpμF·km-1CgμF·km-1架空线0.615 32.383 70.004 8450.688电缆线0.135 40.126 30.169 52.413

2.4.3 断路器

以接触器模拟实际系统中的断路器。通过PLC控制接触器的分合闸来模拟断路器遥控,通过采集接触器辅助触点反馈的开关状态作为遥信信息。实物模型主变压器低压侧三相短路电流最大有效值接近300 A,考虑一定裕度,选用施耐德LC1-D系列接触器分别模拟断路器和负荷开关,参数见表4(额定分断能力指440 V下的额定分断能力)。

表4 接触器参数

2.4.4 互感器

(1) 电流互感器。考虑最大带载及外接负荷裕度,电流互感器一次额定电流取定为30 A,二次额定电流5 A。考虑短路电流冲击,需耐受10倍及以上的额定电流,所以电流互感器一次和二次额定电流同时增加10倍,变比选择300 A/50 A。

(2) 电压互感器。实物模型的电压380 V,选择380 V/100 V的电压互感器。

2.4.5 保护装置

继电保护装置的选择应满足选择性、灵敏性、速动性和可靠性的要求,同时要简化配置便于学员操作。本系统采用具有成熟运行经验的珠海优特微机继电保护装置,选择UT-835S变压器保护测控装置作为主变保护,UT-811S线路保护测控装置作馈线保护。

2.4.6 故障模拟器

物理模拟平台最终目标是为了验证继电保护动作情况,给学员提供直观的实践操作,因此平台中的故障模拟器的高效精确性对培训效果有重要影响。本系统配电网故障模拟装置采用双向晶闸管实现,共设有11个晶闸管控制开关,通过不同的开关切换,以实现不同类型的故障生成,可模拟配电网中常见的短路、接地、断线等故障。由监控软件通过以太网设置故障模拟器的故障类型。

2.5 物理模拟平台的软件系统

主要包括上位机软件/监控软件和下位机软件/PLC软件。基于LabView2014和SQLServer2008开发的上位机软件,采用客户端/服务器结构,服务器与分布式设备通信,将分布式设备采集的原始参量读回并加以解析,监控软件总体结构见图5。

主要功能:监视和控制实物模型运行设备、开关；下发查询当前各线路电压、负荷电流、功率因素，以及各控制模块的在网状态和工作状态的命令；控制接触器的分合闸,切换系统的运行方式；数据存储与查询等。

微机/PLC软件主要功能是正常运行时控制模拟断路器分合闸，故障模拟时开断线路，以及实现遥控信息的上传下达。系统正常运行时,监控软件通过TCP/IP下发命令给相应PLC,由PLC直接控制相应的模拟断路器动作,也可通过外接FTU/DTU等设备下发控制命令给PLC；进行继电保护整定与验证实验时,由继电保护、外接设备等下发命令,相应PLC进入中断,迅速改变相应模拟断路器的控制状态,使模拟断路器动作切除故障。

图5 上位机软件总体结构图

3 软件仿真平台设计

软件仿真平台包括实训操作、理论培训和理论考试3大主要功能,对应培训的不同阶段。第一阶段,对学员进行继电保护知识、保护整定指导原则以及保护装置介绍等理论培训；第二阶段,学员可开展实训操作,在熟悉并掌握理论知识的基础上进行实例配置整定的练习操作；第三阶段是理论考试。

3.1 实训操作模块

实训操作模块是软件仿真中的核心模块,由人机界面层、算法层和数据库层组成,架构见图6。

图6 实训模块总体设计架构

(1) 人机界面层。实训操作模块的人机交互界面。结合第三方表格控件和Delphi中集成的VCL(visual component library)可视组件库等设计实现。包括完成配电网络接线图建立、编辑、保存等功能的网络接线图形界面，可对各个开关进行开关类型选择和保护配置的保护配置界面，可手动或自动地实现配置保护整定的整定界面，以及显示网络计算获得的短路电流、保护整定书、整定定值单的报表界面等。

(2) 算法层。包含了继电保护整定的基础算法,有网络拓扑自动分析、配电网潮流计算[16]、配电网短路计算[17]、基于导则的配电网保护自动配置与整定计算等。该层基于Delphi语法被封装成公共函数库,独立于界面及数据库。人机界面进行相应操作时调用对应算法,并输出计算结果存入数据库。

(3) 数据库层。实训操作模块采用Firebird数据库,实现各类数据的存储,并与算法层、人机界面层实现数据交互。主要包括图形参数表、短路电流数据表、整定保护数据表等。拓扑分析算法利用图形参数得到拓扑结构信息，然后算法层根据拓扑信息进行潮流计算和短路电流计算,得到短路电流数据表并存回数据库。整定计算算法读取短路电流计算结果以进行继电保护整定计算,并将整定结果存入数据库，最后在报表界面中读取短路电流数据表、整定书、整定定值单并显示。

实训操作模块实现时将配电网整定计算分为手动整定模式和自动整定模式。在手动整定模式中,要求学员根据国家电网公司颁布的相关整定导则提示,填写必要的参数,然后基于后台自动计算的结果选择合适的值作为整定定值,其界面如图7所示。自动整定模式是将学员操作的整定计算过程交由计算机完成,直接由后台程序自动识别网络拓扑并进行保护整定,得出保护整定定值单。还可以在手动整定后再进行自动整定,对比结果是否一致。

图7 保护手动整定界面

3.2 理论培训与理论考核模块

(1) 理论培训。理论培训模块设计为教员以演示并讲解的形式为学员授课。培训界面采用内嵌阅读器程序模块的方式,可以兼容PDF、PPT、TXT、DOC等格式的文件。

(2) 理论考核。理论考试模块的系统设计结构框图见图8。

教员机具备服务器端和客户端的全部功能,学员机仅有客户端功能。客户端具备基本的练习和考试功能。学员在激活考试前都可随意进行随机练习,在随机练习中答题之后可查看正确答案。一旦激活考试,开始自动计时,手动提交试卷或答题时间结束，客户端完成自动阅卷并将成绩上传至服务器端。

4 验证

4.1 物理模拟与PSCAD/EMTDC软件仿真对比

选定物理模型运行方式见图9,基于PSCAD/EMTDC搭建该方式原型系统仿真模型见图10。

4.1.1 相间短路故障

在物理模拟平台和PSCAD/EMTDC软件上分别进行故障点d1的三相短路实验,故障电流波形见图11,其中PSCAD/EMTDC的软件仿真波形已根据模拟比将数据按比例缩为380 V电压等级。

图8 理论考试模块结构框图

图9 物理模型运行方式

图10 PSCAD/EMTDC仿真模型

由图11中可知：(1)同一故障点三相短路电流的稳态幅值均约为180 A,说明物理模型与基于PSCAD/EMTDC搭建的实验模型的稳态特性能够较好吻合；(2)从PSCAD/EMTDC仿真模型得到的短路电流波形暂态过程相对更加明显,这是因为PSCAD/EMTDC仿真模型的暂态等效参数(R、L、C)较为理想,而物理模型的暂态等效参数受到互感、互阻等多方面因素的制约,使得其暂态过程较为不明显，另外由于物理模型故障初相角不可控,因此故障初相角不相同也是两者暂态过程差别较大的原因；(3)相比PSCAD/EMTDC仿真,物理模型仿真的短路电流波形在稳态时,呈现出轻微三相不平衡的现象,这是由于主变T1的三相等效电感和电阻等参数不平衡所致。

图11 三相短路电流波形对比

4.1.2 保护动作时效

将电流保护配置为瞬时动作,并在故障点d1进行AB两相短路实验，得到故障波形如图12所示。

从图12可知：PSCAD/EMTDC仿真中保护的动作情况接近理想情况,耗时约0.012 s动作于跳闸；而实物模型中的保护耗时约0.12 s动作于跳闸,虽然在合理范围之内,但对于瞬时动作的要求而言,时延还是稍微偏长。究其原因,影响物理模型仿真的瞬时保护动作时延的因素主要有:(1)检测元件和检测回路的延迟；(2)控制跳闸的微机发出跳闸信号的延迟；(3)继电器的延迟；(4)保护开关具有一定的固有分闸时间。

4.2 物理模拟实验与软件仿真实验结果对比

物理模拟平台按图9所示接线运行,对同一接线系统,分别在物理模拟平台和软件仿真平台进行故障实验,对比二者短路电流结果，如表5所示。图13所示为软件仿真平台建立的系统接线模型。

图12 两相短路电流波形对比

表5 两平台的故障电流值

物理模拟平台实测电流值在380 V等级下测得,软件仿真平台基于10 kV等级计算得到。虽然由于物理模拟电气设备参数非标准，造成了一定的短路电流偏差,但并不影响继电保护的整定与验证。

4.3 物理模拟、软件仿真与PSCAD/EMTDC仿真对比

在软件仿真平台上进行绘图建模,并利用软件模型进行自动整定计算,得到定值单见表6。

表6 案例整定定值单

图13 软件仿真平台接线模型

按照表6保护定值配置于物理模型中,并在3个案例对应的运行配置方式下进行各个故障点的短路实验,记录保护动作情况。同时利用PSCAD/EMTDC搭建对应的模型,并将保护定值分别设置于保护模块中,同样进行相同故障点的短路故障仿真,记录保护动作情况,以此作为物理模型保护验证的对比参照。保护动作验证结果见表7。

PSCAD/EMTDC仿真和物理模拟平台中的继电保护动作情况完全一致,说明物理模拟平台能够较准确地实现对实际10kV配电网继电保护动作特性的模拟。从电力系统继电保护的选择性要求角度来分析,案例中,当每个故障点发生三相短路或两相短路故障时,都由保护该线路的开关可靠地动作,完全满足选择性要求。速动性方面,由于需要考虑保护装置的通信延迟、继电器的动作时延、断路器的固有分闸时延等因素,因此保护配合的时间级差设置为0.2 s,保护原则上越快动作越好,但其前提是满足选择性。

表7 案例一保护动作记录

5 结论

本文研发的基于物理和软件仿真的配电网继电保护培训系统,物理模拟平台基于相似性原理构建,可较好地模拟实际配电网短路故障的电流稳态特性；软件仿真平台提供理论培训、保护配置与整定、实训操作、理论考试等功能。软件仿真平台能够准确地计算配电网模型的潮流分布和短路电流,并按照整定导则进行配电网继电保护的配置和整定计算。根据软件模型的继电保护整定结果在物理模拟平台上进行保护动作行为的验证,实际保护动作行为与理论分析保护仿真结果一致,且继电保护动作情况满足选择性、速动性、灵敏性、可靠性,说明软件仿真平台得到的整定方案与物理模拟平台均具有较好的实用性和有效性。