基于数字化模拟断路器的备自投不停电测试装置的研制与应用

王 贺钱雅云周 磊韩民畴

(1.国网安徽省电力有限公司蚌埠供电公司,安徽 蚌埠 233000;2.武汉凯默电气有限公司,湖北 武汉 430223)

0 引言

备用电源自动投入装置(简称“备自投”)是当工作电源因故障跳闸后,自动迅速地将备用电源投入的一种自动装置。它可以提高供电可靠性、简化继电保护配置。然而目前备自投变电站现场测试调试还存在如下问题:对备自投进行全面测试时,已投运变电站需要对相关间隔进行断电配合调试,造成一定的经济损失;在备自投调试过程中,采用测试仪模拟运行装置时,多为全人工手动控制开关量和模拟量的变化,自动化水平低,测试效率低;备自投调试过程中动作逻辑复杂,需要同时模拟多个断路器动作状态和电压电流状态,缺少能实现此功能的测试装置。

国内研究机构对整装置功能建模和仿真已经开展研究工作,并有成熟产品,但在模型与实际装置混合仿真平台研究方面还处于起步阶段。近年来,国电南京自动化股份有限公司开展了智能变电站二次设备仿真相关技术的研究,开发了智能变电站二次仿真培训系统,采用数字化仿真手段,通过数字化信息接口和二次信息网络传输,构建了包括电力系统一次模型仿真子系统、智能变电站二次仿真子系统。在国内变电站继电保护设备普及IEC 61850通信规范的大背景下,目前继电保护测试系统主要基于IEC 61850模型,各厂家生产的“九统一”保护装置具有良好的兼容性,为开展备自投测试相关设备的数字化模拟奠定了基础。

目前,国内在继电保护设备测试,新建变电站验收,消缺或定检等任务划分、任务流转方面有一定研究,但在备自投保护不停电测试技术方面还缺乏相关研究。本文针对备自投的工作原理[1],研究基于数字化模拟断路器[2]的备自投保护不停电测试技术,设计备自投测试装置,实现模拟多断路器功能和备自投保护不停电检修测试,对实现不停电检修具有重要的意义,为推动备自投设备高效可靠测试的工程应用提供指导和借鉴作用。

1 备自投不停电测试装置

本文设计了备自投测试装置,并通过开发备自投测试软件,实现备自投的不停电测试,系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构示意

系统硬件主要由32位嵌入式CPU、32位浮点DSP、FPGA[3]和对外接口组成,对外接口包括8组光以太网、1组光串行接口、1对硬接点开入及1对快速硬接点开出、无线通信接口、SD 卡接口。光以太网接口实现IEC 61850-9-1/2、GOOSE 报文的接收与发送,可接入光数字备自投装置、合并单元、智能终端及IEEE 1588时钟;光串口采用复用技术,可接入支持FT3接口的光数字备自投装置、合并单元,或具有光IRIG-B 接口的时间同步系统。SD 卡接口支持全站配置文件的导入和录波数据的导出。

本文基于上述硬件系统,开发基于数字报文备自投测试软件,设置断路器对象,配置每个断路器分位与合位状态所关联的电压、电流、遥信量的值,通过触发各断路器的状态,实现模拟断路器功能;采用数字式模拟断路器替代不停电间隔设备与停电间隔实际设备相互配合,实现备自投不停电检修测试工作;并通过图形化控制界面模拟多断路器功能,实现备自投保护测试功能。系统软件架构示意如图2所示。

图2 系统软件架构示意

人机交互模块用于导入解析SCD 文件,输入备自投主接线图参数,建立断路器图元的关联关系和母线图元的关联关系。可视化控制模块,根据人机交互模块输入的备自投主接线图参数、断路器图元关联关系和母线图元的关联关系自动生成备自投主接线图,并在人机交互模块可视化展示备自投主接线图。数字模拟断路器模块,依据断路器图元与SCD 文件中对应位置信号的关联关系以及备自投逻辑模块的备自投逻辑控制信息生成断路器状态信息,并根据断路器状态信息控制断路器图元的状态,进行断路器图元的状态模拟。备自投逻辑模块,输出备自投逻辑[46]控制信息到数字模拟断路器模块和实验控制模块;实验控制模块,通过接收数字模拟断路器模块输出的断路器状态信息以及备自投逻辑模块输出的备自投逻辑控制信息,来控制GOOSE收发模块、SV 收发模块以及开关量模块输出到备自投,同时将接收到的备自投输出GOOSE信号和开关量信号传输给数字模拟断路器模块及备自投逻辑模块。

2 技术路线的实现

2.1 数字化模拟断路器

基于数字报文的便携式数字化模拟断路器替代传统模拟断路器,通过抽象断路器在调试测试过程中的输入输出以及状态切换,来模拟真实断路器不同状态的对外影响,如图3所示。

图3 数字模拟断路器示意

数字化模拟断路器可根据接收到的GOOSE信号和开关量信号对断路器图元的状态进行控制,触发断路器图元的状态变化和断路器图元对应关联的电压信号、电流信号、开关量信号的变化,实现原理如下。

(1)通过软件虚拟设置多个断路器对象,每个断路器对象可配置分位与合位等状态。

(2)根据实际断路器分合所影响的电气量,建立断路器图元的关联关系和母线图元的关联关系,包括:建立每个断路器图元与SCD 文件中对应位置信号的关联关系,建立断路器图元的分位状态与合位状态所对应的电压信号、电流信号、开关量信号的关联关系,以及对应的电压信号、电流信号、开关量信号的分合状态值;每个数字模拟断路器关联位置状态切换信号;建立各段母线和母线电压信号的关联关系以及母线电压信号对应正常态或失压态的值。

(3)每个断路器可关联位置状态切换信号,如保护跳闸信号、合闸信号、遥控分合信号、手分手合信号、备自投跳合信号等。模拟断路器可依据关联的位置状态切换信号自动触发断路器位置的变化,并触发对应关联模拟量、开关量的变化。同时,在模拟断路器图元上可手动点击触发各断路器的状态,并编辑各关联模拟量和开关量的值。

(4)母线电压对象通过判断相关联断路器是否与电源端相连来自动实现正常态和失压态的切换。每段母线正常态和失压态与各相关断路器分合态的逻辑关系可预制在程序中。

2.2 备自投不停电检修

在数字化模拟断路器基础上,研究不停电检修技术[7-8],通过断路器状态和关联信号,以及状态触发信号的配置,测试仪能自动仿真断路器各态的输出,并能依据备自投的跳合闸命令自动切换状态。针对智能变电站中的多电源备自投装置,可同时配置多个断路器模型,采用数字式模拟断路器替代不停电间隔设备,并与停电间隔实际设备相互配合,完成备自投保护功能校验工作。

在临床产科内，前置胎盘并发胎盘植入属于较为严重并发症，通常会造成大出血，使产妇与胎儿生命受到直接威胁，对此，强化产妇胎盘植入诊断和检测尤为重要，不仅可以防止出现产后大出血情况，而且还具有临床推广价值[1]。在本次研究中，选择前置胎盘并发胎盘植入诊断患者89例，主要研究腹彩超多普勒超声的诊断价值，具体如下。

如图4所示,母线1、母线2、进线1、进线2和分段1都在运行状态,分段2、母线3和进线3为扩建间隔,处于停电调试状态。运用本文不停电调试技术,可以利用数字化模拟断路器替代运行设备,而不用将图4中运行设备停电就能与非运行设备联调测试备自投。具体实现步骤如下。

图4 备自投不停电测试示意

通过人机交互模块设置备自投主接线图参数,可视化控制模块生成备自投主接线图。选择待测备自投IED 后,自动搜索与待测备自投IED有虚端子连接关系的关联IED。在关联IED 中确定非停电需要模拟的IED 设备,利用数字化模拟断路器主要模拟运行设备的合并单元以及智能终端,进线设备状态切换以及发出与设备状态对应的SV 信号和GOOSE 信号,同时,可以模拟保护装置发出闭锁信号。

数字模拟断路器模块根据接收到的GOOSE信号和开关量信号对断路器图元的状态进行控制,触发断路器图元的状态变化和断路器图元对应关联的电压信号、电流信号、开关量信号的变化。备自投逻辑模块根据接收到的GOOSE 信号和开关量信号进行逻辑判定,完成备自投的测试,并生成测试报告。

步骤1,通过人机交互模块设置备自投主接线图参数,可视化控制模块生成备自投主接线图。如输入单母三分段接线,每段母线1个进线,就可以自动生成图4所示主接线。

步骤2,导入SCD 文件,选择待测备自投IED后,自动搜索与待测备自投IED 有虚端子连接关系的关联IED。如图4所示,可搜索出进线1、进线2、进线3以及2个分段和母线的保护装置、智能终端、合并单元.

步骤3,在关联IED 中确定非停电需要模拟的IED 设备,利用数字化模拟断路器主要模拟运行设备的合并单元以及智能终端,进线设备状态切换以及发出与设备状态对应的SV 信号和GOOSE信号,同时,可以模拟保护装置发出闭锁信号;

步骤4,选择备自投逻辑模块的备自投逻辑控制信息。如图4所示,变电站可选扩展分段备自投逻辑;

步骤5,数字模拟断路器模块依据断路器图元与SCD 文件中需要模拟的IED 设备对应位置信号的关联关系,以及备自投逻辑模块的备自投逻辑控制信息,输出断路器状态信息到对应的断路器图元,进行断路器图元的状态模拟,触发断路器图元的状态变化和断路器图元对应关联的电压信号、电流信号、开关量信号的变化。如图4所示,可以建立进线1、进线2、分段1共3个模拟断路器,并分别将备自投跳合各断路器的GOOSE 出口信号关联为断路器的状态切换信号,同时将智能终端的断路器位置信号,以及合并单元的母线电压、进线电压以及进线电流,关联为模拟断路器的状态输出信号;

步骤6,实验控制模块通过接收数字模拟断路器模块输出的断路器状态信息和备自投逻辑模块输出的备自投逻辑控制信息,控制GOOSE 收发模块、SV 收发模块以及开关量模块的输出到备自投。实验控制模块接收待测备自投IED 输出的GOOSE信号和开关量信号,将接收到的GOOSE信号和开关量信号传输给数字模拟断路器模块及备自投逻辑模块。数字模拟断路器模块根据接收到的GOOSE信号和开关量信号对断路器图元的状态进行控制,触发断路器图元的状态变化和断路器图元对应关联的电压信号、电流信号、开关量信号的变化。备自投逻辑模块根据接收到的GOOSE信号和开关量信号进行逻辑判定,完成备自投的测试,并生成测试报告。

2.3 图形可控的备自投测试

备自投测试装置通过图形可控的测试方式实现备自投的不停电测试。通过构建常见电气设备图元库,包括母线图元、线路支路图元、主变压器支路图元,根据母联类型建立分段图元或母联图元。依据人机交互模块输入的备自投主接线图的母线类型调取母线图元,并根据每段母线上所配置的线路支路数或主变压器支路数的最大值,将线路支路图元、主变压器支路图元均匀分布在对应的母线图元上。各段母线图元之间依据母联数或分段数,用母联图元或分段图元进行连接,从而实现主接线图的自动生成[9],特殊的接线模式可以提前预制好模板。如图5所示,只需要选择外桥接线即可,如果模板和实际情况有差异,可以人工进行微调整。

图5 主变压器备自投示意

通过图形可控技术,自动生成的主接线图上的图元都是可控对象。测试人员可简单直观的在主接线图上同时操作模拟多个断路器的状态,实现备自投的功能测试。主接线图可由设置接线类型和母线数以及支路数自动生成。工作人员仅需要在装置图形化的界面上进行数据量的设置操作,所有通道输出由平台后台程序自动完成。如可以通过点击断路器图元来控制断路器的分合同时输出对应状态的关联信号数据,点击母线图元可以控制母线失压或单独控制某相电压的值。此外,为了便于下次调试,该测试装置还设置了一键存储功能,可以直接将正确的设置数据保存下来,下次调试时直接调取使用。

3 实际应用分析

本文研究的基于数字化模拟断路器的备自投保护不停电测试技术在某110 k V 变电站试点应用,使用数字式模拟断路器替代不停电间隔设备,与停电间隔实际设备相互配合,完成备自投保护功能校验工作。

图6是自动绘制的主接线图,备用线是扩建间隔,需要用测试仪模拟其他运行间隔。具体实施应用如下。

图6 系统自动绘制的某110 kV变电站主接线图

第1步,通过人机交互模块设置备自投主接线图参数,输入单母线分段接线,每段母线2个进线,并给设备命名,自动生成图6所示主接线。

第2步,导入SCD 文件,选择待测备自投IED后,自动搜索与待测备自投IED 有虚端子连接关系的关联IED。SCD 解析设置界面如图7所示。

图7 SCD解析设置界面

第3步,在关联IED 中确定河西I回、南山线、分段110、河西II回以及母线的合并单元及智能终端为非停电需要模拟的IED 设备。

第4步,选择备自投逻辑模块的备自投逻辑控制信息。该变电站可选进线及分段备自投逻辑。

第5 步,在主接线图上选择河西I回、南山线、分段110、河西II回、以及母线I和母线II为模拟对象。将各间隔智能终端的断路器跳位监视信号以及合并单元的母线电压、进线电压以及进线电流关联为模拟断路器的状态输出信号。

第6步,对河西I回、南山线、分段110、河西II回模拟断路器分别将备自投跳合各断路器的GOOSE出口信号关联为断路器的状态切换信号。

第7步,将测试仪和备自投以及没有模拟的实际设备的光纤接好,开始对备自投的逻辑进行测试。测试完成后测试仪会将测试过程和测试数据记入测试报告。

通过某110 k V 变电站的试点应用,证明只需进行断路器状态、关联信号以及状态触发信号的简单配置,测试仪即可自动仿真断路器及母线各状态的输出,并能依据备自投的跳合闸命令自动切换状态。针对智能变电站中的多电源备自投装置,可同时配置多个断路器模型,采用数字式模拟断路器替代不停电间隔设备,并与停电间隔实际设备相互配合,完成备自投保护功能校验工作。

4 结论

为解决备自投现场调试中遇到的测试效率低、停电时间长等问题,研制基于数字化模拟断路器的备自投保护不停电测试装置,通过数字模拟断路器、备自投不停电检修、图形可控测试等技术路线,实现多断路器对象的自动模拟和备自投保护不停电检修测试。此测试装置在变电站现场应用中操作过程简单直观,大大提高了备自投的测试效率,减少了停电调试带来的损失,同时,提高了备自投测试的全面性,保障了备自投的安全稳定运行。