基于数字技术的电力系统继电保护测试研究

吴 昊

（国网江苏省电力有限公司南通供电分公司）

0 引言

在过去的30年里，我们看到了从模拟技术到数字技术的转变。电力系统继电保护，已经历了这种技术转变，值得注意的是，在过去的15～20年里。IEC 61850，数字化变电站，智能电网的运用已经表明数字技术变革的概念，如今这种技术已融入到方方面面，这些通常可以被定义为“数字生活体验”。当数字孪生技术可用于继电保护和继电器保护测试集时，应用程序与虚拟测试的作用会显现。

“虚拟”与“模拟”相似，因此带来一些混淆，特别是在IEC 61850环境中，因此要加以区别。论文的第二部分讨论了IEC 61850环境下的仿真与基于电力系统继电保护应用的虚拟测试概念的区别。对虚拟继电保护测试将在第三部分进行了分析，更详细地介绍执行虚拟继电保护测试的方法：开环和闭环。超越虚拟试运行测试的好处已有文献说明，操作和维护数字电力系统可专门用于培训。最后探讨了本文研究对学术和工业的贡献。由于新技术发展是在标准化的环境下进行的，因此效率较高。

1 理论分析

1.1 IEC 61850电力系统继电保护分析

在电力系统的数字化和标准化的继电保护、控制和自动化分析中，通常指IEC 61850标准的仿真，其有两个重要的含义。所谓的“IEC 61850 Edition 2”第一个含义指，它与通过测试集模拟GOOSE（对象系统）信息或SV信息背后存在的特殊机制有关［1-3］。简而言之，这种机制允许将以太网通信网络测试信息与操作信息叠加在一起，而不需要断开操作信息的原始发送方。“模拟信息”的概念本质上与质量属性中的“测试位”相关联。这两个概念结合在一起，可以简单地测试一个设备或多个设备的继电保护功能，而无需断开设备本身或其他与IEC 61850通信网络的连接的设备，如图1所示。此应用较为方便，参考实际现场，此系统包含物理测试设备和物理保护和控制设备。

图1 操作平台

标准数字化变电站仿真的第二个重要内涵是“数据模型及相关IEC 61850通信的仿真”。其基本思想是，可以从测试设备／工具实现“模拟”设备运行。模拟设备的数据模型通常通过XML文件，用标准化的SCL语言描述。例如，保护通用跳闸功能可以在IEC 61850中用逻辑节点PTRC建模。逻辑节点PTRC的信号，反应在IEC 61850中称为数据属性［4-5］。“一般行程信号”表示为PTRC.Op.general。在保护装置运行跳闸时，提出IEC 61850数据模型中的通用跳闸信号，即提出数据属性PTRC.Op.general。这个数据属性可以通过标准化的通信协议（GOOSE或MMS报告）传送到系统的其他部分。总之，在IEC 61850中，保护装置总跳闸的发出被映射为数据属性PTRC.Op.general状态的变化，从而触发相关通信信息的生成。

由于保护装置的所有数据模型都可以在上述SCL文件中找到，因此仿真工具通过导入SCL文件来了解系统的数据模型。为了模拟设备的一般行程，测试工程师只需在模拟工具中 “提升” 数据属性PTRC.Op.general的适当位即可。在SCL文件中也有文件记录，例如，当这个信号被提出，根据IEC 61850命名确定一个GOOSE信息应该发送还是公布。因此，当数据属性被引发时，仿真工具自主地通过其以太网端口发送GOOSE信息。

1.2 概率过程分析

该模型是基于状态图生成的，方程组求解的方法计算了处于所有状态的概率。得到的系统可以用方程（1）的矩阵形式表示。

其中，T是跃迁强度矩阵，P是状态概率序列。

强度矩阵中跃迁强度i、j的值等于状态图上相应的跃迁强度。

在这种情况下，i对应于T中的起始节点数和行数，而j对应于获得的矩阵T中的结束节点数和列数，这称为连通性矩阵。主对角线矩阵元素由公式（2）计算。

因此，公式（3）可以求出系统在所有状态下存在的期望概率。

值得注意的是，系统（3）是纯形式的退化。为了解决此问题，后一个方程被方程（4）所代替。

P是线性方程组求解的结果。

2 数字技术和继电保护虚拟测试

继电保护和继电器测试装置是物理设备的功能副本，其中包括接口、功能和算法。

如果给出了两个数字孪生技术之间的互操作方法，则可以在虚拟环境中进行继电保护测试，而不需要在特定位置，也不需要在调试项目的不同阶段之间等待。此概念的基本思想是保护装置工具生成的软件文件和继电器测试集的用户界面的可重用性。这些文件可用于物理设备。

（1）对于保护装置，所有的修正，虚拟测试应包括设置，配置，逻辑等，最近转移到物理孪生的数字，包括物理继电器。

（2）对于测试集，这意味着相同的测试文件可以加载到物理测试设备中，允许在物理变电站中重复一些虚拟测试，以验证系统仍然按照它在虚拟世界中的工作方式运行。总之，数字孪生技术和各自的真实孪生访问相同的数据。

在继电保护测试和调试的研究中，本文方法首次允许将现场调试测试定义为虚拟执行的调试测试的子集如图2所示。FAT可以看作是测试的部分。

图2 继电器测试集

类似的定义已经可用于维护测试，定义为试运行测试的子集，但是这些测试总是“真实的”。显然，在试运行时，需要执行一些新的测试，以验证正确的连接，或者最终排除一些在项目试运行期间经常发生的问题，但优势十分明显，现场执行的测试数量与过去相比已经大为减少了。

执行虚拟测试的可能性创造的另一个重要优势是，现场的测试工程师已经知道继电保护设备工作状态。已经对保护装置和测试装置的行为有了充分的了解。基于此可判断以前是有效的，以及发生故障的过程。使调试工程师能够迅速找出几个可能的故障原因，与过去的情况相比，此系统是在测试过程中（调试测试或FAT测试）首次使用。此技术可以对虚拟调试在不同电力系统保护应用领域中实施。

除了正在测试的设备，继电器保护和间隔控制单元，变电站的主要设备，例如断路器、隔离器等，也可以在虚拟平台级别进行模拟，从而实现在FAT上进行更强大的测试虚拟化。

3 开闭环虚拟继电器测试

目前，在数字孪生技术之间进行交互的可用方法是通过标准的COMTRADE文件格式。在虚拟测试中，并非将实际电压、电流和二进制接触信号应用于测试集的继电器，而是通过COMTRADE文件数字化地提供给虚拟继电器的模拟输入和虚拟继电器的二进制输入，信号随时间的变化趋势存储在该文件中。

选择COMTRADE的原因是，首先，此文件是大多数电力系统工具如RTDS，PSSCAPE和ETAP使用的格式；其次，IEC 61850将COMTRADE标准作为记录器的文件格式；第三，COMTRADE是IEC和IEEE支持的双标识标准。COMTRADE文件的内容示例，如图3所示。

图3 稳态到单相故障的过渡

COMTRADE文件包含根据测试说明或测试文件的测试集的电压和电流发生器的输出。这个测试文件将生成一个COMTRADE文件，当测试在数字孪生测试集上运行时，并且当同一测试在物理孪生测试集上运行时，将从面板上的电流和电压放大器产生物理量。COMTRADE文件中包含的数据被与继电器的数字孪生子集相关联的服务“运用”。根据继电器数字双机的虚拟时钟，继电器数字双机以保护继电器的A／D转换器传输给继电器数字双机的方式处理数据。在此之后，继电保护功能的数字孪生行为以同样的方式，在现实中执行继电保护启动，跳闸，逻辑，创建通信信息或激活LED的继电器人机界面，激活继电事件记录器。继电保护的性能是通过分析继电保护本身产生的事件来评估的，因此这些测试被称为“开环”测试。测试及其测试结果对于调试过程非常有参考意义。

继电保护的数字孪生技术模仿保护继电器的行为，模拟滤波、信号调理和A／D处理的行为。与此同时，继电器测试装置的数字孪生技术无法模拟放大器的行为。然而，这些限制对于调试测试并不重要。相反，它们可能会引起类型测试或开发某些新的保护算法的关注，因为在这些算法中，保护继电器的模拟输入的行为可能具有基本作用。对于一个好的继电保护测试装置来说，产生的模拟信号几乎无失真。当继电器测试装置和保护继电器的数字孪生技术之间有完整的互动时，可以被描述为“闭环虚拟测试”的概念。

4 结束语

通过使用数字孪生技术进行继电保护虚拟测试，使电力系统网络管理能够在经济上和功能上优化其系统的运行。这个过程的关键点是数字孪生技术及物理孪生必须共享配置数据，进而作为继电器设置，继电器功能逻辑，测试集测试计划等，以最大限度地发挥该技术优势。在调试阶段之前，准备设置和测试程序通常需要在调试期间进行耗时的故障排除和设置调整，并且需在实际环境中验证它们，因此较为繁琐。本文提供的虚拟继电保护测试技术消除了这些问题。此外，它还支持远程，这两者都是适用于目前的电力系统要求。虚拟继电器保护测试增加了项目参与者的可及性，并提供了在压力较小的项目阶段进行故障排除和调整设置的机会，从而大大减少了测试时间和调试期间对专门知识的要求。进而实现了许多复杂的问题将可以在虚拟环境中得到解决。这也缓解了与现场共享测试设备诸多问题，当实际测试花费的时间超过分配的时间时，成本将提高。总之，继电保护虚拟测试与数字孪生技术是一个极为有效地方式，可以确保调试顺利进行、确保变电站可以顺利运行。本文研究成果对电力系统继电保护领域提供了较为关键的技术。