继电保护数字物理混合动态仿真测试系统分析

方 云，熊 飞，张莉平

（国能大渡河流域水电开发有限公司龚嘴水力发电总厂，四川 乐山 613100）

0 引言

电力已经成为人类生活不可缺少的存在，我国为满足人民日益增长的用电需求，大力发展电力行业。据网络公开数据显示，2022年全社会用电量达到8.6万亿千瓦时，预计2025年将超过9.8万亿千瓦时；2022年底全国累计发电装机容量超过25亿千瓦，预计2025年将超过29亿千瓦，2030年将达到38亿千瓦。随着电网规模不断扩大，电力系统故障影响的广度与深度日渐加剧。例如，美加“8.14”大停电事故影响范围超过9 260平方千米，直接经济损失45～120亿美元；印度“7.30”大停电事故使多数地区电网陷入瘫痪，影响人口超过6.7亿人。因此，加强电力系统保护力度，保证其安全与稳定运行至关重要。在自动化、数字化、智能化等技术推广与应用下，电网结构日益复杂，对继电保护提出了更高要求，以往的继电保护测试系统已经无法满足实际需求。近些年来，国内外学者加大了对混合仿真系统的研究，旨在探寻适用于新时期电力系统的仿真测试系统。本文则在现有理论与技术基础上提出一种适用于故障分析的继电保护数字物理混合动态仿真测试系统，该系统完成开发后进行了仿真验证。

1 数字物理混合动态仿真测试系统开发需求与思路

1.1 开发需求

继电保护是电力系统常用保护措施与装置。电力系统装设继电保护装置后，当电气元件出现故障时或处于异常工况状态时，电力系统保护机制自动启动，最大程度将故障控制在一定范围内，避免其对相邻设备造成损害，影响整个电力系统运行。随着近些年继电保护研究的不断深入，出现电流保护、电流差动保护、距离保护、高频保护、微波保护等多种技术，继电保护装置从电磁型逐渐发展为集成电路型、微机线路型，自动化、网络化、智能化等程度不断加深[1]。继电保护仿真测试系统将继电保护装置性能、功能等测试由人工操作转向机械操作，可有效提高继电保护测试效率与质量，在一定程度上规避了继电保护装置不正确动作对电力系统安全与稳定运行的影响。随着继电保护装置的不断创新，继电保护仿真测试系统将趋向以下发展：一是系统处理器性能提高，可实现动态仿真测试；二是系统能够模拟多种工况，完成全面闭环测试；三是系统处理器响应速度加快，信号传输、转换、处理能力提高；四是低功耗、小体积、轻质量、多功能；五是可进行自我检测，实现系统自身故障识别、排查与控制；六是系统可与其他系统互联互通，进行功能拓展，应用范围扩大；七是能够根据设置要求对继电保护装置实施自动检测，准确、全面记录检测信息；八是试验报告自动化归类与智能化调取；九是数据共享与多变电站同步调控。上述功能也是本系统致力满足的需求[2]。

纵观当前电网建设与发展情况可知，当前电力系统具有规模大、结构复杂、运行方式多样等特征，新型继电保护装置逐渐被应用到电力系统中，传统继电保护仿真测试系统已经无法满足实际需求。例如，模拟故障类型少，一些功能得不到测试；远距离下整定计算程序灵敏度降低，无法准确评估继电保护装置性能等。因此，有必要改进、完善继电保护仿真测试系统，促进其性能、功能等全面提升。本系统设计则需要解决传统继电保护仿真测试系统存在的问题，实现电力系统故障灵活仿真、继电保护闭环测试、整定计算结果准确校正等功能。

1.2 设计思路

（1）数学模型与物理模型联合应用，数字系统与物理系统之间由放大通道、反馈通道连接，采用整流端控制策略和逆变端复合控制策略提高功率接口稳定性。

（2）对比分析不同仿真软件功能，选择性能较为强大的仿真软件搭建数字仿真系统。

（3）合理利用转换器进行A/D（模拟/数字）或D/A（数字/模拟）转换，满足系统运行对信号采集、传输、利用的需求。例如，将测试信号转换成模拟信号后输入到测试装置中；将测试装置响应信号转换成数字信号后反馈给仿真系统。

（4）营造VB、VC、MATLAB混合编程环境，开发系统功能模块，增强系统软件性能，实现人机友好互动。

2 数字物理混合动态仿真测试系统硬件设计与实现

2.1 关键技术指标

在继电保护数字—物理混合动态仿真测试系统建设中，需要对其技术性指标进行确定。本系统开口输入端64路，辅助接点32路；接点额定电压为250 V，额定电流为0.5 A；直流源电压输出范围为0～300 V，电流最大输出功率为200 W；交流电流源输出最大电流为3×40 A/相，连续输出，输出范围为10～20 A，最大输出功率每相不低于520 VA；交流电压输出最大电压为4×120 V/相，输出功率最大不低于60 VA。

2.2 模型搭建技术

在混合仿真测试系统构建过程中，PSASP、EMTP、MATLAB等软件均可用于构建电力系统仿真模型。但对比分析发现，MATLAB的功能较为强大，更适用于继电保护数字物理混合动态仿真测试系统研发。MATLAB开放性较强，相关工作人员可通过模块库寻找、自主制定等方式构建仿真模型，且整个过程操作较为简单。例如，在MATLAB软件的专业区域可寻找到电力系统工具箱，完成同步机、直流机、发电机、变压器、输电线路等多种模型构建。就变压器而言，单相变压器、三相变压器均可直接选择。

2.3 信号处理技术

信号处理能力直接关系系统运行效率与质量。因此，在系统研发过程中需要高度重视信号处理技术的选择与应用。本系统考虑到数据计算量大、信号处理时效性要求高等要求，制定了数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）联合现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的构建方案。DSP能够满足多种信号数字化处理需求，且运算能力与计算结果准确度较高。FPGA能够将多种硬件电路进行合理组织，满足不同阶段硬件系统实现需求，且具有较强的灵活性、便捷性，利于系统修改与维护。上述两种技术联合，能够进一步改善信号处理系统性能。

在系统运行过程中涉及信号转换问题，因此在系统中配置了信号转换电路。数字信号经过D/A转换器变为模拟信号，经过滤波电路、功率放大电路等处理，信号质量得到有效提升，可满足信号应用需求[3]。

2.4 异常工况报警技术

由上述设计需求分析可知，继电保护数字物理混合动态仿真测试系统需要具备自检功能。对此，在系统构建中配备了异常工况报警系统。该系统由两部分构成，一部分对系统硬件设备进行直接检测，另一部分通过数据分析实现系统运行工况状态监督，二者联合可及时发现过电压、过电流、过负荷等问题，并提醒相关工作人员对继电保护数字物理混合动态仿真测试系统进行检查、维修。

2.5 功率接口控制技术

功率接口是继电保护数字物理混合动态仿真测试系统的重要组成部分，由图1可知，其在系统中承担着数字子系统与物理子系统互联互通任务。因此，功率接口的稳定性对系统运行稳定、功能发挥具有直接影响。传统混合仿真测试系统的功率接口设计无法满足继电保护数字物理混合动态仿真测试系统需求，容易出现响应时间延时、准确率偏差过大等问题。鉴于此，本系统以绝缘栅双极型功率管作为开关器件，主拓扑为单相背靠背H桥级联结构。同时，对直流电压波动问题，提出整流端控制策略，针对信号放大误差问题，提出逆变端复合控制策略[4]。

图1 数字—物理混合动态仿真测试系统简图

3 数字—物理混合动态仿真测试系统软件设计与实现

3.1 装置故障再现

故障再现是系统基础功能之一，主要是借助一定设备将继电保护装置故障信息准确记录，并在需求时进行故障还原与重现。通过故障再现，能够将一般试验设备无法模拟的故障进行模拟，为相关工作人员进行继电保护研究提供支持；能够在一定程度上节约继电保护装置检测成本；能够为进行继电保护装置动作行为分析与学习提供参考。本系统采用电力系统瞬态数据交换通用格式（Common Format for Transient Data Exchange，COMTRADE）进行数据记录，并将其存储到故障录波器中，在进行故障再现时，故障录波器将数据文件传输到测试仪中，由其实现再现。

3.2 数据格式处理

为减少数据交换误差，提高数据交换、应用效率，本系统按照COMTRADE格式标准进行数据文件处理、记录、保存。通常情况下，完整的数据涉及头文件（用于满足数据阅读者阅读需求，可采用文字编辑器编辑）、配置文件（用于计算机程序读取与分析，一般具有固定格式）、数据文件（主要采用ASCII格式，由数字量、模拟量等组成）等内容。

3.3 混合编程技术

利用多种编程语言构建混合编程环境，进行软件程序生成。相对于常规编程而言，混合编程执行效率更高，应用范围更广，适用性更强。在数字物理混合动态仿真测试系统开发过程中，采用“VB+VC+MATLAB”混合编辑技术，VB主要用于界面编写，VC、MATLAB主要用于功能编写。

3.4 主要功能模块

从数字物理混合动态仿真测试系统界面中可找到文件模块、仿真模块、数据模块、保护模块、帮助模块等。其中文件模块下配备保存、查阅、退出等操作功能；仿真模块下配备了各种仿真操作功能；数据模块下配备了数据转换功能，保护模块配备了故障再现、手动测试、试验参数调整、定值校验等功能；帮助模块主要用于显示系统功能、软件信息等。

4 数字物理混合动态仿真测试系统的测试与应用

针对电力系统距离保护、继电保护装置定值整定校核等多项内容开展测试验证活动，结果证明，数字物理混合动态仿真测试系统能够满足预期要求，运行稳定。与此同时，以某电网为例，搭建仿真模型，测试出8个继电保护段内共有13处故障点，且结果可靠。此外，将其同继电保护其他系统连接，可正常运行，为相关工作人员学习与研究提供良好仿真实验条件。

5 结束语

继电保护装置是电力系统重要组成部分，在电力系统故障识别、控制、处理等过程中发挥着至关重要的作用。随着近些年电网规模的不断扩大、新能源在电网中的不断接入以及新技术、新设备的大面积推广应用，对继电保护系统性能、功能等提出了更高要求。本文为满足新时期继电保护系统需求，利用MATLAB软件搭建数字仿真系统，通过应用故障再现技术、文件格式转换技术、功率接口控制技术等构建系统硬件，通过COM技术实现混合编程满足系统软件设计需求，实现了与其他系统互联互通。继电保护数字物理混合动态仿真测试系统能够实现继电保护定值仿真校正、继电保护装置运行效果评估等功能，该系统可更好保证电力系统安全与稳定运行。经测试验证，该系统运行稳定，应用效果较好。但值得注意的是，继电保护数字-物理混合仿真测试系统研发是一个不断改进、完善的过程，相关工作人员需要树立创新意识，善于从国内外研究成果中、现有研发经验中汲取经验，持续提高电力系统仿真技术水平，助力电力行业高质量发展。