基于电磁暂态仿真的智能变电站二次设备检测技术研究

基于电磁暂态仿真的智能变电站二次设备检测技术研究摘要：目前的智能变电站现场调试工具单一、缺乏整站全局性检测手段。

本文提出了基于电磁暂态仿真的智能变电站二次设备检测技术，利用电磁暂态仿真构建电网虚拟全景，通过SCD文件自动解析建立一、二次设备间的关联，实现仿真数据流与实际二次设备的交互，并开发了智能变电站全景仿真测试平台和配套的接口装置。

为便于平台的现场应用，对平台进行了小型化改造，设计了便携式一体化样机。

结合智能变电站现场调试和验收的工作特点，提出了二次设备整站级检测的工作流程。

本文成果在500千伏模拟智能变电站进行了试点应用，易于实施、效果良好，具有很好的工程应用前景。

关键字：智能变电站；电磁暂态仿真；二次设备；检测[中图分类号] TM76 [文献标识码] A0 引言智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑平台。

相较于常规变电站，智能变电站二次系统的整体架构和信息传输方式发生了根本性的变革：一是引入合并单元、智能终端等过程层设备，从源头实现了全站信息数字化；二是采用了以IEC61850协议为基础的通讯技术和信息共享技术，实现了通信平台网络化和信息共享标准化[1]。

智能变电站采用IEC 61850标准进行通信后，二次设备间的通信趋于网络化，关联关系更加复杂，二次回路耦合加重，整个二次系统更趋于一个整体，但目前智能变电站的调试手段仍然以继电保护测试仪等测试仪器为主，属于开环测试，无法体现输入、输出量之间复杂的关联关系，无法对被测系统进行复杂工况的详细测试，导致调试过程中的存在漏项或测试漏洞[2-3]。

为提升智能变电站调试工作的效率和质量，国内外在智能变电站检测技术方面进行了探索，取得了可观的效果。

有的文献在智能变电站二次虚回路可视化、继电保护装置状态监测方面进行了研究[4-5]，提出了相应的措施来改进二次设备的检修方法，以降低检修工作给变电站的安全稳定运行带来的风险。

有的文献在智能变电站网络报文模拟方面进行了研究[6-8]，提出了基于仿真的过程层和站控层网络信息测试方法，实现了智能变电站网络报文的自动闭环测试。

有的文献研究了基于数字-物理混合仿真的智能变电站试验平台，主要应用于技术人员培训，也可对变电站二次设备进行单装置闭环测试[9-10]。

以上研究仅仅针对智能变电站二次设备分系统的测试，对于将电磁暂态仿真技术与智能变电站检测相结合，对智能变电站整个二次系统性能进行检测的研究，目前国内外尚处于起步阶段。

1平台整体设计方案根据GB/T 30155-2013《智能变电站技术导则》的要求，系统检测应遍历各种正常工况和异常工况，调试工具应建立面向全站或局部的调试环境。

为实现智能变电站二次设备整站级测试，本文设计了基于电磁暂态仿真的智能变电站全景仿真测试平台。

图1智能变电站全景仿真测试平台架构如图1所示，平台基于电磁暂态仿真构建电网虚拟全景，与实际二次设备进行交互。

仿真系统采用纯电磁暂态仿真方式，可模拟各种电网运行方式、变电站不同接线形式、系统不同类型扰动等；可模拟电力系统的各种暂态过程，包括操作暂态、谐振暂态、故障暂态等；具有大电网背景下继电保护设备试验功能，可通过模拟实际电网的运行特性，全面考察被测试对象在大电网中的行为及其对电网的影响。

在进行智能变电站整站级测试时，采用实际二次系统与虚拟一次系统相结合的方式，通过A/D和D/A转换接口或IEC61850接口接入智能或常规二次装置，进行电力系统的仿真研究或装置试验。

平台配备必要的辅助设备，如网络报文记录与分析装置、时间同步装置、电源系统等，构建成基于实时仿真的智能变电站调试系统，通过全数字、全物理、或数字物理混合接入方式，实现对采集、保护/测控、监控及远动系统的全过程综合调试目标。

2关键技术2.1全景实时仿真建模技术针对智能变电站电磁暂态仿真测试中一、二次系统建模工作复杂、技术难度大，不便于现场人员操作的问题，在仿真系统中开发了丰富的变电站主接线模板，通过简单的操作即可完成“电网全景”的构建，可任意调整变电站所处电网的运行方式、变电站不同接线形式、变电站检修等各种不同场景。

针对智能变电站过程层设备，本文提出一、二次系统关联建模技术，基于SCD解析结果，对合并单元和智能终端进行建模，实现一、二次系统模型关联，打通了一次图元和二次模型的信息通道。

合并单元的建模方法为对合并单元内部描述的电流通道关联到仿真系统中的开关/线路模型中的电流变量，对合并单元内部描述的电压通道关联到仿真系统中的母线模型的电压变量。

智能终端的建模方法为对智能终端内部描述的位置、跳闸、重合、闭锁等通道信息关联到仿真系统中三相时控开关的位置、跳闸、重合等变量中。

2.2 智能变电站综合接口技术待测试设备为实际二次系统的关键设备，或者说是采用实时仿真闭环测试的方式，能够接入的实际设备，主要为合并单元、智能终端、保护、测控、监控后台等。

“虚拟一次与实际二次系统接口”负责将虚拟一次系统仿真产生的数据，转换成为实际二次系统能够识别的电气量或报文，对应不同的实际二次系统配置情况，其接口方案主要有三种方式：接入过程层方式、接入间隔层方式、同时接入过程层与间隔层方式。

为实现智能变电站整站级测试方案，满足接入智能变电站不同接口类型的设备，开发了基于测试平台开发了综合试验接口，接口包括常规电气量、IEC61850-9-1/2、GOOSE及IEC60044-8接口，接口的规模、通信延时、同步误差满足我国智能站建设多样化、整站级测试需求。

2.3便携式一体化样机设计为开展智能变电站现场测试，对仿真检测平台进行小型化改造，开发了便携式一体化样机，具有体积小、重量轻的特点，满足现场远距离、多频次搬运需求，极大方便了仿真测试平台在智能变电站现场检测工作中的应用推广。

整个测试平台采取模块化设计方式，包括五个模块：人机建模模块、计算模块、IEC61850数据转发模块、对时模块和供电模块。

整机结构体及各模块分布如图2所示：图2 便携式一体化样机计算模块、人机建模模块、IEC16850数据转发模块、对时模块通过插卡及电源线与电源模块连接，电源模块负责所有模块的恒压供电。

计算模块与人机建模模块通过以太网线进行常规管理通讯。

IEC16850数据转发模块与计算模块的dpdk网卡通过高速网线连接进行实时通讯。

GPS模块与IEC16850数据转发模块通过光纤连接提供IRIG-B对时信号，且同时将GPS模块输出的信号通过光纤引出连接至人机建模模块的输出卡上，用来为外部装置提供对时信号。

3二次设备测试流程3.1一次系统建模利用智能变电站全景仿真测试平台建模软件对待检测变电站一次系统进行电磁暂态建模，或对变电站所在的外部大区电网进行机电暂态建模，同时对变电站主接线进行电磁建模，建立适于变电站的区域电磁暂态仿真模型，通过“纯电磁暂态方式”或“机电暂态+电磁暂态”混合仿真形式，模拟电网实时数据流，将智能二次装置接入动态实时仿真中进行相关闭环试验。

3.2硬件系统搭建搭建智能变电站整站级检测的硬件系统，通过智能站综合接口装置，将“虚拟全景”与智能变电站待检测二次设备无缝连接。

待检测二次设备包括智能变电站的保护、测控、交换机、合并单元、智能终端等，可采用接入过程层、接入间隔层或者过程层和间隔层同时接入的方案。

此外，通过网络报文监测装置获取并记录过程层网络、站控层网络中报文信息，实时分析电网事件。

3.3 SCD文件解析和关联通过解析接口调用SCD文件，搭建过程层、间隔层设备仿真模型，其中包括SV订阅模型、GOOSE发布模型、及GOOSE订阅模型。

建模时模型中的电气量以及非电量信息比较多，需在自动解析的基础之上将需要的通道信息关联到仿真系统中，并配置正确的通道号和端口号，实现二次虚回路的正确关联。

3.4设置故障类型和故障点按照相关继电保护测试标准，在平台仿真软件中预设各类二次设备的典型仿真模板，通过调用模板开展各种常见试验类型，如空投试验、动作时间、差动保护区内外金属性故障、经过渡电阻短路、发展性故障、永久性故障、系统振荡、投切低压侧电容、电抗器、调节分接头、CT断线与饱和、PT饱和、间歇性故障、系统频率偏移等等。

可在一次仿真过程中自动批量完成所有常规测试内容，实现二次设备装置测试的模板化、标准化。

此外，可在平台中模拟电网任意暂态过程（操作暂态、谐振暂态、故障暂态），设置不同的故障相、故障内阻、起始及持续时间实现简单的故障模拟，并通过故障序列按照既定的时序组合实现复杂的故障模拟，支持复杂站域保护研究。

4典型应用案例为验证本文所提方案，在某500千伏模拟智能变电站开展整站级二次系统测试，试验过程及结果如下：4.1 试验案例搭建模拟智能变电站规模和主接线如图3所示，在平台仿真软件中搭建变电站一次系统模型。

图3 500千伏模拟变电站二次设备配置4.2 试验项目（1）常规实验项目，包括所有设备连通性调试、单体设备功能性校验、复杂工况下多间隔设备联合调试实验、监控系统联动实验等。

（2）二次系统不停电检修方案验证（3）多间隔设备联合调试，包括线路II出口故障、线路II保护动作、5023拒动5023断路器保护失灵保护、母线II保护动作跳开断路器5013。

4.3 试验结果（1）母线II保护动作——5022跳开，5011拒动——跳5012和221；（2）母线I保护动作——5013跳开，5023拒动——断路器5023保护动作失灵跳断路器5022，线路保护远传跳开对端；（3）线路II出口故障，线路II保护动作，5023拒动，5023断路器保护失灵保护跳5022，母线I保护动作跳开断路器5013；（4）线路I出口故障，线路I保护动作，断路器5012拒动、断路器5012失灵保护跳5011，变压器保护跳开关221；（5）主变中压侧区外故障，跳开中压侧断路器221，同时主变保护动作跳开母联断路器220、跳开断路器222。

5结语本文针对目前智能变电站现场调试工具单一、缺乏整站全局性检测手段的问题，提出了基于电磁暂态仿真的智能变电站二次设备检测技术，并开发了智能变电站全景仿真测试平台和配套的接口装置。

平台利用电磁暂态仿真构建电网虚拟全景，在软件模块设计了实用化的电力系统元件和故障模板，可模拟电网实时数据流；开发了智能接口装置，通过SCD文件自动解析建立一、二次设备间的关联，实现仿真数据流与实际二次设备的交互，可在一次仿真过程中自动批量完成所有常规测试内容，实现二次装置测试的模板化、标准化。

为便于平台的现场应用，对平台进行了小型化改造，设计了便携式一体化样机。

最后，明确了二次设备测试流程，并在500千伏模拟智能变电站进行了试点应用，试验结果达到预期目标。

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