數(shù)字化變電站繼電保護(hù)測試技術(shù)的研究

數(shù)字化變電站繼電保護(hù)測試技術(shù)的研究

新型電子式傳感器的出現(xiàn)及其在工程中的應(yīng)用，不僅促進(jìn)了高壓設(shè)備一體化集成技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了電氣設(shè)備的緊湊、模塊和智能，而且為二次設(shè)備的開發(fā)，如電子天平、數(shù)字和能源，帶來了新的變化。促進(jìn)了能源裝置中過程層的數(shù)字化和過程網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)化，并共享了測量、保護(hù)、控制和監(jiān)測等功能信息。同時，保護(hù)和智能設(shè)備的測量方法也發(fā)生了很大變化。1源性物理性傳感器的ct二次側(cè)輸出和保護(hù)動作速度電流(壓)互感器是電力系統(tǒng)中的重要輔助設(shè)備,是聯(lián)系一次設(shè)備和二次設(shè)備的必要環(huán)節(jié).在不同電壓等級下將大電流高電壓線性變換成適合于計量、保護(hù)、監(jiān)測儀表使用的電流(壓)信號,并實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)備和二次設(shè)備之間的電氣隔離,保證人員和設(shè)備的安全.傳統(tǒng)的CT,PT采用電磁感應(yīng)原理制成,基本部件包括鐵芯、銅導(dǎo)線、變壓器油、絕緣材料等.不易損壞,基本不需維護(hù),可靠性高.但多年的使用經(jīng)驗(yàn)表明,其存在的問題也是顯而易見的.1)電壓等級越高,短路電流越大,為解決絕緣和傳變特性,必然是體積增大,設(shè)備變得更加笨重,安裝運(yùn)輸不便.2)暫態(tài)傳變特性差,高壓系統(tǒng)中要求保護(hù)動作速度快,改善暫態(tài)傳變特性需增加投資.3)CT二次側(cè)輸出對負(fù)載有嚴(yán)格要求,超高壓變電站占地面積大,從開關(guān)場到控制室的二次電纜可達(dá)200m,為保證傳變精度,增加電纜截面也不一定能解決問題.4)傳變大電流會造成鐵芯飽和,成為差動類保護(hù)誤動作的主要原因.5)CT二次不能開路,否則會產(chǎn)生數(shù)千伏的高壓,危及人身設(shè)備的安全.目前基于Rogowski線圈的電子式電流互感器和電阻分壓、阻容分壓的電子式電壓互感器,先將高電壓大電流變換成小電壓信號,就近經(jīng)A/D變換成數(shù)字信號后通過光纜送出給接收端.這種類型的有源式傳感器由于技術(shù)較為成熟已經(jīng)開始在國內(nèi)掛網(wǎng)運(yùn)行.ECT,EPT的優(yōu)點(diǎn)主要有:①體積小、重量輕,電壓高時更是如此.②便于和數(shù)字設(shè)備連接,具有完備的自檢功能.③絕緣性能好,造價低.④不含鐵芯,消除了磁飽和、鐵磁諧振等問題.⑤暫態(tài)特性好,測量精度高.⑥頻率響應(yīng)范圍寬.2模型求解:兩種方式比較IEC61850規(guī)約是在美國的UCA2.0標(biāo)準(zhǔn)上發(fā)展起來的,以UCA2.0為基準(zhǔn)來工作.目的是支持多個廠家的IED,使它們之間具有互用性、互操作能力,在變電站局域網(wǎng)的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的無縫連接.IEC61850的特點(diǎn)如下所述.1)分層.將變電站劃分為變電站層、間隔層、過程層,每個物理設(shè)備由服務(wù)器和應(yīng)用組成,他們的數(shù)據(jù)庫也是分層的.2)采用了抽象通信服務(wù)接口(ACSI)的概念,它與具體的網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立.IEC61850根據(jù)電力生產(chǎn)的特點(diǎn)和要求,歸納出電力系統(tǒng)所需要的信息傳輸要求,抽象通信服務(wù)接口.這樣,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,通過映射,就可以替換掉.抽象接口脫離目前已有的通信協(xié)議,可以更適用于將來技術(shù)進(jìn)步的情況.3)采用了面向?qū)ο蟮男畔⒆晕颐枋龇椒?過程層的典型設(shè)備有遠(yuǎn)方I/O、智能傳感器和執(zhí)行器,主要完成開關(guān)量和模擬量的采集以及控制命令的發(fā)送與一次設(shè)備相關(guān)的功能.按照IEC61850的發(fā)展觀點(diǎn),變電站各個層次之間的聯(lián)系都將建立在串行通信的基礎(chǔ)上,過程層與間隔層之間基于交換式以太網(wǎng)的串行通信方式在標(biāo)準(zhǔn)中稱為過程總線通信,間隔層與變電站層之間串行通信方式稱為站級總線通信.3間隔層測控單元目前數(shù)字化變電站大多采用61850-9-1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),分為站控層、間隔層和過程層3層,如圖1所示.站控層設(shè)備組屏安裝,站控層采用單以太網(wǎng),通信管理機(jī)實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備用自動切換;間隔層測控單元具有遙測、遙信、遙控(調(diào))等功能,完成對全站設(shè)備的保護(hù)、測量和控制,安裝在各間隔單元;過程層由光電電流電壓互感器和合并器等組成,完成對數(shù)字信號的采集、合并、處理后以光信號方式對外提供數(shù)據(jù).智能設(shè)備直接通過程層總線與間隔層設(shè)備交互信息,非智能設(shè)備就地配置智能終端,智能終端接入過程層總線.所有信息經(jīng)微機(jī)匯控單元,發(fā)送至遠(yuǎn)方控制端以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制端對本變電所的遠(yuǎn)方監(jiān)控,所內(nèi)留有當(dāng)?shù)乇O(jiān)控接口.各單元或系統(tǒng)間采用光纜傳輸方式互聯(lián).4儀器的硬件設(shè)計電子式電壓和電流互感器的使用帶來保護(hù)測試的改變表現(xiàn)在如下幾方面.1)傳統(tǒng)保護(hù)、儀器儀表的輸入是電壓和電流的模擬量.而光數(shù)字接口的數(shù)字保護(hù)其輸入的信號是光數(shù)字信號.2)信號傳輸方式變化.IEC根據(jù)基于數(shù)字光電電氣量測、智能開關(guān)設(shè)備和數(shù)字保護(hù)及通信的變電站全數(shù)字自動化系統(tǒng)的預(yù)期發(fā)展,擬定了變電站內(nèi)的開放式通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),即IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn).在變電站自動化系統(tǒng)中,量測、控制和保護(hù)的數(shù)據(jù)和信息傳送均通過過程總線,自動化系統(tǒng)中站控和過程總線均采用以太網(wǎng)進(jìn)行通信.為了對保護(hù)設(shè)備進(jìn)行測試,我們應(yīng)用了一種新型的測試儀器.這種測試儀具有光以太網(wǎng)接口,能通過以太網(wǎng)發(fā)送符合IEC61850協(xié)議的數(shù)據(jù)楨到保護(hù)裝置或者其它的儀器儀表中.每一楨包含有電流和電壓的采樣值.同時,它能夠接收保護(hù)動作的硬接點(diǎn)信號,實(shí)現(xiàn)保護(hù)的測試.測試儀的硬件由4部分構(gòu)成:上位機(jī)(PC)、中央處理單元、數(shù)據(jù)處理單元和開關(guān)量輸入輸出單元.內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示.中央處理器實(shí)現(xiàn)將采樣數(shù)據(jù)按照IEC61850-9-1協(xié)議逐點(diǎn)打包和發(fā)送,并通過USB口和串口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,通過數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.數(shù)據(jù)處理單元通過接收上位機(jī)下傳的數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時計算.并根據(jù)其獲得的開關(guān)量信號,與PC機(jī)一同實(shí)現(xiàn)保護(hù)測試流程的控制.開關(guān)量單元完成開入量和開出量的采集和轉(zhuǎn)換.測試儀的軟件由上位機(jī)程序、數(shù)據(jù)處理和通訊程序、測試流程控制和數(shù)據(jù)計算程序等3部分構(gòu)成.上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)測試儀的圖形用戶界面、電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)故障計算以及試驗(yàn)過程控制.基于數(shù)據(jù)庫的上位機(jī)軟件為用戶提供了一整套功能強(qiáng)大的測試模塊,能夠使用戶方便快捷地完成各種復(fù)雜的繼電保護(hù)試驗(yàn).測試儀上電后,DSP在得到PC機(jī)下載的測試程序后,開始運(yùn)行,并從外部Flash中得到有關(guān)測試儀的一些配置信息.在得到PC的試驗(yàn)命令后開始試驗(yàn),DSP實(shí)時計算出8路通道的輸出量,并將其放在HPI內(nèi)存中,然后將連接在ARM外部中斷的I/0口置位,啟動ARM外部中斷信號.中央處理單元(MCU)要做的是完成與PC機(jī)之間通過USB和與DSP之間通過HPI的數(shù)據(jù)通信,協(xié)議棧軟件也在MCU中運(yùn)行.數(shù)字測試儀協(xié)議棧軟件流程如圖3所示.協(xié)議棧軟件的主要功能是將測試數(shù)據(jù)按IEC61850-9-1協(xié)議組幀,最后以光纖以太網(wǎng)的模式輸出到被測數(shù)字設(shè)備上,由于協(xié)議棧軟件功能相對獨(dú)立,裝置上電后,ARM經(jīng)過一個內(nèi)存的重映射過程,將程序映射到快速SDRAM上運(yùn)行.經(jīng)過初始化以后,進(jìn)入外部中斷等待狀態(tài),如果有快速中斷響應(yīng),立即進(jìn)入?yún)f(xié)議棧中斷服務(wù)程序,從外部RAM存儲器中讀取八路信號量,進(jìn)行數(shù)據(jù)組幀和發(fā)送.通過讀、寫中斷響應(yīng)ARM將實(shí)現(xiàn)PC與DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸.5測試過程及步驟使用數(shù)字化測試儀對某110kV變電站的所有保護(hù)進(jìn)行了測試.該變電站變壓器主保護(hù)采用帶二次諧波制動的差動保護(hù),后備保護(hù)采用復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù);饋線保護(hù)由過流保護(hù)、低周減載和低壓減載保護(hù)組成.試驗(yàn)之前,根據(jù)被測保護(hù)的定義,首先在測試儀應(yīng)用軟件上對采樣率、ASDU的數(shù)目、通道、最大輸出電壓和輸出電流的倍數(shù)等參數(shù)進(jìn)行配置.不同廠家的保護(hù)裝置及不同的工程應(yīng)用這些參數(shù)會有變化,必須正確配置,否則將不能得到正確的測試結(jié)果.然后,通過USB接口將測試儀連接到PC機(jī)上,通過光口將測試儀的輸出信號傳送到被測保護(hù)裝置,使用測試線將保護(hù)動作信號連接到測試儀的開入端子上.最后,在PC上啟動應(yīng)用軟件開始保護(hù)的測試.下面以差動保護(hù)的測試為例對試驗(yàn)過程進(jìn)行描述.測試儀軟件中差動測試模塊提供了實(shí)現(xiàn)對變壓器差動保護(hù)的測試功能,并根據(jù)保護(hù)裝置有關(guān)高中低三側(cè)電流的定義對ASDU進(jìn)行了配置.試驗(yàn)步驟如下.1差動保護(hù)的比率制動特性差動定值包含有變壓器高、低壓側(cè)的平衡系數(shù)、啟動電流、速斷電流、拐點(diǎn)電流、比率制動系數(shù)、變壓器接線型式和制動方程.而啟動電流、速斷電流、拐點(diǎn)電流和比率制動系數(shù)構(gòu)成了差動保護(hù)的比率制動特性曲線,如圖4所示.21設(shè)置了常用的局差動保護(hù)參數(shù)2tc二次連接，測試模塊提供兩種類型的全球連接和傳統(tǒng)連接當(dāng)由微機(jī)保護(hù)的軟件處理變壓器轉(zhuǎn)角(內(nèi)轉(zhuǎn)角)時選擇前一種型式.否則,使用后一種接線型式.這里選擇全星型接線.傾斜方式模塊提供了低壓側(cè)轉(zhuǎn)角和高壓側(cè)轉(zhuǎn)角2種,將各側(cè)不同的電流值折算成作用相同的電流.選擇以高壓側(cè)電流為基準(zhǔn),將低壓側(cè)電流折算到高壓側(cè).變壓器高壓側(cè)平衡系數(shù)的計算變壓器接線為Y/Δ-11,各側(cè)的額定電壓及差動CT的變比分別為U1,N1,U2,N2.各側(cè)流入差動保護(hù)的電流分別為式中Sn為變壓器額定容量.以變壓器高壓側(cè)為基準(zhǔn),將低壓側(cè)電流折算到高壓側(cè)的平衡系數(shù)是:3添加測試點(diǎn)添加啟動、速斷、比率系數(shù)等測試點(diǎn).4保護(hù)裝置光口測試①通過光纖將保護(hù)的電流輸入光口,接到測試儀相應(yīng)的光口上.②保護(hù)裝置的跳閘接點(diǎn)通過測試線連接到測試儀的開關(guān)量輸入端A,B,C,D,E,F,G,H任意一對端子上.5測試方法界面按“F2”或鼠標(biāo)點(diǎn)擊“開始”按鈕聯(lián)機(jī)輸出.試驗(yàn)開始后測試儀通過以太網(wǎng)發(fā)送符合IEC61850-9-1協(xié)議的數(shù)據(jù)楨到保護(hù)裝置.每一楨數(shù)據(jù)包含高低壓側(cè)六路電流值.保護(hù)跳閘信號通過測試儀的開入量輸入到測試儀中.測試儀通過改變電流值的幅值對保護(hù)進(jìn)行測試.測試結(jié)束后得到比率制動系數(shù)、啟動電流、速斷電流和動作時