220kV智能變電站混合式仿真系統(tǒng)的研究與實(shí)踐

引言

我校于2018年投產(chǎn)建設(shè)了220kV雁園智能變電站,變電站一次系統(tǒng)包含220kV、110kV、10kV3個(gè)電壓等級,其中220kV、110kV設(shè)計(jì)為雙母線接線方式,10kV設(shè)計(jì)為單母分段。變電站包含1臺容量180MVA（220kV/110kV/10kV）的主變壓器,220kV進(jìn)線一回,110kV出線三回,10kV無功補(bǔ)償電容器組兩回,站用變一回,變電站二次系統(tǒng)采用北京四方變電站綜自系統(tǒng)。由于智能站僅用于教學(xué),無法和真實(shí)的電網(wǎng)一次系統(tǒng)并網(wǎng),因此二次系統(tǒng)也無法獲得與運(yùn)行工況一致的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。為更真實(shí)地模擬電網(wǎng)一次二次運(yùn)行工況,更大范圍地提高培訓(xùn)人員的專業(yè)技術(shù)技能水平,研究面向繼電保護(hù)、自動(dòng)化和遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)等專業(yè)技術(shù)人員的電力系統(tǒng)仿真領(lǐng)域的實(shí)訓(xùn)平臺,筆者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)建立了以數(shù)字物理混合仿真為基礎(chǔ),采取電網(wǎng)數(shù)字化模型與真實(shí)變電站二次設(shè)備相結(jié)合的混合仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了變電站一次二次系統(tǒng)的運(yùn)行仿真與教學(xué)功能。

1設(shè)計(jì)思路

在數(shù)字仿真系統(tǒng)中,變壓器、斷路器、輸電線路、電容器等能夠根據(jù)變電站接線結(jié)構(gòu)、元件參數(shù),對變電站一次系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算,實(shí)時(shí)輸出與變電站相同的電壓、電流波形:可以通過圖形界面對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)進(jìn)行修改,并可靈活改變系統(tǒng)一次接線方式,從而對變電站運(yùn)行情況進(jìn)行完整的仿真模擬。

本設(shè)計(jì)方案主要特點(diǎn)是全部合并單元采用模擬信號輸入方式,斷路器、刀閘全部采用真實(shí)一次設(shè)備。利用信號轉(zhuǎn)換箱將光纖信號轉(zhuǎn)換成模擬信號,經(jīng)功率放大器送入合并單元。真實(shí)的智能終端連接斷路器,開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換箱可以采集斷路器、刀閘的開關(guān)信號,并經(jīng)高速光纖通信系統(tǒng)返回調(diào)試主機(jī),從而實(shí)時(shí)改變一次系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2設(shè)計(jì)方案配置選型

按現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行狀況,需24路電壓輸出,38路電流輸出,90路開關(guān)量。方案1:采用RTDs+功率放大器實(shí)現(xiàn),進(jìn)口RTDs主機(jī)1臺,模擬量板卡6塊（1塊可輸出12個(gè)信號）,開關(guān)量板卡1塊,電壓功率放大器2臺（每臺12路輸出）,電流功率放大器3臺半（每臺12路輸出）。方案2:5臺測試儀模擬全站運(yùn)行。

控制方案有兩種:（1）一個(gè)后臺控制測試儀同時(shí)輸出。（2）5個(gè)后臺各自控制,可實(shí)現(xiàn)62個(gè)量任意變化。在無RTDs的情況下可當(dāng)繼電保護(hù)測試儀使用,在有RTDs的情況下可切換到功放界面實(shí)現(xiàn)功放功能。

綜合資金與功能兩方面進(jìn)行結(jié)合選型,方案選用基于FPGA的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺,利用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺（FRTDs）中的FPGA解算器進(jìn)行運(yùn)算和通信,按照IEc61850協(xié)議發(fā)送和解析GoosE報(bào)文與sV報(bào)文,與實(shí)際保護(hù)設(shè)備連接,完成硬件在環(huán)的變電站實(shí)時(shí)仿真。FRTDs中的FPGA解算器通過高速以太網(wǎng)與Pc機(jī)完成數(shù)據(jù)交互,安裝在Pc機(jī)上的上位機(jī)軟件可以監(jiān)視與控制仿真過程。

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于FPGA的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺流程如圖1所示。

4系統(tǒng)功能

實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止仿真過程:系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行工況顯示:倒閘操作功能:電源參數(shù)設(shè)置:變壓器內(nèi)部故障與非電量故障設(shè)置:站用負(fù)荷有功功率及無功功率設(shè)置:站內(nèi)節(jié)點(diǎn)故障設(shè)置,設(shè)置節(jié)點(diǎn)的單相、兩相以及三相故障,模擬系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)發(fā)生短路故障的情景:線路故障設(shè)置,模擬系統(tǒng)中線路發(fā)生短路或斷線故障的情景:組合故障設(shè)置,模擬系統(tǒng)中發(fā)生多個(gè)故障的情景:cT傳輸故障設(shè)置,模擬系統(tǒng)中發(fā)生cT傳輸故障的情景:開關(guān)動(dòng)作與拒動(dòng),設(shè)置開關(guān)跳閘、合閘、拒跳與拒合狀態(tài):在用戶初始化表中設(shè)置仿真初始參數(shù),包括初始的線路、變壓器、電源、負(fù)荷、CT等各種參數(shù)。

5現(xiàn)場運(yùn)行

2019年6月,變電站三期一次二次系統(tǒng)施工全部完成,工程進(jìn)入調(diào)試階段,結(jié)合一次設(shè)備,仿真系統(tǒng)對全部功能進(jìn)行調(diào)試。

例如:設(shè)置"線路故障",在上位機(jī)程序中某條線路處均可設(shè)置故障,鼠標(biāo)點(diǎn)擊線路處故障設(shè)置按鈕,即可啟動(dòng)線路故障設(shè)置菜單。如圖2所示,點(diǎn)擊箭頭所指的線路處(任取一線路作為說明,其他線路同理）,在線路故障設(shè)置菜單打開后可對模擬故障進(jìn)行設(shè)置。

在圖3故障設(shè)置菜單中將"上側(cè)故障相""下側(cè)故障相"后的"A相""B相""C相""接地"勾選框進(jìn)行勾選,完成對單相接地故障、兩相短路或接地故障、三相短路故障的設(shè)置。可在"斷線故障相"后的"A相""B相""C相"勾選框進(jìn)行勾選,完成線路單相或某幾相的斷線設(shè)置。

參數(shù)設(shè)置完成后開始運(yùn)行,在綜自系統(tǒng)監(jiān)控后臺機(jī)上檢查線路開關(guān)變位、事故信息及soE保護(hù)動(dòng)作信息等,檢查顯示分析動(dòng)作結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

6結(jié)語

我校220kV智能變電站數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)構(gòu)建了與真實(shí)電網(wǎng)一次二次系統(tǒng)運(yùn)行場景一致的仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng),于2019年9月底通過驗(yàn)收并投入運(yùn)行。該系統(tǒng)的建成標(biāo)志著我校在面向國家電網(wǎng)、發(fā)電集團(tuán)等繼電保護(hù)、自動(dòng)化和遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)人員的電力系統(tǒng)仿真訓(xùn)練、競賽比武等領(lǐng)域有了新的突破。