智能变电站整体性能试验方法及其测试装置

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智能变电站整体性能试验方法及其测试装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及变电站整体性能试验方法及试验装置，特别是基于电网仿真和无线传输技术的智能变电站整体性能试验方法及试验装置。\n背景技术\n[0002] 本发明使用的技术术语（现有技术）：\n[0003] 智能变电站：建立在IEC61850通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。\n[0004] 电子式互感器：分为电子式电流互感器和电子式电压互感器，电子式互感器由采集器、合并单元及联接两者的光纤组成。\n[0005] 采集器：电子式互感器的一个组成部分，完成电压电流信号的模数转换，并利用光纤将数字化模拟量信号送到合并单元。\n[0006] 合并单元：将来自不同采集器的信号合并到一起，组成满足不同用途的信息组，并将这些信息组以数字形式发送给智能化二次设备的装置。\n[0007] 继电保护装置：利用电流、电压信号实现故障判断并为一次设备提供保护功能的一类设备。\n[0008] 电网由电厂、输供电网络、变电站、配电网络组成。其中，110kV及以上电压等级的变电站是联接输供电网络和配电网络的中心环节，在电网中处于核心地位。变电站由母线、变压器、开关设备、电流（电压）互感器等一次设备和为一次设备提供保护控制功能的继电保护装置、测量控制装置、计量装置等二次设备组成。\n[0009] 常规变电站使用电磁式电流（电压）互感器。在常规变电站，电流（电压）互感器通过电缆直接与继电保护装置连接，继电保护装置根据测量的电流（电压）信号实现保护功能；当继电保护装置动作时，也是用电缆直接将动作命令送至断路器的分、合闸线圈，驱动断路器跳闸。因此，只需用模拟信号源替代电流（电压）互感器的输入信号，接入继电保护装置的信号输入端，并用模拟信号检测装置检测继电保护装置输出端的动作命令，即可完成对检验继电保护装置的技术性能检验。\n[0010] 智能变电站使用电子式电流（电压）互感器、光学电流（电压）互感器。与常规变电站不同的是，采集器完成模拟电流（电压）信号的数字化，然后将数字信号送到合并单元，由合并单元对来自不同测量点的电流、电压信号进行组织、分配，再将组合后的信号分别送到不同类型的继电保护装置；智能变电站继电保护装置的动作命令用数字化光信号表达，保护动作命令除直接送到智能操作箱跳开断路器外，还需送到网络交换机供其他装置使用。\n在智能变电站，由于合并单元和网络交换机的使用，使继电保护装置输入输出信号的组织、分配复杂化，当对继电保护装置进行性能检验时，如果仅在继电保护装置本体的信号输入端施加需要的信号，虽然可以完成对装置本体的性能检验，但检验范围没有包括合并单元和网络交换机，这样的试验未能对保护装置输入信号的组织、分配及传输环节以及保护装置输出信号的分配、传输、执行环节进行检验，使智能变电站保护装置的检验失去完整性。\n[0011] 目前，用于智能变电站继电保护检验的方法均未包含对保护装置输入信号的组织、分配及传输环节以及保护装置输出信号的分配、传输、执行环节进行检验，使智能变电站继电保护装置检验在方法上存在缺陷。检验方法的缺陷可能导致智能变电站在建设阶段即存在技术缺陷，使智能变电站运行安全受到威胁，严重时可能导致重大设备事故发生。\n发明内容\n[0012] 本发明的目的是针对现有技术存在的问题和缺陷提供一种智能变电站整体性能试验方法，使通过试验能对智能变电站保护装置的输入和输出信号的各个环节进行检验，从而保证检验完整性，提高智能变电站的安全运行水平。\n[0013] 本发明的另一目的是提供实施上述试验方法的智能变电站二次系统的性能测试装置。\n[0014] 本发明的目的是这样实现的：一种智能变电站整体性能试验方法，包括以下步骤：\n[0015] 1）根据试验目的确定试验方案；\n[0016] 2）以智能变电站一次主接线及与之直接相联的线路、电源为对象，建立变电站仿真系统，以仿真被试智能变电站二次系统工作所需要的全部电气信号；\n[0017] 3）将智能变电站二次系统视为检验对象，并将承担智能变电站信息组织、分配功能的合并单元和网络交换机纳入检验范围，试验时，保持被试二次系统接线的完整性；\n[0018] 4）根据智能变电站电子式电流互感器和电子式电压互感器的配置以及试验需求，布置采集器模拟器；根据智能变电站开关设备的配置及试验需求，布置开关模拟器；\n[0019] 5）根据对智能变电站继电保护装置及二次系统整体性能检验需要，确定仿真条件，利用数值仿真方法，得到对象系统的时域仿真结果；\n[0020] 6）采用无线控制主机完成试验系统的GPS对时，完成无线控制主机与采集器模拟器和开关模拟器的对时，接收智能变电站仿真系统的时域仿真结果并以无线传输方式，将该时域仿真结果下装到采集器模拟器，完成试验的同步控制；\n[0021] 7）采集器模拟器接收无线控制主机发送的时域仿真数据，在无线控制主机控制下，将时域仿真数据同步注入到智能变电站的合并单元；\n[0022] 8）开关模拟器接收智能变电站二次系统中智能操作箱输出的断路器分、合闸控制命令，并将接收到的智能操作箱命令以无线方式上传到智能变电站仿真系统，同时检查继电保护装置动作行为，利用二次系统配置的网络分析仪、故障录波器及监控系统的记录功能检查合并单元和网络交换机信息组织、分配功能正确性，完成对智能变电站二次系统功能正确性的检验。\n[0023] 本发明的另一目的是这样实现的：一种用于上述智能变电站整体性能试验方法的测试装置，包括：智能变电站仿真系统：由笔记本电脑和安装于笔记本电脑内的图形化建模单元、仿真计算单元、波形显示单元以及实验控制单元组成；其特征是，还具有，与笔记本电脑连接的无线控制主机；\n[0024] 无线控制主机由GPS同步单元、高稳定主时钟单元、无线1588授时单元、无线收发控制单元组成；\n[0025] GPS同步单元：与高稳定主时钟单元连接，接收GPS卫星的时钟信号，并向高稳定主时钟单元授时；\n[0026] 高稳定主时钟单元：与无线1588授时单元连接，根据GPS授时信号完成对时，为试验系统提供同步时钟；\n[0027] 无线1588授时单元：将高稳定时钟单元时钟信号以无线1588方式向采集器模拟器以及开关模拟器授时；\n[0028] 无线收发控制单元：接收智能变电站仿真系统的时域仿真数据和控制命令，以无线方式发送时域仿真数据包和试验控制命令；\n[0029] 采集器模拟器：用于接收来自无线控制主机的时域仿真数据和试验控制命令，按照试验控制命令向合并单元发送试验用数据流；采集器模拟器包括第一无线收发单元、第一高稳定从时钟单元、输出控制单元；\n[0030] 第一无线收发单元：接收无线控制主机的时钟同步信号、仿真数据包以及试验控制命令，将时钟同步信号转送到高稳定从时钟单元，将仿真数据包和试验控制命令转送到输出控制单元；\n[0031] 第一高稳定从时钟单元：接收无线收发单元的时钟同步信号，与输出控制单元连接；为输出控制单元提供输出控制的时钟信号；\n[0032] 输出控制单元：从无线收发单元获取时域仿真数据和试验控制命令，按照试验控制命令和高稳定从时钟单元的时钟信号，用时域仿真数据形成符合国网标准GB/T 20840.8 Q/GDW426-2010的输出数据流，经光纤发送到智能变电站的合并单元；\n[0033] 开关模拟器：与变电站智能操作箱连接；检测变电站智能操作箱发出的开关操作命令，将开关操作命令打上时间标记，并将带时标的开关操作命令以无线方式发送到智能变电站仿真系统；接收智能变电站仿真系统下发的开关状态，将开关状态转换成开关接点信号，并将开关接点信号送至变电站的智能操作箱实现对智能变电站开关状态的模拟；\n[0034] 开关模拟器包括第二无线收发单元、第二高稳定从时钟单元、输入输出单元；\n[0035] 第二无线收发单元：接收来自无线控制主机的时钟同步信号以及智能变电站仿真系统的开关状态信号；将时钟同步信号转送到高稳定从时钟单元，将开关状态信号转送到输入输出单元；检测智能操作箱发出的开关操作命令并打时间标记，将带时标的开关操作命令以无线方式上传无线控制主机；\n[0036] 第二高稳定从时钟单元：与开关模拟器连接；接收无线收发单元的时钟同步信号，为开关模拟器提供时钟信号；\n[0037] 输入输出单元：将开关状态信号转变成开关接点信号；与智能操作箱连接；检测智能操作箱发出的开关操作命令，将其打上时间标记并经无线收发单元上传至无线控制主机和智能变电站仿真系统。\n[0038] 本发明提出一种基于变电站仿真和无线传输技术的智能变电站整体性能试验方法以及实现该方法所需要的变电站仿真系统、无线发射装置、采集器模拟器和开关模拟器。\n[0039] 本方法的要点是：\n[0040] 1、将智能变电站二次系统（包含继电保护装置、测量控制装置、计量装置、后台监控系统等设备）视为检验对象。试验时，被试二次系统保持联接完整性。\n[0041] 2、采用图形化建模软件以变电站一次主接线及与之直接相联的线路、电源为对象，建立“变电站仿真模型”，采用变电站仿真软件仿真被试二次系统工作所需要的全部电气信号。\n[0042] 3、根据变电站电子式电流（电压）互感器配置及试验需求，配置“采集器模拟器”。\n[0043] 4、根据智能变电站开关设备配置和试验需求，配置“开关模拟器”。\n[0044] 5、根据对智能变电站继电保护装置及二次系统整体性能检验需要，确定仿真条件，建立仿真对象的动态微分方程组，采用隐式梯形法将微分方程组离散为差分方程组，采用数值迭代方法得到对象系统的时域仿真结果。\n[0045] 6、利用无线传输技术，将变电站时域仿真结果分别送到各个“合并单元”。在统一时钟控制下，各合并单元同步输出“变电站仿真系统”的时域仿真结果。试验人员检查二次系统信息组织、分配、传输正确性，检查二次设备（继电保护、测量控制装置、计量装置、后台监控系统等）行为正确性。\n[0046] 本发明的特点是将智能变电站二次系统视为一个整体，将完成智能变电站信息组织、分配功能的合并单元和网络交换机纳入检验范围。在对智能变电站二次系统进行性能检验时保持其接线完整性和输入信息完整性，从而达到检验智能变电站整体性能的目的。\n[0047] 本发明提供了一种对智能变电站二次系统信息组织、分配、传输正确性及功能实现正确性进行检验的方法。利用本发明提供的“变电站仿真系统”可以模拟变电站内部和直连线路的的各种故障，利用无线传输方法将时域仿真结果下传至“采集器模拟器”并向被试二次系统同步注入试验信号，利用“开关模拟器”检测继电保护装置动作行为，利用智能变电站配置的网络分析设备、信息记录设备完成对二次系统功能和技术性能的测试。利用本发明提供的方法也可为智能变电站通讯网络性能测试提供条件。\n[0048] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：目前，用于智能变电站继电保护检验的方法均未将合并单元和网络交换机纳入检测范围，这些试验方法为能对继电保护装置输入信号的组织、分配及传输环节以及保护装置输出信号的分配、传输、执行环节进行完整检验，使智能变电站继电保护装置检验在方法上存在缺陷。检验方法的缺陷可能导致智能变电站在建设阶段即存在技术缺陷，使智能变电站运行安全受到威胁，严重时可能导致重大设备事故发生。\n[0049] 本发明的技术进步是将智能变电站二次系统视为一个整体，将完成智能变电站信息组织、分配功能的合并单元和网络交换机纳入检验范围。在对智能变电站二次系统进行性能检验时保持其接线完整性和输入信息完整性，从而达到检验智能变电站二次系统整体性能的目的。\n[0050] 本发明提供了一种对智能变电站二次系统信息组织、分配、传输正确性及功能实现正确性进行检验的方法。利用本发明提供的“变电站仿真系统”可以模拟变电站内部和直连线路的的各种故障，利用无线传输方法将时域仿真结果下传至“采集器模拟器”并向被试二次系统同步注入试验信号，利用“开关模拟器”检测继电保护装置动作行为，利用智能变电站配置的网络分析设备、信息记录设备完成对二次系统功能和技术性能的测试。\n[0051] （1）开创性引入信号无线传输技术构建智能变电站测试系统，实现了含盖智能变电站二次系统信息组织、分配到保护控制逻辑判断、再到功能实现的完整的性能测试。\n[0052] （2）采用数字仿真技术模拟变电站一次系统的行为，为二次系统测试提供真实可信的系统环境。\n[0053] （3）采用1588无线对时技术保证信号的同步性，确保测试结果真实可靠。\n附图说明\n[0054] 图1是智能变电站一次系统、二次系统关系示意图。\n[0055] 图2是智能变电站二次系统整体性能试验系统示意图。\n[0056] 图3是智能变电站仿真系统组成示意图。\n[0057] 图4是无线控制主机示意图。\n[0058] 图5是模拟量终端示意图。\n[0059] 图6是开关量终端示意图。\n[0060] 图7是智能变电站二次系统整组性能测试流程图。\n具体实施方式\n[0061] 本发明提出的方法和实施步骤：\n[0062] 本发明的工作原理：\n[0063] 本发明的核心思想是将被试智能变电站二次系统视为一个整体，将合并单元和网络交换机纳入检测范围，在试验中保持二次系统接线完整性。利用“变电站仿真系统”模拟被试变电站及直连线路运行状态，利用无线传输方法将仿真结果传送到“采集器模拟器”，利用分散布置的多台“采集器模拟器”向被试变电站合并单元同步注入试验信号，利用“开关模拟器”检查继电保护装置动作行为，利用二次系统配置的网络分析仪、故障录波器及监控系统的记录功能检查合并单元和网络交换机信息组织、分配功能正确性，完成对智能变电站二次系统功能正确性的检验。\n[0064] 图5.1是一个由电子式电流互感器、电压互感器提供工频信号的智能变电站的结构示意图。图中“二次系统”包含了“合并单元、网络交换机、继电保护装置、测量控制装置、计量装置、后台监控系统”等二次设备。变电站的电子式电流、电压互感器通过“合并单元”向其它二次系统设备提供其工作需要的工频信号，继电保护装置、测量控制装置、计量装置、后台监控系统利用经合并单元和交换机组织、分配后的工频信号实现变电站一次设备保护、控制、测量、计量功能。\n[0065] 图中：\n[0066] ：连接到变电站的输电线路；\n[0067] ：变压器；\n[0068] ：分别是线路 和变压器 的断路器；\n[0069] ：分别是线路 的电子式电压互感器和母线电压互感\n器；\n[0070] ：分别是线路 和变压器高压侧、低压侧的电\n子式电流互感器；\n[0071] ：合并单元，完成电子式电流、电压互感器信号的组织、分配，将组织后的数字化电流电压信号经光纤发送到其它二次设备；\n[0072] 智能操作箱：将来自继电保护装置、测量控制装置的操作命令转换成电信号，驱动断路器完成分、合闸操作。\n[0073] 图2是利用本发明提出方法检验智能变电站二次系统性能的示意图。利用图2所示试验系统可以完成智能变电站二次系统整体性能的测试和继电保护行为的检验。\n[0074] 图中：智能变电站仿真平台（即系统）：由笔记本电脑和置于笔记本电脑内的图形化建模软件、变电站仿真软件、模拟量波形显示软件和试验控制软件组成，完成智能变电站仿真平台建模、时域仿真以及仿真结果的波形显示以及试验过程控制，显示由“开关模拟器”检测的“智能操作箱”分、合闸命令发生时刻。\n[0075] 无线控制主机：完成试验系统的GPS对时，完成“无线控制主机”与“采集器模拟器”和“开关模拟器”的时间校准，接收“智能变电站仿真平台”的时域仿真结果并以无线传输方式将时域仿真结果下装到“采集器模拟器”，完成试验的同步控制。\n[0076] 采集器模拟器1 采集器模拟器m：接收“无线控制主机”发送的仿真数据，在“无线控制主机”控制下，将多台“采集器模拟器”信号同步输出到合并单元。\n[0077] 开关模拟器1 开关模拟器k：接收“智能操作箱”输出的断路器分、合闸控制命令，并将接收到的“智能操作箱”命令以无线方式上传到“智能变电站仿真系统”，供试验人员确定二次系统行为正确性。\n[0078] 本发明的实施方案：本发明提出的智能变电站试验方法包括利用笔记本电脑实现的“智能变电站仿真平台”、“无线控制主机”、“采集器模拟器”和“开关模拟器”。\n[0079] 1）智能变电站仿真平台（即智能变电站仿真系统）：“智能变电站仿真平台”由图形化建模软件、电力系统仿真软件（即变电站仿真软件）、模拟量波形显示软件、试验控制软件及笔记本电脑组成。\n[0080] 各部件功能如下：图形化建模软件：含电力系统设备模型库，完成智能变电站及直连线路、电源的建模。\n[0081] 电力系统仿真软件：根据“图形化建模软件”建立的智能变电站仿真模型建立微分方程组，根据设定的故障对象和时序确定动态仿真过程，完成时域仿真。\n[0082] 模拟量波形显示软件：仿真结果的辅助分析软件。以波形方式显示模拟量的时域仿真结果。\n[0083] 试验控制软件：支持试验条件、时序参数设置，完成试验控制功能。\n[0084] 笔记本电脑：提供功能软件运行的硬件条件。\n[0085] 2）无线控制主机：无线控制主机由GPS同步模块、高稳定主时钟模块、基于无线方式的IEEE 1588授时模块、无线收发控制模块组成。\n[0086] 各模块功能如下：GPS同步模块：接收GPS卫星的时钟信号，并向“高稳定时钟模块”授时。\n[0087] 高稳定时钟模块：根据GPS授时信号完成对时，为试验系统提供同步时钟。\n[0088] 无线1588授时模块：将“高稳定时钟模块”时钟信号以无线1588方式向“采集器模拟器”、“开关模拟器”授时。\n[0089] 无线收发控制模块：接收“智能变电站仿真平台”的时域仿真数据和控制命令，以无线方式发送时域仿真数据包和试验控制命令。\n[0090] 3）采集器模拟器：采集器模拟器用于接收来自“智能变电站仿真平台”的时域仿真数据和试验控制命令，按照试验控制命令向合并单元发送试验用数据流。采集器模拟器包括无线收发模块、高稳定从时钟模块、输出控制模块、曼彻斯特编码转换模块。\n[0091] 各模块功能如下：无线收发模块：接收“无线控制主机”的时钟同步信号、仿真数据包、试验控制命令。将“时钟同步信号”转送到“高稳定从时钟模块”，将“仿真数据包”和“试验控制命令”转送到“输出控制模块”。\n[0092] 高稳定从时钟模块：接收“无线收发模块”的时钟同步信号，为“输出控制模块”和“曼彻斯特编码模块”提供输出控制的时钟信号。\n[0093] 输出控制模块：根据“仿真数据包”和“试验控制命令”形成“输出数据流”，并将“输出数据流”送至“曼彻斯特编码模块”。\n[0094] 曼彻斯特编码模块：接收“输出控制模块”送出的“输出数据流”，将“输出数据流”转换成曼彻斯特编码，经光纤发送到智能变电站的合并单元。\n[0095] 4）开关模拟器：\n[0096] 开关模拟器实现下述功能：\n[0097] （1）检测变电站智能操作箱发出的开关操作命令，将开关操作命令打上时间标记，并将“带时标的开关操作命令”以无线方式发送到“无线控制主机”；\n[0098] （2）接收“无线控制主机”转发的“智能变电站仿真系统”开关状态，将开关状态转换成“开关接点”信号，并将开关接点信号送至变电站的“智能操作箱”实现对智能变电站开关状态的模拟。\n[0099] 开关模拟器包括无线收发模块、高稳定从时钟模块、输出模块、输入模块。\n[0100] 各模块功能如下：\n[0101] 无线收发模块：接收“无线控制主机”的时钟同步信号、“智能变电站仿真系统”的“开关状态”信号；将“时钟同步信号”转送到“高稳定从时钟模块”，将“开关状态信号”转送到“输出模块”。检测智能操作箱发出的“开关操作命令”并打时间标记，将“带时标的开关操作命令”以无线方式上传“无线控制主机”。\n[0102] 高稳定从时钟模块：接收“无线收发模块”的时钟同步信号，为“开关模拟器”提供时钟信号。\n[0103] 输出模块：将“智能变电站仿真系统”的“开关状态”信号转变成“开关接点”信号。\n[0104] 输入模块：检测“智能操作箱”发出的开关操作命令，将其打上时间标记并经“无线收发模块”上传至“无线控制主机”和“智能变电站仿真系统”。\n[0105] 上文中“模块”和“软件”均为相应单元。\n[0106] 使用本发明的步骤：使用本发明提出的测试方法完成变电站二次系统整组性能测试的流程如图7所示。\n[0107] 智能变电站仿真系统是用以计算变电站和输电线路的电磁暂态过程，目前已有ATP、PSCAD等商业软件可以进行电磁暂态计算，将仿真中动态元件进行建模，即用微分方程组表示。利用隐式梯形法将微分方程组转化为差分方程组，此时动态元件是用一种由纯电阻和等值电流源构成的电路来代替，即得到了电磁暂态等值计算电路。转换后的差分方程组是线性代数方程组，采用三角分解法进行求解。\n[0108] 文献可参看：\n[0109] [1]：H.W.Domel.著，李永庄、林集明、曾昭华译，《电力系统电磁暂态计算理论》，水利电力出版社，1991年。\n[0110] [2]：夏道止，电力系统分析（下册），中国电力出版社，1995。