數(shù)字化變電站的保護(hù)裝置測(cè)試

1、收稿日期:2008207207基金項(xiàng)目:湖南省教育廳科技項(xiàng)目(08C787作者簡(jiǎn)介:王曉芳(1965-,女,碩士,副教授,主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方面的教學(xué)與研究.通訊作者:王曉芳,女,碩士,副教授;E 2mail:wxf6543yahoo 第23卷第3期2008年9月電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)JO URNAL O F E I ECTR I C P OW ER SC I ENCE AN D TECHN OLO G YVol .23No .3Sep.2008數(shù)字化變電站的保護(hù)裝置測(cè)試王曉芳1,向前2,李付亮3(1.邵陽(yáng)學(xué)院電氣工程系,湖南邵陽(yáng)422000; 2.北京博電新力電力系統(tǒng)儀器有限公司,北京1

2、00098;3.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410131摘要:數(shù)字化變電站的繼電保護(hù)裝置輸入電子互感器的數(shù)字信號(hào),需要新型的繼電保護(hù)測(cè)試技術(shù)和儀器.介紹了數(shù)字化變電站,設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀,實(shí)現(xiàn)了110k V 變電站保護(hù)裝置的測(cè)試,為數(shù)字化變電站的保護(hù)裝置現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試提供了范例.關(guān)鍵詞:電子式互感器;繼電保護(hù)測(cè)試儀;數(shù)字化變電站;保護(hù)裝置中圖分類號(hào):T M 61;TK 01文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):167329140(20080320079205Protecti ve dev i ces test for d i g ita l substa ti on sWANG Xiao

3、2fang 1,X I A NG Q ian 2,L I Fu 2liang3(1.Depart m ent of Electrical Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China;2.Beijing Bodian 2Xinli Power System I nstrument L i m ited Company,Beijing 100098,China;3.Hunan Hydr oelectric Occupati onal College,Changsha 410131,China Abstract:Pr otective

4、Devices input digital signals fr om electr onic transf or mers in digital substati ons .Itneed ne w p r otective relay test technol ogies and instruments .The digital substati on is intr oduced in the pa 2per;a ne w instrument for p r otective relay test is designed,and the p r otecti on devices is

5、tested in a 110kV substati on as an exa mp le of p r otective devices test f or digital substati ons .Key words:electr onic transf or mer;p r otecti on relay test instru ment;digital substati on;p r otective device新型電子式互感器的出現(xiàn)及其在工程中的應(yīng)用,不僅促進(jìn)了高壓電器設(shè)備的一體化集成技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備緊湊化、模塊化和智能化,而且為繼電保護(hù)和控制等二次設(shè)備發(fā)展帶來了新的變革

6、,促進(jìn)了變電站內(nèi)過程層的數(shù)字化和過程總線網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展,使測(cè)量、保護(hù)、控制、監(jiān)測(cè)等不同功能實(shí)現(xiàn)信息共享.同時(shí),也帶來了保護(hù)和智能設(shè)備測(cè)試手段的顯著變化.1電子式電流/電壓互感器電流(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(jí)下將大電流高電壓線性變換成適合于計(jì)量、保護(hù)、監(jiān)測(cè)儀表使用的電流(壓信號(hào),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1.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2.1電壓等級(jí)越高,短路電流越

7、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3.2暫態(tài)傳變特性差,高壓系統(tǒng)中要求保護(hù)動(dòng)作速度快,改善暫態(tài)傳變特性需增加投資.3CT二次側(cè)輸出對(duì)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(chǎng)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(huì)造成鐵芯飽和,成為差動(dòng)類保護(hù)誤動(dòng)作的主要原因.5CT二次不能開路,否則會(huì)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(hào),就近經(jīng)A/D變換成數(shù)字信號(hào)后通過光纜送出給接收端.這種類型

8、的有源式傳感器由于技術(shù)較為成熟已經(jīng)開始在國(guó)內(nèi)掛網(wǎng)運(yùn)行4.ECT,EPT的優(yōu)點(diǎn)主要有:體積小、重量輕,電壓高時(shí)更是如此.便于和數(shù)字設(shè)備連接,具有完備的自檢功能.絕緣性能好,造價(jià)低.不含鐵芯,消除了磁飽和、鐵磁諧振等問題.暫態(tài)特性好,測(cè)量精度高.頻率響應(yīng)范圍寬.2過程總線與I EC61850I EC61850規(guī)約是在美國(guó)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(gè)廠家的I ED,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.I EC61850的特點(diǎn)如下所述5.1分層.將變電站劃分為變電站層、間隔層、過程層,每個(gè)物理設(shè)備由服務(wù)器和應(yīng)用組

9、成,他們的數(shù)據(jù)庫(kù)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.I EC61850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I EC61850的發(fā)展觀點(diǎn),變電站各個(gè)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

10、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(jí)總線通信.3數(shù)字化變電站采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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 .圖161850-9-1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)F i gure1Syste m structure of61850-9-1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(dòng)切換;間隔層測(cè)控單元具有遙測(cè)、遙信、遙控(調(diào)等功能,完成對(duì)全站設(shè)備的保護(hù)、測(cè)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(duì)數(shù)字信號(hào)的采集、合并、處理后以光信號(hào)方式對(duì)外提08電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)2008年9月

11、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(duì)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數(shù)字化保護(hù)測(cè)試儀介紹電子式電壓和電流互感器的使用帶來保護(hù)測(cè)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(hào)是光數(shù)字信號(hào).2信號(hào)傳輸方式變化.I EC 根據(jù)基于數(shù)字光電電氣量測(cè)、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(dòng)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I EC 6185

12、0系列標(biāo)準(zhǔn).在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中,量測(cè)、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(dòng)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(duì)保護(hù)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試,我們應(yīng)用了一種新型的測(cè)試儀器.這種測(cè)試儀具有光以太網(wǎng)接口,能通過以太網(wǎng)發(fā)送符合I EC 61850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(shí),它能夠接收保護(hù)動(dòng)作的硬接點(diǎn)信號(hào),實(shí)現(xiàn)保護(hù)的測(cè)試.測(cè)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 .圖2數(shù)字測(cè)試儀硬件結(jié)構(gòu)F i gure 2Hard ware structure of digital t

13、ester中央處理器實(shí)現(xiàn)將采樣數(shù)據(jù)按照I EC61850-9-1協(xié)議逐點(diǎn)打包和發(fā)送,并通過US B 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(shí)計(jì)算.并根據(jù)其獲得的開關(guān)量信號(hào),與PC 機(jī)一同實(shí)現(xiàn)保護(hù)測(cè)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(cè)試儀的軟件由上位機(jī)程序、數(shù)據(jù)處理和通訊程序、測(cè)試流程控制和數(shù)據(jù)計(jì)算程序等3部分構(gòu)成.上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)測(cè)試儀的圖形用戶界面、電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)故障計(jì)算以及試驗(yàn)過程控制.基于數(shù)據(jù)庫(kù)的上位機(jī)軟件為用戶提供了一整套功能強(qiáng)大的測(cè)試模塊,能夠使用戶方便快捷地完成各種復(fù)雜的繼電

14、保護(hù)試驗(yàn).測(cè)試儀上電后,DSP 在得到PC 機(jī)下載的測(cè)試程序后,開始運(yùn)行,并從外部Flash 中得到有關(guān)測(cè)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(shí)計(jì)算出8路通道的輸出量,并將其放在HP I 內(nèi)存中,然后將連接在ARM 外部中斷的I/0口置位,啟動(dòng)AR M 外部中斷信號(hào).中央處理單元(MCU 要做的是完成與PC 機(jī)之間通過US B 和與DSP 之間通過HP I 的數(shù)據(jù)通信,協(xié)議棧軟件也在MCU 中運(yùn)行.數(shù)字測(cè)試儀協(xié)議棧軟件流程如圖3所示 .圖3數(shù)字測(cè)試儀協(xié)議棧軟件框圖F i gure 3Fl ow chart of p r ot ocol stack digital t

15、ester18第23卷第3期王曉芳,等:數(shù)字化變電站的保護(hù)裝置測(cè)試協(xié)議棧軟件的主要功能是將測(cè)試數(shù)據(jù)按I EC61850-9-1協(xié)議組幀,最后以光纖以太網(wǎng)的模式輸出到被測(cè)數(shù)字設(shè)備上,由于協(xié)議棧軟件功能相對(duì)獨(dú)立,裝置上電后,AR M經(jīng)過一個(gè)內(nèi)存的重映射過程,將程序映射到快速S DRAM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(chǔ)器中讀取八路信號(hào)量,進(jìn)行數(shù)據(jù)組幀和發(fā)送.通過讀、寫中斷響應(yīng)AR M將實(shí)現(xiàn)PC與DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸.5現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試使用數(shù)字化測(cè)試儀對(duì)某110k V變電站的所有保護(hù)進(jìn)行了測(cè)試.該變電站變壓器主保護(hù)采用帶二次諧波制動(dòng)

16、的差動(dòng)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(cè)保護(hù)的定義,首先在測(cè)試儀應(yīng)用軟件上對(duì)采樣率、AS DU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(huì)有變化,必須正確配置,否則將不能得到正確的測(cè)試結(jié)果.然后,通過US B接口將測(cè)試儀連接到PC機(jī)上,通過光口將測(cè)試儀的輸出信號(hào)傳送到被測(cè)保護(hù)裝置,使用測(cè)試線將保護(hù)動(dòng)作信號(hào)連接到測(cè)試儀的開入端子上.最后,在PC上啟動(dòng)應(yīng)用軟件開始保護(hù)的測(cè)試.下面以差動(dòng)保護(hù)的測(cè)試為例對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行描述.測(cè)試儀軟件中差動(dòng)測(cè)試模塊提供了實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)的

17、測(cè)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(duì)AS DU進(jìn)行了配置.試驗(yàn)步驟如下.1設(shè)置差動(dòng)保護(hù)定值.差動(dòng)定值包含有變壓器高、低壓側(cè)的平衡系數(shù)、啟動(dòng)電流、速斷電流、拐點(diǎn)電流、比率制動(dòng)系數(shù)、變壓器接線型式和制動(dòng)方程.而啟動(dòng)電流、速斷電流、拐點(diǎn)電流和比率制動(dòng)系數(shù)構(gòu)成了差動(dòng)保護(hù)的比率制動(dòng)特性曲線,如圖4所示.2設(shè)置差動(dòng)保護(hù)通用試驗(yàn)參數(shù).CT二次接線.測(cè)試模塊提供了全星形接線和傳統(tǒng)接線2種.當(dāng)由微機(jī)保護(hù)的軟件處理變壓器圖4比例制動(dòng)特性曲線F i gure4Characteristic curve of braking rati o轉(zhuǎn)角(內(nèi)轉(zhuǎn)角時(shí)選擇前一種型式.否則,使用后一種接線型式.這里選擇全星

18、型接線.轉(zhuǎn)角方式.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).平衡系數(shù)的計(jì)算.變壓器接線為Y/-11,各側(cè)的額定電壓及差動(dòng)CT的變比分別為U1,N1,U2,N2.各側(cè)流入差動(dòng)保護(hù)的電流分別為I1=S n3U1N1;(1I2=S n3U2N2.(2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:K=U1N1U2N2.(33添加測(cè)試點(diǎn).添加啟動(dòng)、速斷、比率系數(shù)等測(cè)試點(diǎn).4接線.通過光纖將保護(hù)的電流輸入光口,接到測(cè)試儀相應(yīng)的光口上.保護(hù)裝置的跳閘接點(diǎn)通過測(cè)試線連接到測(cè)試儀的開關(guān)量

19、輸入端A,B,C,D,E,F,G,H任意一對(duì)端子上.28電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)2008年9月5執(zhí)行測(cè)試.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(cè)試儀通過以太網(wǎng)發(fā)送符合I EC61850-9-1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(hào)通過測(cè)試儀的開入量輸入到測(cè)試儀中.測(cè)試儀通過改變電流值的幅值對(duì)保護(hù)進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試結(jié)束后得到比率制動(dòng)系數(shù)、啟動(dòng)電流、速斷電流和動(dòng)作時(shí)間等結(jié)果,并將試驗(yàn)結(jié)果記錄在試驗(yàn)報(bào)告中,完成保護(hù)試驗(yàn).軟件測(cè)試界面如圖5所示 .圖5測(cè)試軟件界面F i gure 5Ttest s oft w are interface6結(jié)論隨著電子式互感器及I

20、EC61850通訊協(xié)議的推廣和運(yùn)用,智能化的一次設(shè)備和二次電子裝置之間要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信,變電站內(nèi)智能裝置的數(shù)量將急劇增加,現(xiàn)場(chǎng)需要數(shù)字保護(hù)的測(cè)試工具.本文研制和應(yīng)用的新型測(cè)試儀為數(shù)字保護(hù)的測(cè)試提供了先進(jìn)手段,應(yīng)用的測(cè)試方案為數(shù)字化變電站保護(hù)裝置的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試提供了理論和試驗(yàn)依據(jù).參考文獻(xiàn):1曾祥君,劉正誼,屈明志,等.互感器暫態(tài)行波傳輸特性仿真分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試J .長(zhǎng)沙理工大學(xué)(自然科學(xué)版,2004,1(1:71275.ZENG Xiang 2jun,L I U Zheng 2yi,QU M ing 2zhi,et al .Si m ulative a 2nalysis and experi m e

21、ntal test of the trans m issi on characteristics of transient traveling 2wave in transfor merJ .Journal of Changsha Uni 2versity of Science and Technol ogy (Natural Science ,2004,1(1:71275.2趙玉富,陳卓亞,郭洪.電子式互感器J .電測(cè)與儀表,2006,43(6:28231.ZHAO Yu 2fu,CHENG Zuo 2ya,G UO Hong .Electr onic Transfor mer J .Electrical Measure ment and I nstrumentati on .2006,43(6:28231.3徐玉琴,劉麗花,張麗.超(特高壓輸電線路差動(dòng)保護(hù)電