CN102129001A - 一种数字化继电保护装置测试系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字化继电保护装置测试系统及其方法，它的步骤为：步骤1：利用成熟电力系统仿真软件对电力系统仿真模型进行故障仿真，取得高采样率故障波形仿真数据；步骤2：将故障仿真数据转换为高频带电子式互感器采样输出的数据；步骤3：将电子式互感器输出转换为IEC61850协议的数据格式；步骤4：利用实时硬件输出实时模拟信号；步骤5：将实时硬件输出经电光转换将电信号转换为光信号输出到数字化继电保护装置中进行测试；步骤6：将数字化继电保护装置的动作信号经光电转换后将保护动作的光信号转换为电信号反馈给实时硬件；步骤7：实时硬件再将故障波形和动作信号在时间上进行同步，进行图形化显示，判断数字化继电保护装置动作特性。

Description

一种数字化继电保护装置测试系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种数字化继电保护装置测试系统及其方法，它具有复杂电力系统与暂态故障仿真能力。

背景技术

电力系统中从电磁式互感器到电子式互感器的转变正促使着继电保护装置从模拟输入量到数字输入量的转变。相应的继电保护测试系统也需要技术进步来满足各种数字化保护装置的检测需求，按照IEC61850规约为继电保护装置提供光信号测试信息。在各种数字化保护装置中，行波保护是最难检测的，主要因为目前的各种保护测试设备不具有为行波保护提供高频带暂态信号的能力。目前广泛应用的数字化继电保护测试系统可以分为三种，但各自存在着不同的缺点。

一、电力系统动态模拟与仿真实验室。

数字化改造后动模实验室按照实际电力系统模型进行设计、建设，可提供比较接近实际的运行环境，是检测继电保护装置的良好平台。但是动模实验室也存在投资大、占地广、模拟不够全面(一般只模拟单端无穷大系统)，对故障暂态信息量模拟不准确的缺点。

二、数字化继电保护测试仪

数字化继电保护测试仪能够输出符合数字化保护测试要求的光信号，并在输出信号中可以加入谐波、直流分量等成分，但是继电保护测试仪所能提供的仿真模型很有限，一般为双端系统，并且继电保护测试仪无系统暂态过程模拟能力，无法提供高频衰减分量和直流衰减分量，无法满足数字化继电保护装置全面检测的需求。

三、实时数字仿真系统

可使用实时数字仿真系统(Real Time Digital Simulator，RTDS)来模拟复杂一些的电力系统模型以产生保护装置需要的实时输入信号，但是实时数字仿真系统价格昂贵、建模复杂、输出量频带窄(RTDS只有4kHz的输出带宽即一个周波只有80个采样点)，无法满足基于暂态量的数字化保护装置对电力系统暂态过程的采样要求，且实时仿真系统受其计算能力影响无法实时仿真多节点、复杂电力系统的运行。

综上所述，目前流行的三种继电保护测试系统无论是在稳态信号还是暂态信号的模拟方面都存在着的缺陷。各种现有数字化继电保护测试系统的缺点严重制约了数字化保护装置的开发、应用，也制约了电力系统运行人员对数字化保护装置性能的掌握。

为克服现有继电保护测试系统的缺点，研究开发新型的数字化保护测试方法已迫在眉睫，其对于推动数字化保护装置的开发和应用，建设数字化的智能电网有着重要的作用。

发明内容

针对现有继电保护测试系统在暂态故障模拟能力方面的不足，本发明给出了一种数字化继电保护装置测试系统及其方法，它结合智能电网技术的发展，克服目前广泛应用的数字化保护测试系统所存在的不同程度的缺点，比如暂态故障模拟能力差，造价昂贵，模型简单，输出带宽小等，整个方法简单易行，运算量小。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种数字化继电保护装置测试方法，它的步骤为：

步骤1：利用成熟电力系统仿真软件对电力系统仿真模型进行故障仿真，取得高采样率故障波形仿真数据；

步骤2：将故障仿真数据转换为高频带电子式互感器采样输出的数据；

步骤3：将电子式互感器输出转换为IEC61850协议的数据格式；

步骤4：将以上三步离线计算后所得的数据下载到实时硬件中，利用实时硬件所具有的实时输出能力将数据按照实际数字化继电保护装置的采样周期逐个输出，从而输出实时模拟信号；

步骤5：将实时硬件输出经电光转换将电信号转换为光信号输出到数字化继电保护装置中进行测试；

步骤6：将数字化继电保护装置的动作信号经光电转换后将保护动作的光信号转换为电信号反馈给实时硬件；

步骤7：实时硬件再将故障波形和动作信号在时间上进行同步，将其输出到波形及信号显示装置上进行图形化显示，以分析故障波形与继电保护动作在时间上的对应关系，判断数字化继电保护装置动作特性。

所述步骤1中的采样率≥1MHz。

一种数字化继电保护装置测试系统，它包括：

一台后台离线计算机，离线计算获取数据，并将数据实时输出；

实时硬件，将数据按照实际数字化继电保护装置的采样周期逐个输出，从而输出实时模拟信号；实时硬件输出经电光转换模块将电信号转换为光信号输出到数字化继电保护装置中进行测试；

数字化继电保护装置，将动作信号经光电转换模块将保护动作的光信号转换为电信号反馈给实时硬件；

实时硬件将故障波形和动作信号在时间上进行同步，将其输出到波形及信号显示装置上进行图形化显示，以分析故障波形与继电保护动作在时间上的对应关系，判断数字化保护装置动作特性。

本发明集成了目前已获广泛认同的电力系统暂态仿真软件(如EMTP，PSCAD/EMTDC等)与实时硬件(Real-Time Hardware)，利用电力系统暂态仿真软件对电力系统稳态以及暂态故障精确地模拟能力获取故障信号数据，并将其转换为数字化保护的IEC61850协议信号，然后将该信号存入高精度实时硬件进行仿真。

本发明所取得的有益效果如下：

一、实时的高精度暂态故障波形输出能力。

传统的方法要么无法模拟暂态故障，要么昂贵且暂态故障模拟能力差。而通过受到广泛承认的电力系统仿真软件仿真获得暂态故障波形不仅硬件成本低并且能够获得极高采样率的输出。而通过将计算数据载入实时硬件平台则克服了仿真软件无法实时的输出到继电保护装置进行测试的劣势，并将硬件平台从复杂的计算总解放出来，从而获得了高精度的暂态故障模拟能力。

二、具有仿真复杂系统的能力。

成熟的电力系统暂态分析软件可以仿真复杂系统，甚至将整个地区的电网建立起相应的模型进行仿真，本专利所采用的方案将电力系统暂态分析软件作为实验波形的来源使得该方法具有了复杂电力系统的仿真能力。这一点很好的克服了现有实时仿真系统的局限。

三、可以对数字化保护装置进行全面的测试。

本专利方案既可以模拟稳态条件下继电保护装置的动作情况，也可以模拟暂态条件下的动作情况。

四、信号录波功能

利用实时硬件记录数字化保护动作信号并与仿真波形同步显示，能够提供简单、直观的故障录波功能。

五、成本低。

现有的实时数字仿真系统往往通过硬件在线计算的方法，需要大量的处理器(CPU)模块，硬件成本高。而本发明采用仿真软件代替了处理器的在线计算，通过离线计算获得暂态故障波形，从而大大降低了成本而获得了更好的效果。

六、体积小，便携。

由于最为复杂的暂态故障仿真计算通过软件来完成，免去了现有实时数字仿真系统的处理器，更不必采用动模实验室来实际运行。而本发明的硬件部分只需实时硬件平台及外围处理模块，体积较小，便于携带。

附图说明：

图1为本发明的工作流程图；

图2为本发明的系统结构图；

图3为双电源线路中间接地故障时故障波形与继电保护动作信号同步图。

其中，1.后台离线计算机，2.实时硬件，3.电光转换模块，4.数字化继电保护装置，5.光电转换模块，6.波形及信号显示装置。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1中，本发明采用离线计算获取数据，并将数据实时输出进行测试。

后台离线计算机1利用电力系统暂态仿真软件(如PSCAD/EMTDC)建立仿真实例，由于PSCAD/EMTDC等软件的强大仿真功能，这些仿真实例既可以模拟简单连线的电力系统也可以模拟多单元、多节点的复杂电力系统，甚至可以以实际的电网参数为基准建立符合区域实际接线的电力系统模型。通过仿真可以取得高采样率(≥1MHz)仿真数据。

由于仿真软件的仿真结果比较理想，不能反应各种测量环节带来的误差，因而不能直接将其作为继电保护测试的输入数据，尤其是针对使用电子式互感器的数字化保护装置，电子式互感器中的积分等环节将会对原始的电力系统采样信息进行转换，相应的仿真软件的仿真数据也与电子式互感器模型结合进行数据转换，使处理后的数据符合经实际电子式互感器采样得到的电力系统数据。

对仿真结果进行数据格式处理得到符合61850-9-1或61850-9-2协议的数据格式。

61850协议格式转换后的仿真数据已经具有了数字化保护装置的输入格式，但是仿真结果数据量大，虽然可以在波形及信号显示装置6(即PC机)上轻松的以波形图的形式显示，但是无法以实时方式输送到数字化继电保护装置4中。要想形成可以应用到数字化继电保护装置4的实时数据，需要对仿真结果做进一步的处理，形成可以应用到实时硬件2平台的数据载入模式，同时保留仿真数据的61850协议格式。本发明为此将处理后的仿真数据载入实时硬件2(如NI公司实时硬件)内存，再将仿真数据按照采样周期进行输出，从而将完整的高频带仿真信号输出。

实时硬件2输出的数据是电信号，但是数字化继电保护装置4的输入为光信号，因而本发明设置了电光转换模块3以实现对于利用光信号传输数据的数字化继电保护装置4的测试。数字化继电保护装置4的动作信号也为光信号，同样需要将其光信号通过光电转换模块5转换为电信号输入实时硬件2平台。

为实现对数字化继电保护装置4动作情况的分析，本发明将输入到数字化继电保护装置4的数据与动作信号同步后在波形及信号显示装置6上进行显示。同步的意义在于故障波形必须与动作信号在时间上同步才能有效地分析继电保护动作信号与故障波形的关系。如图3为双电源线路中间接地故障时故障波形与继电保护动作信号同步在显示装置中显示，可以很好地分析数字化保护装置的动作特性。

Claims (3)

1.一种数字化继电保护装置测试方法，其特征是，它的步骤为：

步骤1：利用成熟电力系统仿真软件对电力系统仿真模型进行故障仿真，取得高采样率故障波形仿真数据；

步骤2：将故障仿真数据转换为高频带电子式互感器采样输出的数据；

步骤3：将电子式互感器输出转换为IEC61850协议的数据格式；

步骤4：将以上三步离线计算后所得的数据下载到实时硬件中，利用实时硬件所具有的实时输出能力将数据按照实际数字化继电保护装置的采样周期逐个输出，从而输出实时模拟信号；

步骤5：将实时硬件输出经电光转换将电信号转换为光信号输出到数字化继电保护装置中进行测试；

步骤6：将数字化继电保护装置的动作信号经光电转换后将保护动作的光信号转换为电信号反馈给实时硬件；

步骤7：实时硬件再将故障波形和动作信号在时间上进行同步，将其输出到波形及信号显示装置上进行图形化显示，以分析故障波形与继电保护动作在时间上的对应关系，判断数字化继电保护装置动作特性。

2.如权利要求1所述的数字化继电保护装置测试方法，其特征是，所述步骤1中的采样率≥1MHz。

3.一种数字化继电保护装置测试系统，其特征是，它包括：

一台后台离线计算机，离线计算获取数据，并将数据实时输出；

实时硬件，将数据按照实际数字化继电保护装置的采样周期逐个输出，从而输出实时模拟信号；实时硬件输出经电光转换模块将电信号转换为光信号输出到数字化继电保护装置中进行测试；

数字化继电保护装置，将动作信号经光电转换模块将保护动作的光信号转换为电信号反馈给实时硬件；

实时硬件将故障波形和动作信号在时间上进行同步，将其输出到波形及信号显示装置上进行图形化显示，以分析故障波形与继电保护动作在时间上的对应关系，判断数字化保护装置动作特性。

Images