CN114429092A - 一种基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统 - Google Patents

一种基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统，其特征在于，包括孪生数据采集模块、数字孪生建模模块和数字孪生仿真推演模块。孪生数据采集模块用于获取一次系统数据信息。数字孪生建模模块用于建立二次保护设备数字孪生模型，数字孪生建模模块的输入数据为一次系统数据信息。数字孪生仿真推演模块用于构建电网系统运行故障仿真模型，并基于二次保护设备数字孪生模型，对继电保护设备进行仿真分析，预测下一次的保护动作。本申请复用性高，后续设备数字化成本降低，模式移植性强，可实现历史状态数据反演，构建设备状态预警模型进行设备预警，通过同时仿真在各种复杂运行环境下的保护动作行为，预测下一次保护的可能动作情况。

Description

一种基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统
技术领域
本申请属于数字仿真系统技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统。
背景技术
随着大电网建设以及电网智能化的不断推进，更多的智能设备接入电网中，保护设备的数量迅猛增长，智能化程度不断加深，因此对大电网的运行稳定性提出了更高的要求。电厂及变电站传统的运维检修方法难以对设备的状态进行精准评价，由于设备状态掌握不及时造成电网停电事故时有发生。需要对电网的保护设备进行常态化和精益化检查，必须及时准确了解设备状态及安全隐患。
继电保护数字孪生技术为提升继电保护设备实时数据交互能力、状态评估诊断能力以及保护动作预测能力提供了一条新的思路。目前各类研究模型众多，但保护动作预测能力方面却始终无法贴近现实，造成研究成果的实用价值很低。
发明内容
本申请提出了一种基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统，通过建立基于数字孪生模型的变电站保护设备智能运维系统，研究智能变电站继保设备高精度孪生体建模技术，实现线路保护和母线保护动作行为分析。并通过搭建对应一次系统模型仿真在各种复杂运行环境下的保护动作行为，预测下一次保护的可能动作情况，实现保护故障仿真推演。通过实际传感器采集继电保护的监测信息、自检信息、历史数据，评估继电保护健康状态，实现继电保护不同健康状态下的继电保护动作行为推演，通过推演结果判断实际继电保护设备是否能够正常动作于实际工况。
为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
一种基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统，包括孪生数据采集模块、数字孪生建模模块、数字孪生仿真推演模块、继电保护健康状态评价模块；
所述孪生数据采集模块用于获取一次系统数据信息；
所述数字孪生建模模块用于建立二次保护设备数字孪生模型，所述数字孪生建模模块的输入数据为所述一次系统数据信息；
所述数字孪生仿真推演模块用于构建电网系统运行故障仿真模型，并基于所述二次保护设备数字孪生模型，对继电保护设备进行仿真分析，预测下一次的保护动作；
所述继电保护健康状态评价模块用于分析继电保护历史自检信息，以及对继电保护健康状态进行分析，并基于分析结果仿真继电保护在对应工况下的动作行为。
优选的，所述二次保护设备数字孪生模型包括人机交互子系统、继电保护仿真子系统和一次系统仿真子系统；
所述人机交互子系统用于显示仿真信息，以及人机交互控制；
所述继电保护仿真子系统用于进行线路保护装置仿真建模，建立线路保护仿真模型；
所述一次系统仿真子系统用于进行母线保护装置仿真建模，建立母线保护仿真模型。
优选的，所述线路保护仿真模型包括阶段式电流保护数字孪生子系统、距离保护数字孪生子系统和纵联电流差动保护数字孪生子系统；
所述阶段式电流保护数字孪生子系统用于从暂态仿真结果分离出三相电流数据，并根据所述三相电流数据与整定电流值的比较结果，输出动作信号；
所述距离保护数字孪生子系统用于从暂态仿真结果分离出三相电压电流数据，基于所述三相电压电流数据得到测量阻抗，根据所述测量阻抗与整定阻抗的比较结果，输出动作信号；
所述纵联电流差动保护数字孪生子系统用于从暂态仿真结果分离出双端三相电流数据，根据所述双端三相电流数据与差动继电器的动作方程，输出动作信号。
优选的，所述阶段式电流保护数字孪生子系统包括故障暂态仿真单元、算法单元、启动元件、电流保护Ⅰ段单元、电流保护Ⅱ段单元和电流保护Ⅲ段单元；
所述阶段式电流保护数字孪生子系统输出动作信号的过程包括：
由故障暂态仿真单元得到所述暂态仿真结果，从所述暂态仿真结果中分离出所述三相电流数据；所述启动元件判断所述三相电流数据符合启动判据时，判定发生故障，所述算法单元利用傅氏算法对所述三相电流数据进行滤波处理，处理后的所述三相电流数据分别进入所述电流保护Ⅰ段单元、所述电流保护Ⅱ段单元和所述电流保护Ⅲ段单元，并与所述整定电流值分别进行比较，根据比较结果分别按照动作时限输出动作信号。
优选的，所述距离保护数字孪生子系统包括故障暂态仿真单元、算法单元、启动元件、故障选相元件、阻抗计算单元和阻抗比较单元；
所述距离保护数字孪生子系统输出动作信号的过程包括：
由故障暂态仿真单元得到所述暂态仿真结果，从所述暂态仿真结果中分离出所述三相电压电流数据，启动元件判断所述三相电压电流数据符合启动判据时，判定发生故障，所述算法单元利用傅氏算法对所述三相电压电流数据进行滤波处理，选相元件利用处理后的所述三相电压电流数据进行选相，所述阻抗计算单元得到所述测量阻抗，所述阻抗比较电压根据不同的阻抗继电器接线方式与所述整定阻抗进行比较，并输出动作信号。
优选的，所述纵联电流差动保护数字孪生子系统包括故障暂态仿真单元、算法单元、启动元件、故障选相元件和差动继电器单元；
所述纵联电流差动保护数字孪生子系统输出动作信号的过程包括：
由所述故障暂态仿真单元得到所述暂态仿真结果，从所述暂态仿真结果中分离出系统的所述双端三相电流数据，所述启动元件利用M侧三相电流值判断所述双端三相电流数据符合启动判据时，判定发生故障，所述算法单元利用傅氏算法对所述双端三相电流数据进行滤波处理；所述故障选相元件利用处理后的所述双端三相电流数据进行选相，处理后的所述双端三相电流数据进入所述差动继电器单元，符合动作方程时输出动作信号。
优选的，所述一次系统仿真子系统包括比率制动式电流差动保护数字孪生子系统、母联充电保护数字孪生子系统、母联过流保护数字孪生子系统、母联失灵保护及母联死区保护数字孪生子系统和断路器失灵保护数字孪生子系统；
所述比率制动式电流差动保护数字孪生子系统用于根据差动电流通得到差流幅值，以及根据制动电流得到差流幅值，再应用比率制动式母线差动保护动作方程搭建比率差动元件模型；
所述母联充电保护数字孪生子系统用于当母联任一相电流大于充电保护电流定值时，跳开母联断路器，且不经复合电压闭锁；
母联过流保护数字孪生子系统用于当母联支路任一相电流大于母联过流定值时，经过两端延时，构成两段式母联过流保护，以及当母联零序电流大于母联零序过流定值时，经过两端延时，构成两段式母联零序过流保护；
所述母联失灵保护及母联死区保护数字孪生子系统用于当母联电流超出保护定值时，跳开母线上连接的所有支路，以及跳开健全段母线上的所有支路；
所述断路器失灵保护数字孪生子系统用于故障母线上连接的所有支路断路器全都跳开。
优选的，所述电网系统运行故障仿真模型用于模拟输出电网故障，所述电网故障包括区内金属性故障、区外金属性故障、永久性故障、发展性故障、区外转区内故障、区内转区外故障、经过渡电阻短路、系统振荡、系统频率偏移、解合环及手合操作、TV断线试验、TA断线试验和TA饱和试验。
优选的，所述数字孪生建模模块包括继电保护健康状态评估单元，所述继电保护健康状态评估单元用于通过实际传感器采集继电保护的监测信息、自检信息、历史数据，评估继电保护健康状态。
优选的，所述数字孪生仿真推演模块基于所述继电保护健康状态评估单元的评估结果，进行各种运行工况、故障模拟条件下的保护动作行为推演，通过推演结果判断实际继电保护设备是否能够正常动作于实际工况。
本申请的有益效果为：
本申请公开了一种基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统，通过智能变电站继保设备高精度孪生体建模，采用典型设计模型库快速建模，接入运行数据监控状态，辅助作业，使系统运行性能有保障，复用性高，后续设备数字化成本降低，模式移植性强。数字孪生模型的变电站，在虚拟空间实现对保护设备的巡视、消缺以及日常管理，结合接入的各业务系统数据，实现历史状态数据反演，构建设备状态预警模型进行设备预警，通过同时仿真在各种复杂运行环境下的保护动作行为，预测下一次保护的可能动作情况，预测保护设备自身的健康状况，并有助于提升变电站管理水平，具有显著的示范效益。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中的二次保护设备数字孪生模型结构示意图；
图2为本申请实施例中的阶段式电流保护数字孪生子系统结构示意图；
图3为本申请实施例中的距离保护数字孪生子系统结构示意图；
图4为本申请实施例中的纵联电流差动保护数字孪生子系统原理示意图；
图5为本申请实施例中的纵联电流差动保护数字孪生子系统结构示意图；
图6为本申请实施例中的比率制动式电流差动保护动作曲线示意图；
图7为本申请实施例中的母联充电保护逻辑原理示意图；
图8为本申请实施例中的母联过流保护逻辑原理示意图；
图9为本申请实施例中的母联失灵保护及母联死区保护逻辑原理示意图；
图10为本申请实施例中的数字孪生仿真推演模块结构示意图。
具体实施方式
数字孪生是通过数字化的手段，在虚拟世界中构建一个和物理世界中的对象一模一样的主体，以此来实现对物理实体的了解、分析和优化。工程设计中计算机仿真手段的出现就让数字虚体和物理实体走得更近，让数字虚体更像物理实体。随着数字技术的不断发展，以及人们多年来在数字世界里做设计和仿真，虚拟和现实越来越对应、融合，数字虚体越来越赋能物理实体系统。而数字孪生技术就是以数字化方式为物理对象创建的虚拟模型，来模拟物理实体在现实环境中的行为。数字孪生从概念成为技术，是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，也是在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的保护设备的全生命周期过程。
IEC61850是一个国际最先进的智能变电站通信模型标准与规约体系，2009年国网公司提出建设智能电网，对整个IEC61850体系与架构逐步掌握并大量实际应用，对部分内容进行了扩展，以适应我国智能电网技术的发展。实践表明，IEC61850通信模型与规约体系是我国智能变电站发展的重要理论基础。历经数年智能变电站的建设，国网公司通过相关规程逐步建立和规范了智能变电站网络系统、采样值系统、保护、测控、智能终端等IED设备的基本测试内容与方法。
本申请技术方案也是立足上述IEC61850规约体系、行业标准及国网企标等规范展开。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
申请实施例的基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统主要由孪生数据采集模块、数字孪生建模模块和数字孪生仿真推演模块三部分组成，同时配备必要的人机交互模块和仿真数据提供系统。
其中，孪生数据采集模块用于获取从仿真数据提供系统获取一次系统数据信息。仿真数据提供系统采用现有技术，且不做具体限制，只要能提供本系统需要的电网运行仿真数据，并能够满足数字孪生仿真推演模块需要的数据内容即可。
数字孪生建模模块用于建立二次保护设备数字孪生模型，数字孪生建模模块的输入数据为一次系统数据信息。
数字孪生仿真推演模块用于构建电网系统运行故障仿真模型，并基于二次保护设备数字孪生模型，对继电保护设备进行仿真分析，预测下一次的保护动作。
在进行继电保护数字孪生建模时，应确保可以通过该系统，实现对设备发生故障时的保护动作行为进行研究，为此，要求该仿真系统具备真实性、实用性、灵活性与可视性，其中真实性要求仿真系统应依据实际一次系统进行设置，能够对实际装置在故障条件下所出现的动作行为进行准确模拟。构建继电保护动作行为仿真模型，可以实现对电力系统各种故障过程的有效模拟，实现对不同运行状态下的继电保护动作行为研究，分析影响保护设备正确性的各种因子，因其仿真可视化，便于对其运行状态、继电保护工作原理及动作、故障特征等进行研究。
下面，对数字孪生建模模块建立二次保护设备数字孪生模型作具体介绍。
在本实施例中，二次保护设备数字孪生模型主要是由人机交互界面、继电保护仿真与一次系统仿真构成，其设计总体框架如图1所示。
其中，人机交互子系统用于显示仿真计算过程中的各类数据信息，以及实现人机交互。
继电保护仿真子系统用于进行线路保护装置仿真建模，建立线路保护仿真模型。一次系统仿真子系统用于进行母线保护装置仿真建模，建立母线保护仿真模型。
通过仿真获取到一次系统数据信息，并将其数据输入到线路保护模型中，线路保护按照保护逻辑分为三种主要类型，分别为阶段式电流保护、距离保护与纵联电流差动保护，通过良好的人机交互界面，直观进行参数变化观察。
下面，首先介绍继电保护仿真子系统的结构组成和功能实现。
在本申请实施例中，线路保护仿真模型包括阶段式电流保护数字孪生子系统、距离保护数字孪生子系统和纵联电流差动保护数字孪生子系统。
1.阶段式电流保护数字孪生子系统
阶段式电流保护数字孪生子系统用于从暂态仿真结果分离出三相电流数据，并根据三相电流数据与整定电流值的比较结果，输出动作信号，由系统线路故障暂态仿真单元、算法单元、启动元件、电流保护Ⅰ段单元、电流保护Ⅱ段单元和电流保护Ⅲ段单元以及配套的人机交互界面等组成，如图2所示。其各组成部分的执行顺序如下，首先，由Simulink系统线路故障暂态仿真单元得到暂态仿真结果，从暂态仿真结果中分离出三相电流数据，并进行计算和显示；启动元件利用三相电流数据判断是否符合启动判据，如果是，则判定发生故障，算法单元利用傅氏算法对三相电流数据进行滤波处理；处理后的三相电流数据进入电流保护Ⅰ段单元、电流保护Ⅱ段单元和电流保护Ⅲ段单元，与三段整定电流值分别进行比较，并分别按照动作时限输出动作信号。
通过应用Simulink，可以构建出单电源供电带负荷系统模型，系统的各个元件参数为：电压源的线电压10.5kV，Zs为系统等值阻抗，系统最大运行方式下Zs.max=2Ω，最小运行方式下Zs.min=3Ω，通常运行方式下为2.5Ω；两级线路长度均为10km，线路的正序阻抗Z1=(0.05+j0.3)Ω/km，零序阻抗Z0=(0.04+j1.2)Ω/km；负荷容量SLD=1.2+j0.9MVA。以上参数能根据仿真需要修改，另外，仿真时间、故障点位置、故障类型、故障起始时刻等参数均可以根据仿真需要进行设定。
2.距离保护数字孪生子系统
距离保护是利用短路故障时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，反应故障点到保护安装处的距离而工作的保护，其可以从暂态仿真结果分离出三相电压电流数据，基于三相电压电流数据得到测量阻抗，根据测量阻抗与整定阻抗的比较结果，输出动作信号。距离保护具备一定的时限特性，动作时间与故障点距离保护安装点距离之间的关系属于距离保护所具备的时限特征。根据距离保护的基本原理、构成和继电保护各元件之间的逻辑配合关系，设计了距离保护数字孪生子系统的建模。
如图3所示，该子系统由故障暂态仿真单元、算法单元、启动元件、故障选相元件、阻抗计算单元和阻抗比较单元以及配套的人机交互界面等组成。各组成部分的执行流程如下，首先，由Simulink系统线路故障暂态仿真单元得到暂态仿真结果，从暂态仿真结果中分离出三相电压电流数据，并进行计算和显示；启动元件根据其中的三相电流数据判断是否符合启动判据，如果是，则判定发生故障，利用傅氏算法对三相电压电流数据进行滤波处理；选相元件利用处理后的三相电流数据进行选相，选相结果输入到界面显示；由阻抗计算电压得到测量阻抗；阻抗比较电压根据不同的阻抗继电器接线方式与整定阻抗进行比较，并输出动作信号。
其中阻抗计算电压与阻抗比较电压属于距离保护的核心，要求在出现故障问题时，其部分可以在短时间内实现故障方向与故障距离的准确测量，并将故障距离与预先整定保护范围进行比较分析，如属于整定保护区域范围内故障，则应执行动作信号，如属于区外故障则不执行动作。
利用Matlab/Simulink搭建双电源单回线系统，作为距离保护各部分的输入，300km长的500kV超高压线路系统仿真参数如下：
系统阻抗：MZ=NZ=5.74+j14.18Ω，线路参数：R1=0.02083Ω/km，R0=0.1148Ω/km，L1=0.8984mH/km，L0=2.2886mH/km，C1=0.01291μF/km，C0=0.00523μF/km。
以上参数能根据仿真需要修改，另外，仿真时间、系统频率、两侧等效电源夹角、故障点位置、故障类型、故障起始时刻、过渡电阻等参数均可以根据仿真需要进行设定。
3.纵联电流差动保护数字孪生子系统
纵联电流差动保护数字孪生子系统用于从暂态仿真结果分离出双端三相电流数据，根据双端三相电流数据与差动继电器的动作方程，输出动作信号，原理如图4所示。假设线路两端电流的正方向为由母线流向被保护的线路，则流入保护装置的电流为两侧电流的总和：i r=i m+i n。当线路MN正常运行或外部（如k2点）发生故障时，流经线路两端的电流幅值相等、方向相反，即i r=i m+i n=0，保护装置不动作。当被保护线路的内部（如k1点）发生故障时，两端电源分别向故障点供给故障电流，此时i m+i n=i k （i k 为k1点故障电流），则i r不为零，当i r 大于电流元件的整定电流时，保护装置动作。由此可知，纵联电流差动保护可以反应被保护线路内部任意一点的故障。
根据纵联电流差动保护的基本原理、构成和保护设备各元件之间的逻辑配合关系，设计了纵联电流差动保护数字孪生子系统。如图5所示，由系统线路故障暂态仿真单元、算法单元、启动元件、故障选相元件、差动继电器单元以及配套的人机交互界面等组成。各组成部分的执行顺序如下，首先，由Simulink系统线路故障暂态仿真单元得到暂态仿真结果，从暂态仿真结果中分离出系统双端三相电流数据，并进行计算和显示；启动元件利用M侧三相电流值判断是否符合启动判据，如果是，则判定发生故障，利用傅氏算法对三相电流数据进行滤波处理；故障选相元件利用处理后的三相电流数据进行选相，选相结果输入到界面显示；处理后的双端三相电流数据进入差动继电器单元，符合动作方程时输出动作信号。
利用Matlab/Simulink搭建双电源单回线系统，作为纵联电流差动保护各部分的输入，100km长的500kV超高压线路系统仿真参数如下：
系统阻抗：MZ=NZ=5.74+j14.18Ω，线路参数：R1=0.02083Ω/km，R0=0.1148Ω/km，L1=0.8984mH/km，L0=2.2886mH/km，C1=0.01291μF/km，C0=0.00523μF/km。
以上参数能根据仿真需要修改，另外，仿真时间、系统频率、两侧等效电源夹角、故障点位置、故障类型、故障起始时刻、制动系数等参数均可以根据仿真需要进行设定。
下面，介绍一次系统仿真子系统的结构组成和功能实现。
在本申请实施例中，选用单母线结构仿真系统作为一次系统仿真子系统。
具体的，在本实施例中，一次系统仿真子系统包括比率制动式电流差动保护数字孪生子系统、母联充电保护数字孪生子系统、母联过流保护数字孪生子系统、母联失灵保护及母联死区保护数字孪生子系统和断路器失灵保护数字孪生子系统。
1.比率制动式电流差动保护数字孪生子系统
母线保护主保护通常采用比率制动式电流差动保护原理，比率制动式电流差动保护基于电流采样值构建，采取持续多点满足动作条件才开放母线保护电流元件方式实现。差动保护的稳态判据采用常规比率制动原理。母线在正常工作或其保护范围外部故障时所有流入及流出母线的电流之和为零（差动电流为零），而在内部故障情况下所有流入及流出母线的电流之和不再为零（差动电流不为零）。基于这种前提，差动保护可以正确地区分母线内部和外部故障。
比率制动式电流差动保护的基本判据为：
Figure 516960DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 864765DEST_PATH_IMAGE002
（2）
Figure 539460DEST_PATH_IMAGE003
（3）
Figure 718637DEST_PATH_IMAGE004
（4）
式中i 1、i 2、…、i n 为支路电流，K为制动系数，I 0为差动电流门坎值，
Figure 335432DEST_PATH_IMAGE005
为差动电流，
Figure 514741DEST_PATH_IMAGE006
为制动电流。
公式3的动作条件是由不平衡差动电流决定的，而公式4的动作条件是由母线所有元件的差动电流和制动电流的比率决定的。在外部故障短路电流很大时，不平衡差动电流较大，公式3易于满足，但不平衡差动电流占制动电流的比率很小，因而公式4不会满足，保护的动作条件由上述两判据“与”门输出，所以当外部故障短路电流较大时，由于公式4使得保护不误动，而内部故障时，公式4易于满足，只要同时满足公式1提供的差动电流动作门槛，保护就能正确动作，这样提高了差动保护的可靠性。比率制动式电流差动保护动作曲线如图6所示。
利用Simulink搭建比率差动元件系统。首先将得到的差动电流通过傅里叶算法获得差流幅值，制动电流通过傅里叶算法获得幅值，再应用比率制动式母线差动保护动作方程搭建比率差动元件模型，将其封装到子系统之中。
2.母联充电保护数字孪生子系统
当一组母线检修或者发生母线故障跳闸，故障切除后，故障母线从新投入前需要对母线做充电实验，此时需要投入母联充电保护，如果被验母线仍有故障存在，则保护动作出口，跳开母联断路器，这种保护原理称为母联充电保护。母线保护装置会实时检测三个条件：一段母线正常运行，另一段母线停运；母联断路器断开；母联电流从无到有。以上三个条件同时满足时，启动母联充电保护功能并自动延展0.3s。当母联任一相电流大于充电保护电流定值时，跳开母联断路器，且不经复合电压闭锁。母联充电保护逻辑原理框图如图7所示，图中Ika、Ikb、Ikc是母联三相相电流，Iichg是母联充电保护电流定值。
3.母联过流保护数字孪生子系统
当利用母联过流保护作为线路的临时保护时，可以投入母联过流保护。母联过流保护压板投入后，当母联支路任一相电流大于母联过流定值时，经过两端延时，可以构成两段式母联过流保护，当母联零序电流大于母联零序过流定值时，经过两端延时，可以构成两段式母联零序过流保护，母联过流保护不需经过复合电压闭锁。保护逻辑原理框图如图8所示，图中Ika、Ikb、Ikc是母联三相相电流，Ikset是母联过流保护定值，I0set是母联零序过流保护定值。
4.母联失灵保护及母联死区保护数字孪生子系统
当保护向母联发跳令后，经一段延时，发现母联支路仍有电流存在，证明母联开关跳闸失败，这时需要启动母联失灵保护功能，当母联电流超出保护定值时，跳开母线上连接的所有支路。母联失灵保护的启动方式有很多种，除了母线差动保护和母联充电保护启动以外，还可以由外部动作接点启动。当母线故障发生在母联开关与母联TA之间时，母线保护动作出口，跳开故障母线所有支路和母联支路，由于故障位置的特殊性，检测到母联三相全部跳开后，母联支路仍有故障电流存在，这时需要启动母联死区保护，跳开健全段母线上的所有支路。母联失灵保护及母联死区保护可共用一套动作逻辑，动作逻辑原理图如图9所示。
5.断路器失灵保护数字孪生子系统
在110kV及以上电压等级的变电站中，当母线、线路或变压器发生短路，在保护装置动作于切除故障时，可能会出现断路器拒动现象，这种情况被称为断路器失灵故障。产生断路器失灵故障的原因有很多种，如断路器跳闸线路断线，断路器的操动机构失灵等。高压电网的断路器和保护装置，都应具有一定的后备作用，以便在断路器或保护装置失灵时，仍能有效切除故障。在220kV及以上可能会出现拒动情况的电网（以及个别重要的110kV电网）中，如果断路器失灵保护能缩小断路器拒动引起的事故范围，就应该装设断路器失灵保护。断路器失灵保护动作时要求故障母线上连接的所有支路断路器全都跳开。
最后，介绍本实施例的数字孪生仿真推演模块。
基于上述孪生子系统，同时构建电网系统运行故障仿真模型，在虚拟空间对实体继电保护设备进行监测和仿真分析，通过保护动作故障仿真在各种复杂运行环境下的保护动作行为，预测下一次保护的可能动作情况，对电网各种复杂故障类型进行预演，并实现继电保护设备状态预测。如图10所示。在本实施例中，具体实现要求如下：
1.构建的基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统，能接收变电站实际运行信息，并同步仿真，能够进行正常保护逻辑的动作和保护运行状态的改变；
2.构建电网系统运行故障仿真模型并能控制模拟输出各类电网故障，用来预演分析保护的响应；
3.各类电网故障至少包括：区内金属性故障、区外金属性故障、永久性故障、发展性故障、区外转区内故障、区内转区外故障、经过渡电阻短路、系统振荡、系统频率偏移、解合环及手合操作、TV断线试验、TA断线试验、TA饱和试验等；
4.能够根据电网和保护装置的状态对保护的动作响应进行综合预测；
5.构建电网运行场景子系统，支持可视化组态设计。
通过建立基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统，研究智能变电站继保设备高精度孪生体建模技术，实现线路保护和母线保护动作行为分析，并通过搭建对应一次系统模型仿真在各种复杂运行环境下的保护动作行为，预测下一次保护的可能动作情况，实现保护故障仿真推演。
本实施例的仿真系统通过获取的实际保护装置运行数据实时修正自身模型，将获取的实际保护装置的历史自检信息数据和状态监测数据通过大数据分析，结合实际保护装置历史检修记录和健康状态记录，预测实际保护装置的健康状态，结合健康趋势预警、历史信息预警、状态突变预警等算法，自主向信息汇聚模块推送当前实际保护装置的检修、插件更换、整机更换计划。
数字孪生继电保护模型通过获取的实际保护装置运行数据实时修正自身模型，将获取的实际保护装置的历史自检信息数据和状态监测数据通过大数据分析，结合实际保护装置历史检修记录和健康状态记录，预测实际保护装置的健康状态，结合健康趋势预警、历史信息预警、状态突变预警等算法，自主生成当前实际保护装置的检修、插件更换、整机更换计划。
可以按照表1所示信息搜集继电保护设备信息：
表1
Figure 524285DEST_PATH_IMAGE007
Figure 925065DEST_PATH_IMAGE008
表1中所述报警方式具体含义：
趋势预警：对采集的遥测类信息进行趋势计算，如某值随着时间不断沿着增加或减小的趋势变化，则可以预计在某时间节点该值将达到报警限值，提前预警出现该限值的时间点。
越限报警：设定上限下限，对采集的遥测类信息进行越限报警，记录越限类型和次数。
历史同期比对告警：对采集的遥测类信息与历史同期采集的值进行比对，按照其波动大小进行告警。
突变报警：对采集的遥测类信息设定变化阈值，当单位时间内遥测变化大于该阈值则报警。
频率报警：对某一信号出现的次数设定阈值，当单位时间内出现的次数大于该阈值则报警，该阈值可随着设备运行时间长短和历史出现过的同类信号报警次数进行自动浮动计算。
严重告警：凡出现过严重告警类型，表示实际运行保护存在过可能因软硬件故障原因导致的装置不能正常运行，此类告警会对保护运行状态评估产生较大影响。
以继电保护装置健康状态为100%表示完全健康为例，视出现的趋势预警、越限报警、历史同期比对告警、突变报警、频率报警、严重告警的次数和严重程度给与加权算法，使健康状态数值在继电保护运行生命周期中由100%至0%不断减小，然后设定健康状态的阈值，当健康状态指标达到特定阈值时需提示运行检修人员进行对应操作，示例如表2：
表2
Figure 197915DEST_PATH_IMAGE009
以表1为示例，具体实现可进行进一步细化指标或粗放指标，运行检修人员根据对评价结果进行的操作发现设备健康状态良好，仅因为外部环境导致的异常告警增多，可以对健康状态数值进行调整，系统将按照新的数值进行迭代计算，然后产生新的评价结果和操作提示。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统，其特征在于，包括孪生数据采集模块、数字孪生建模模块、数字孪生仿真推演模块、继电保护健康状态评价模块；
所述孪生数据采集模块用于获取一次系统数据信息；
所述数字孪生建模模块用于建立二次保护设备数字孪生模型，所述数字孪生建模模块的输入数据为所述一次系统数据信息；
所述数字孪生仿真推演模块用于构建电网系统运行故障仿真模型，并基于所述二次保护设备数字孪生模型，对继电保护设备进行仿真分析，预测下一次的保护动作；
所述继电保护健康状态评价模块用于分析继电保护历史自检信息，以及对继电保护健康状态进行分析，并基于分析结果仿真继电保护在对应工况下的动作行为。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统，其特征在于，
所述二次保护设备数字孪生模型包括人机交互子系统、继电保护仿真子系统和一次系统仿真子系统；
所述人机交互子系统用于显示仿真信息，以及人机交互控制；
所述继电保护仿真子系统用于进行线路保护装置仿真建模，建立线路保护仿真模型；
所述一次系统仿真子系统用于进行母线保护装置仿真建模，建立母线保护仿真模型。
3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统，其特征在于，
所述线路保护仿真模型包括阶段式电流保护数字孪生子系统、距离保护数字孪生子系统和纵联电流差动保护数字孪生子系统；
所述阶段式电流保护数字孪生子系统用于从暂态仿真结果分离出三相电流数据，并根据所述三相电流数据与整定电流值的比较结果，输出动作信号；
所述距离保护数字孪生子系统用于从暂态仿真结果分离出三相电压电流数据，基于所述三相电压电流数据得到测量阻抗，根据所述测量阻抗与整定阻抗的比较结果，输出动作信号；
所述纵联电流差动保护数字孪生子系统用于从暂态仿真结果分离出双端三相电流数据，根据所述双端三相电流数据与差动继电器的动作方程，输出动作信号。
4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统，其特征在于，
所述阶段式电流保护数字孪生子系统包括故障暂态仿真单元、算法单元、启动元件、电流保护Ⅰ段单元、电流保护Ⅱ段单元和电流保护Ⅲ段单元；
所述阶段式电流保护数字孪生子系统输出动作信号的过程包括：
由故障暂态仿真单元得到所述暂态仿真结果，从所述暂态仿真结果中分离出所述三相电流数据；所述启动元件判断所述三相电流数据符合启动判据时，判定发生故障，所述算法单元利用傅氏算法对所述三相电流数据进行滤波处理，处理后的所述三相电流数据分别进入所述电流保护Ⅰ段单元、所述电流保护Ⅱ段单元和所述电流保护Ⅲ段单元，并与所述整定电流值分别进行比较，根据比较结果分别按照动作时限输出动作信号。
5.根据权利要求3所述的基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统，其特征在于，
所述距离保护数字孪生子系统包括故障暂态仿真单元、算法单元、启动元件、故障选相元件、阻抗计算单元和阻抗比较单元；
所述距离保护数字孪生子系统输出动作信号的过程包括：
由故障暂态仿真单元得到所述暂态仿真结果，从所述暂态仿真结果中分离出所述三相电压电流数据，启动元件判断所述三相电压电流数据符合启动判据时，判定发生故障，所述算法单元利用傅氏算法对所述三相电压电流数据进行滤波处理，选相元件利用处理后的所述三相电压电流数据进行选相，所述阻抗计算单元得到所述测量阻抗，所述阻抗比较电压根据不同的阻抗继电器接线方式与所述整定阻抗进行比较，并输出动作信号。
6.根据权利要求3所述的基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统，其特征在于，
所述纵联电流差动保护数字孪生子系统包括故障暂态仿真单元、算法单元、启动元件、故障选相元件和差动继电器单元；
所述纵联电流差动保护数字孪生子系统输出动作信号的过程包括：
由所述故障暂态仿真单元得到所述暂态仿真结果，从所述暂态仿真结果中分离出系统的所述双端三相电流数据，所述启动元件利用M侧三相电流值判断所述双端三相电流数据符合启动判据时，判定发生故障，所述算法单元利用傅氏算法对所述双端三相电流数据进行滤波处理；所述故障选相元件利用处理后的所述双端三相电流数据进行选相，处理后的所述双端三相电流数据进入所述差动继电器单元，符合动作方程时输出动作信号。
7.根据权利要求2所述的基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统，其特征在于，
所述一次系统仿真子系统包括比率制动式电流差动保护数字孪生子系统、母联充电保护数字孪生子系统、母联过流保护数字孪生子系统、母联失灵保护及母联死区保护数字孪生子系统和断路器失灵保护数字孪生子系统；
所述比率制动式电流差动保护数字孪生子系统用于根据差动电流通得到差流幅值，以及根据制动电流得到差流幅值，再应用比率制动式母线差动保护动作方程搭建比率差动元件模型；
所述母联充电保护数字孪生子系统用于当母联任一相电流大于充电保护电流定值时，跳开母联断路器，且不经复合电压闭锁；
母联过流保护数字孪生子系统用于当母联支路任一相电流大于母联过流定值时，经过两端延时，构成两段式母联过流保护，以及当母联零序电流大于母联零序过流定值时，经过两端延时，构成两段式母联零序过流保护；
所述母联失灵保护及母联死区保护数字孪生子系统用于当母联电流超出保护定值时，跳开母线上连接的所有支路，以及跳开健全段母线上的所有支路；
所述断路器失灵保护数字孪生子系统用于故障母线上连接的所有支路断路器全都跳开。
8.根据权利要求1所述的基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统，其特征在于，
所述电网系统运行故障仿真模型用于模拟输出电网故障，所述电网故障包括区内金属性故障、区外金属性故障、永久性故障、发展性故障、区外转区内故障、区内转区外故障、经过渡电阻短路、系统振荡、系统频率偏移、解合环及手合操作、TV断线试验、TA断线试验和TA饱和试验。
9.根据权利要求1所述的基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统，其特征在于，所述数字孪生建模模块包括继电保护健康状态评估单元，所述继电保护健康状态评估单元用于通过实际传感器采集继电保护的监测信息、自检信息、历史数据，评估继电保护健康状态。
10.根据权利要求9所述的基于数字孪生的继电保护设备数字化仿真系统，其特征在于，所述数字孪生仿真推演模块基于所述继电保护健康状态评估单元的评估结果，进行各种运行工况、故障模拟条件下的保护动作行为推演，通过推演结果判断实际继电保护设备是否能够正常动作于实际工况。
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