基于智能变电站的继电保护动态特性仿真系统

张磐，张艳霞，宣文博，张宏远，田斌宾

（1.天津电力公司电力科学研究院，天津 300384；2.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

基于智能变电站的继电保护动态特性仿真系统

张磐1，张艳霞2，宣文博2，张宏远2，田斌宾2

（1.天津电力公司电力科学研究院，天津 300384；2.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

继电保护装置的动态特性对智能变电站的稳定运行起着重要作用。开发了一种针对智能变电站继电保护动态特性的仿真系统，从智能变电站的配置描述文件SCD和故障录波文件中读入所需信息，对不同频率采样数据进行频率转换和统一后，通过预设的或自定义的动作方程和动作特性来模拟继电保护装置的动作过程，以直观的可视化图形再现保护从正常到故障切除的动态全过程。该系统具有开放性和可扩展性，既适用于智能变电站再现故障期间的保护动态特性，又适用于新原理保护装置的开发。

智能变电站；配置文件；COMTRADE录波文件；继电保护；动态特性仿真

作为建设智能电网的关键环节，智能变电站的建设和对常规变电站的智能化改造已经逐渐展开，再现站内继电保护装置的动作特性有利于进一步提高变电站的智能化水平。

目前对于保护装置的仿真有两种方法：①利用硬件将故障时记录的电压电流或者电磁暂态仿真软件EMTP（electromagnetic transientprogram）的仿真数据转换成模拟量，输入到真实的继电保护装置中观察其动作行为[1～3]。该方法只能反映固定的保护装置在特定故障情况下的动作情况，不能反映出保护动作方程和动作特性中各个参数变化对保护装置的影响；②使用计算机软件模拟继电保护装置的具体结构，用真实的故障数据进行继电保护的动态性能仿真[4～8]，这多以继电保护定值校核和岗位培训为目的。因此，有必要开发具有广泛适用性和开放性的继电保护仿真系统。

本文开发了针对智能变电站的继电保护动态特性仿真系统，利用面向对象的思想，对保护装置内部的各个功能模块和逻辑运算进行抽象提炼，并将其构建成相对独立的模块，每个模块又可以细化为不同的功能。这些模块和功能相互联系、相互依赖，组成一个有机的整体。

1 系统结构及功能

本系统采用Matlab作为开发工具[9]，其结构如图1所示。

图1 系统结构示意Fig.1 Sketchmap of system structure

1.1 数据输入模块

系统从智能变电站SCD配置文件中读入保配置信息和保护装置的整定值，用户依据保护配置信息从符合IEEE标准的暂态数据交换通用格式COMTRADE（common fromat for transient data exchange）录波文件中读取所需仿真保护装置的电压电流采样数据。

SCD分为5个主要元素：Header、Substation、IED、Communication和Data Type Templates，其描述和定义了智能变电站及其保护设备的结构和动能。本系统由用户选择需要仿真的智能电子设备IED（intelligentelectronic device）节点或IED下的逻辑节点和逻辑设备，从SCD中读入相关保护的配置信息及整定值。COMTRADE录波相关文件有3个：头文件（.hdr）、配置文件（.cfg）和数据文件（. dat）。其中配置文件包含变电站名称、通道数量、采样频率、采样周期和时间等；数据文件包含各个时刻所有模拟输入通道的每个采样值信息和数字通道的状态信息。系统读入配置文件后，列出所有的模拟通道详尽信息供用户选择。

本系统支持对COMTRADE 91版和99版格式文件的读取；另外，EMTP仿真软件支持COMTRADE格式的数据输出，其暂态仿真数据也能够顺畅地导入到本系统中，以完成对保护装置或保护原理的动态仿真。

1.2 仿真设定模块

该模块包含仿真时长设定和仿真频率设定。录波文件中包含较长时间段的仿真数据，本模块用以设定用户感兴趣的特定时间段。录波数据的采样频率不一定与需要仿真的保护装置的采样频率相同，可利用仿真频率设定功能对仿真频率做相关设定。

1.3 滤波模块

故障发生后的暂态过程中，电压和电流信号因包含衰减非周期分量和谐波成分而发生严重畸变。由于大多数保护装置是建立在基于正弦基波或整数次谐波之上，所以，数字滤波器对继电保护装置是不可缺少的组成部分。数字滤波器利用离散系统的特性，对输入的数字信号进行处理，使其转换成预期的输出信号。

考虑到不同滤波算法实现的效果不同，不同厂家保护装置使用的滤波算法也不尽相同，本模块内置了多种典型的滤波算法，如半波差分傅氏算法、全波差分傅氏算法、凯塞窗+全波傅里叶算法和解微分方程算法等，用户可以根据保护装置的实际情况选择相应的滤波算法。

1.4 动作方程模块

用于形成保护的动作量、制动量、极化量、补偿量和动作判据的表达式根据所选滤波方式的不同，可以分为复值公式编辑器和微分方程公式编辑器。用户在公式编辑器中编辑公式实现如距离保护、方向过流保护、纵联分相电流差动保护等的动作方程。为了方便用户使用，系统已内置了一些常用的保护动作方程。

1.5 动作特性模块

实现保护动作特性的预定义和自定义功能。内置有分相电流差动保护、距离保护和方向过流保护的动作特性，保护整定值从SCD文件中读取，用户根据需要可直接调用内置的动作特性，也可以通过输入几条直线和圆弧由系统自动形成所需要的自定义动作特性用于动态仿真，以支持分析和校验各种保护动作特性的可行性和可靠性，研发保护新原理。

图2为自定义的距离保护四边形特性。通过输入4条直线的两点坐标或一点坐标和斜率，点击动作特性显示按钮即显示四边形特性；依次输入三段式保护的数据，选择“叠加”，即形成三段的动作特性。

图2 自定义的距离保护四边形特性Fig.2 Characteristicsof self-defined distance quadrilateralprotection

1.6 图形显示模块

此模块直观显示故障暂态过程中电压电流的幅值和相位、测量阻抗、保护动作量和制动量等随时间的变化轨迹，具有将显示结果放大、缩小、拖动、分段显示和在轨迹上加时标等功能；能够与保护动作特性显示在同一画面上，再现保护故障后从暂态至稳态的整个动作过程。

2 与智能变电站的交互

SCD配置文件完成对智能变电站全站器件和功能的信息建模。在SCD文件中，继电保护装置和功能被抽象建模为IED或者IED下的逻辑设备和逻辑节点。本系统针对不同的保护装置选择要仿真的IED对象或其下的逻辑节点，识别出所需采样数据的来源，并自动根据配置信息从录波文件中读取仿真所需的录波数据；保护的整定值也从SCD文件中读取。

COMTRADE录波文件的录波频率分时段有所不同，系统正常运行时的录波数据采样频率低，故障暂态情况下的采样频率高，因此需要对录波数据进行转换，使其统一到相同的采样频率上。此外，录波文件的录波频率和需要校验和仿真的保护装置的采样频率可能不同，也需要对数据进行频率转换使其等于保护装置的采样频率。

图3 N/M倍的采样率转换Fig.3 N/M sampling conversion

对信号进行有理数因子N/M倍的采样率转换时，可以由N倍内插以及M倍抽取两步级联完成。一般来说，抽取使信号的数据点减少会造成信息丢失，因此，合理的方法如图3所示，先对信号做N倍内插，再进行M倍抽取。在此过程中，为了避免数字信号出现镜像和频谱混叠的现象，需要加入低通滤波器h（n），其频率响应满足为例，取τ=0.02 s，ω1=2π×50，采样频率f1=1 kHz。将I（t）的采样频率由f1=1 kHz转换为f1=2.4 kHz，其转换过程及结果见图4。用户读入SCD配置文件和COMTRADE录波数据后，完成仿真设定，输入保护装置的动作方程，预设好动作特性，就可以仿真了，动态仿真结果在图形显示模块中再现。图5给出了距离保护Ⅰ段测量阻抗从正常进入到动作区内的变化轨迹，t=0.10 s时线路故障，t=0.120 5 s时测量阻抗进入动作区域内部，保护动作跳闸。跳闸出再驱动SCD配置文件指定的开出量，并在用户界面显示。本系统主要实现的是对智能变电站中继电保护装置的离线仿真。需要对智能变电站中的多个继电保护装置仿真时，可以依次完成对保护装置的仿真，并对仿真结果进行分析，得出需要的动作结果。

本系统中，选择数据窗长为1/4采样周期、β=7.865的凯赛窗函数为FIR低通滤波器，通过对故障数据的抽取、插值和低通滤波3个环节的级联，实现了任意分数倍的采样频率转换。以

图4 基于级联的12/5倍频率转换Fig.4 Sam pling frequeney conversion based on cascade of 12/5 times

图5 测量阻抗变化轨迹及开关量动作示意Fig.5 Sketchmap of changesofmeasuring im pedance and action of sw itching states

3 结语

本文开发了一种继电保护装置动态特性仿真系统。该系统通过解析智能变电站的配置文件和故障录波文件，对智能变电站的保护装置进行动态特性仿真，以可视化图形方式再现保护从正常到故障切除的动态全过程，并驱动SCD配置文件指定的开出量。功能模块化的编程思想，使得系统具有扩展性和开放性。

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Simulation System for Dynam ic Characteristicsof Relay Protection Based on Smart Substation

ZHANGPan1，ZHANGYan-xia2，XUANWen-bo2，ZHANGHong-yuan2，TIANBin-bin2
（1.Electric Power Research Institute，Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300384，China；2.Key Laboratory of SmartGrid ofMinistry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The relay protection equipmentplay an important role on the stable operation ofsmartsubstation.A simulation system for dynamic characteristics of relay protection based on smart substation is developed in this paper.The necessary informationwasextracted from substation configuration description（SCD）and fault recording ofsmartsubstation.The sampled datawith different frequencieswere transformed and unified.Theaction processof relay protection equipmentwas simulated through pre-defined or self-defined operating equations and action characteristics.The dynamic process from the normal to the fault is reappeared by the graphics in this system.The system isopening and expansibility，which isnotonly suitable for reproducing dynamic characteristics of relay protection in smart substation，butalsoapplicable to develop new principleprotection equipment.

smart substation；description configurations file；common fromat for transient data exchange recording document；relay protection；dynamic characteristicssimulation

TM774

A

1003-8930（2013）05-0092-04

张磐（1983—），男，硕士，工程师，从事智能变电站的研究工作。Email：pan.zhang@tj.sgcc.com.cn

2013-01-23；

2013-04-18

张艳霞（1962—），女，博士，教授，从事继电保护及其自动化及电力系统数字仿真方面的研究工作。Email：zyxyxxyg@yahoo.com.cn

宣文博（1989—），男，博士研究生，从事高压输电线及智能变电站方向的研究工作。Email：xwb200509@gmail.com