專(zhuān)利名稱(chēng)：一種數(shù)字化繼電保護(hù)裝置測(cè)試系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字化繼電保護(hù)裝置測(cè)試系統(tǒng)及其方法，它具有復(fù)雜電力系統(tǒng)與 暫態(tài)故障仿真能力。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)中從電磁式互感器到電子式互感器的轉(zhuǎn)變正促使著繼電保護(hù)裝置從模 擬輸入量到數(shù)字輸入量的轉(zhuǎn)變。相應(yīng)的繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)也需要技術(shù)進(jìn)步來(lái)滿足各種數(shù)字 化保護(hù)裝置的檢測(cè)需求，按照IEC61850規(guī)約為繼電保護(hù)裝置提供光信號(hào)測(cè)試信息。在各種 數(shù)字化保護(hù)裝置中，行波保護(hù)是最難檢測(cè)的，主要因?yàn)槟壳暗母鞣N保護(hù)測(cè)試設(shè)備不具有為 行波保護(hù)提供高頻帶暫態(tài)信號(hào)的能力。目前廣泛應(yīng)用的數(shù)字化繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)可以分為 三種，但各自存在著不同的缺點(diǎn)。一、電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬與仿真實(shí)驗(yàn)室。數(shù)字化改造后動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室按照實(shí)際電力系統(tǒng)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)、建設(shè)，可提供比較接 近實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境，是檢測(cè)繼電保護(hù)裝置的良好平臺(tái)。但是動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室也存在投資大、占地 廣、模擬不夠全面(一般只模擬單端無(wú)窮大系統(tǒng))，對(duì)故障暫態(tài)信息量模擬不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。二、數(shù)字化繼電保護(hù)測(cè)試儀數(shù)字化繼電保護(hù)測(cè)試儀能夠輸出符合數(shù)字化保護(hù)測(cè)試要求的光信號(hào)，并在輸出信 號(hào)中可以加入諧波、直流分量等成分，但是繼電保護(hù)測(cè)試儀所能提供的仿真模型很有限，一 般為雙端系統(tǒng)，并且繼電保護(hù)測(cè)試儀無(wú)系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程模擬能力，無(wú)法提供高頻衰減分量和 直流衰減分量，無(wú)法滿足數(shù)字化繼電保護(hù)裝置全面檢測(cè)的需求。三、實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)可使用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(Real Time Digital Simulator, RTDS)來(lái)模擬復(fù)雜 一些的電力系統(tǒng)模型以產(chǎn)生保護(hù)裝置需要的實(shí)時(shí)輸入信號(hào)，但是實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)價(jià)格昂 貴、建模復(fù)雜、輸出量頻帶窄(RTDS只有4kHz的輸出帶寬即一個(gè)周波只有80個(gè)采樣點(diǎn))，無(wú) 法滿足基于暫態(tài)量的數(shù)字化保護(hù)裝置對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程的采樣要求，且實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)受 其計(jì)算能力影響無(wú)法實(shí)時(shí)仿真多節(jié)點(diǎn)、復(fù)雜電力系統(tǒng)的運(yùn)行。綜上所述，目前流行的三種繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)無(wú)論是在穩(wěn)態(tài)信號(hào)還是暫態(tài)信號(hào)的 模擬方面都存在著的缺陷。各種現(xiàn)有數(shù)字化繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)的缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了數(shù)字化保 護(hù)裝置的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用，也制約了電力系統(tǒng)運(yùn)行人員對(duì)數(shù)字化保護(hù)裝置性能的掌握。為克服現(xiàn)有繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)的缺點(diǎn)，研究開(kāi)發(fā)新型的數(shù)字化保護(hù)測(cè)試方法已迫 在眉睫，其對(duì)于推動(dòng)數(shù)字化保護(hù)裝置的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，建設(shè)數(shù)字化的智能電網(wǎng)有著重要的作 用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)在暫態(tài)故障模擬能力方面的不足，本發(fā)明給出了一種 數(shù)字化繼電保護(hù)裝置測(cè)試系統(tǒng)及其方法，它結(jié)合智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，克服目前廣泛應(yīng)用的數(shù)字化保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)所存在的不同程度的缺點(diǎn)，比如暫態(tài)故障模擬能力差，造價(jià)昂貴，模 型簡(jiǎn)單，輸出帶寬小等，整個(gè)方法簡(jiǎn)單易行，運(yùn)算量小。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種數(shù)字化繼電保護(hù)裝置測(cè)試方法，它的步驟為步驟1 利用成熟電力系統(tǒng)仿真軟件對(duì)電力系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行故障仿真，取得高 采樣率故障波形仿真數(shù)據(jù)；步驟2 將故障仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高頻帶電子式互感器采樣輸出的數(shù)據(jù)；步驟3 將電子式互感器輸出轉(zhuǎn)換為IEC61850協(xié)議的數(shù)據(jù)格式；步驟4:將以上三步離線計(jì)算后所得的數(shù)據(jù)下載到實(shí)時(shí)硬件中，利用實(shí)時(shí)硬件所 具有的實(shí)時(shí)輸出能力將數(shù)據(jù)按照實(shí)際數(shù)字化繼電保護(hù)裝置的采樣周期逐個(gè)輸出，從而輸出 實(shí)時(shí)模擬信號(hào)；步驟5 將實(shí)時(shí)硬件輸出經(jīng)電光轉(zhuǎn)換將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)輸出到數(shù)字化繼電保 護(hù)裝置中進(jìn)行測(cè)試；步驟6 將數(shù)字化繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后將保護(hù)動(dòng)作的光信號(hào)轉(zhuǎn) 換為電信號(hào)反饋給實(shí)時(shí)硬件；步驟7 實(shí)時(shí)硬件再將故障波形和動(dòng)作信號(hào)在時(shí)間上進(jìn)行同步，將其輸出到波形 及信號(hào)顯示裝置上進(jìn)行圖形化顯示，以分析故障波形與繼電保護(hù)動(dòng)作在時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān) 系，判斷數(shù)字化繼電保護(hù)裝置動(dòng)作特性。所述步驟1中的采樣率彡IMHz0一種數(shù)字化繼電保護(hù)裝置測(cè)試系統(tǒng)，它包括一臺(tái)后臺(tái)離線計(jì)算機(jī)，離線計(jì)算獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出；實(shí)時(shí)硬件，將數(shù)據(jù)按照實(shí)際數(shù)字化繼電保護(hù)裝置的采樣周期逐個(gè)輸出，從而輸出 實(shí)時(shí)模擬信號(hào)；實(shí)時(shí)硬件輸出經(jīng)電光轉(zhuǎn)換模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)輸出到數(shù)字化繼電保 護(hù)裝置中進(jìn)行測(cè)試；數(shù)字化繼電保護(hù)裝置，將動(dòng)作信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊將保護(hù)動(dòng)作的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電 信號(hào)反饋給實(shí)時(shí)硬件；實(shí)時(shí)硬件將故障波形和動(dòng)作信號(hào)在時(shí)間上進(jìn)行同步，將其輸出到波形及信號(hào)顯示 裝置上進(jìn)行圖形化顯示，以分析故障波形與繼電保護(hù)動(dòng)作在時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，判斷數(shù)字 化保護(hù)裝置動(dòng)作特性。本發(fā)明集成了目前已獲廣泛認(rèn)同的電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真軟件(如EMTP，PSCAD/ EMTDC等)與實(shí)時(shí)硬件(Real-Time Hardware)，利用電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真軟件對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn) 態(tài)以及暫態(tài)故障精確地模擬能力獲取故障信號(hào)數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字化保護(hù)的IEC61850 協(xié)議信號(hào)，然后將該信號(hào)存入高精度實(shí)時(shí)硬件進(jìn)行仿真。本發(fā)明所取得的有益效果如下一、實(shí)時(shí)的高精度暫態(tài)故障波形輸出能力。傳統(tǒng)的方法要么無(wú)法模擬暫態(tài)故障，要么昂貴且暫態(tài)故障模擬能力差。而通過(guò)受 到廣泛承認(rèn)的電力系統(tǒng)仿真軟件仿真獲得暫態(tài)故障波形不僅硬件成本低并且能夠獲得極 高采樣率的輸出。而通過(guò)將計(jì)算數(shù)據(jù)載入實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)則克服了仿真軟件無(wú)法實(shí)時(shí)的輸出 到繼電保護(hù)裝置進(jìn)行測(cè)試的劣勢(shì)，并將硬件平臺(tái)從復(fù)雜的計(jì)算總解放出來(lái)，從而獲得了高精度的暫態(tài)故障模擬能力。二、具有仿真復(fù)雜系統(tǒng)的能力。成熟的電力系統(tǒng)暫態(tài)分析軟件可以仿真復(fù)雜系統(tǒng)，甚至將整個(gè)地區(qū)的電網(wǎng)建立起 相應(yīng)的模型進(jìn)行仿真，本專(zhuān)利所采用的方案將電力系統(tǒng)暫態(tài)分析軟件作為實(shí)驗(yàn)波形的來(lái)源 使得該方法具有了復(fù)雜電力系統(tǒng)的仿真能力。這一點(diǎn)很好的克服了現(xiàn)有實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的局 限。三、可以對(duì)數(shù)字化保護(hù)裝置進(jìn)行全面的測(cè)試。本專(zhuān)利方案既可以模擬穩(wěn)態(tài)條件下繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作情況，也可以模擬暫態(tài)條 件下的動(dòng)作情況。四、信號(hào)錄波功能利用實(shí)時(shí)硬件記錄數(shù)字化保護(hù)動(dòng)作信號(hào)并與仿真波形同步顯示，能夠提供簡(jiǎn)單、 直觀的故障錄波功能。五、成本低。現(xiàn)有的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)往往通過(guò)硬件在線計(jì)算的方法，需要大量的處理器 (CPU)模塊，硬件成本高。而本發(fā)明采用仿真軟件代替了處理器的在線計(jì)算，通過(guò)離線計(jì)算 獲得暫態(tài)故障波形，從而大大降低了成本而獲得了更好的效果。六、體積小，便攜。由于最為復(fù)雜的暫態(tài)故障仿真計(jì)算通過(guò)軟件來(lái)完成，免去了現(xiàn)有實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系 統(tǒng)的處理器，更不必采用動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室來(lái)實(shí)際運(yùn)行。而本發(fā)明的硬件部分只需實(shí)時(shí)硬件平臺(tái) 及外圍處理模塊，體積較小，便于攜帶。


圖1為本發(fā)明的工作流程圖；圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖3為雙電源線路中間接地故障時(shí)故障波形與繼電保護(hù)動(dòng)作信號(hào)同步圖。其中，1.后臺(tái)離線計(jì)算機(jī)，2.實(shí)時(shí)硬件，3.電光轉(zhuǎn)換模塊，4.數(shù)字化繼電保護(hù)裝 置，5.光電轉(zhuǎn)換模塊，6.波形及信號(hào)顯示裝置。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。圖1中，本發(fā)明采用離線計(jì)算獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出進(jìn)行測(cè)試。后臺(tái)離線計(jì)算機(jī)1利用電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真軟件(如PSCAD/EMTDC)建立仿真實(shí)例， 由于PSCAD/EMTDC等軟件的強(qiáng)大仿真功能，這些仿真實(shí)例既可以模擬簡(jiǎn)單連線的電力系統(tǒng) 也可以模擬多單元、多節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜電力系統(tǒng)，甚至可以以實(shí)際的電網(wǎng)參數(shù)為基準(zhǔn)建立符合 區(qū)域?qū)嶋H接線的電力系統(tǒng)模型。通過(guò)仿真可以取得高采樣率(》IMHz)仿真數(shù)據(jù)。由于仿真軟件的仿真結(jié)果比較理想，不能反應(yīng)各種測(cè)量環(huán)節(jié)帶來(lái)的誤差，因而不 能直接將其作為繼電保護(hù)測(cè)試的輸入數(shù)據(jù)，尤其是針對(duì)使用電子式互感器的數(shù)字化保護(hù)裝 置，電子式互感器中的積分等環(huán)節(jié)將會(huì)對(duì)原始的電力系統(tǒng)采樣信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的仿真 軟件的仿真數(shù)據(jù)也與電子式互感器模型結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，使處理后的數(shù)據(jù)符合經(jīng)實(shí)際電子式互感器采樣得到的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)格式處理得到符合61850-9-1或61850_9_2協(xié)議的數(shù)據(jù)格式。61850協(xié)議格式轉(zhuǎn)換后的仿真數(shù)據(jù)已經(jīng)具有了數(shù)字化保護(hù)裝置的輸入格式，但是 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)量大，雖然可以在波形及信號(hào)顯示裝置6(即PC機(jī))上輕松的以波形圖的形 式顯示，但是無(wú)法以實(shí)時(shí)方式輸送到數(shù)字化繼電保護(hù)裝置4中。要想形成可以應(yīng)用到數(shù)字 化繼電保護(hù)裝置4的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，需要對(duì)仿真結(jié)果做進(jìn)一步的處理，形成可以應(yīng)用到實(shí)時(shí)硬 件2平臺(tái)的數(shù)據(jù)載入模式，同時(shí)保留仿真數(shù)據(jù)的61850協(xié)議格式。本發(fā)明為此將處理后的 仿真數(shù)據(jù)載入實(shí)時(shí)硬件2(如NI公司實(shí)時(shí)硬件)內(nèi)存，再將仿真數(shù)據(jù)按照采樣周期進(jìn)行輸 出，從而將完整的高頻帶仿真信號(hào)輸出。 實(shí)時(shí)硬件2輸出的數(shù)據(jù)是電信號(hào)，但是數(shù)字化繼電保護(hù)裝置4的輸入為光信號(hào)，因 而本發(fā)明設(shè)置了電光轉(zhuǎn)換模塊3以實(shí)現(xiàn)對(duì)于利用光信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)字化繼電保護(hù)裝置4 的測(cè)試。數(shù)字化繼電保護(hù)裝置4的動(dòng)作信號(hào)也為光信號(hào)，同樣需要將其光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn) 換模塊5轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入實(shí)時(shí)硬件2平臺(tái)。 為實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化繼電保護(hù)裝置4動(dòng)作情況的分析，本發(fā)明將輸入到數(shù)字化繼電保 護(hù)裝置4的數(shù)據(jù)與動(dòng)作信號(hào)同步后在波形及信號(hào)顯示裝置6上進(jìn)行顯示。同步的意義在于 故障波形必須與動(dòng)作信號(hào)在時(shí)間上同步才能有效地分析繼電保護(hù)動(dòng)作信號(hào)與故障波形的 關(guān)系。如圖3為雙電源線路中間接地故障時(shí)故障波形與繼電保護(hù)動(dòng)作信號(hào)同步在顯示裝置 中顯示，可以很好地分析數(shù)字化保護(hù)裝置的動(dòng)作特性。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字化繼電保護(hù)裝置測(cè)試方法，其特征是，它的步驟為步驟1 利用成熟電力系統(tǒng)仿真軟件對(duì)電力系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行故障仿真，取得高采樣 率故障波形仿真數(shù)據(jù)；步驟2 將故障仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高頻帶電子式互感器采樣輸出的數(shù)據(jù)；步驟3 將電子式互感器輸出轉(zhuǎn)換為IEC61850協(xié)議的數(shù)據(jù)格式；步驟4:將以上三步離線計(jì)算后所得的數(shù)據(jù)下載到實(shí)時(shí)硬件中，利用實(shí)時(shí)硬件所具有 的實(shí)時(shí)輸出能力將數(shù)據(jù)按照實(shí)際數(shù)字化繼電保護(hù)裝置的采樣周期逐個(gè)輸出，從而輸出實(shí)時(shí) 模擬信號(hào)；步驟5 將實(shí)時(shí)硬件輸出經(jīng)電光轉(zhuǎn)換將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)輸出到數(shù)字化繼電保護(hù)裝 置中進(jìn)行測(cè)試；步驟6 將數(shù)字化繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后將保護(hù)動(dòng)作的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為 電信號(hào)反饋給實(shí)時(shí)硬件；步驟7:實(shí)時(shí)硬件再將故障波形和動(dòng)作信號(hào)在時(shí)間上進(jìn)行同步，將其輸出到波形及信 號(hào)顯示裝置上進(jìn)行圖形化顯示，以分析故障波形與繼電保護(hù)動(dòng)作在時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，判 斷數(shù)字化繼電保護(hù)裝置動(dòng)作特性。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字化繼電保護(hù)裝置測(cè)試方法，其特征是，所述步驟1中的采樣 率彡IMHz。
3.一種數(shù)字化繼電保護(hù)裝置測(cè)試系統(tǒng)，其特征是，它包括一臺(tái)后臺(tái)離線計(jì)算機(jī)，離線計(jì)算獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出；實(shí)時(shí)硬件，將數(shù)據(jù)按照實(shí)際數(shù)字化繼電保護(hù)裝置的采樣周期逐個(gè)輸出，從而輸出實(shí)時(shí) 模擬信號(hào)；實(shí)時(shí)硬件輸出經(jīng)電光轉(zhuǎn)換模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)輸出到數(shù)字化繼電保護(hù)裝 置中進(jìn)行測(cè)試；數(shù)字化繼電保護(hù)裝置，將動(dòng)作信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊將保護(hù)動(dòng)作的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 反饋給實(shí)時(shí)硬件；實(shí)時(shí)硬件將故障波形和動(dòng)作信號(hào)在時(shí)間上進(jìn)行同步，將其輸出到波形及信號(hào)顯示裝置 上進(jìn)行圖形化顯示，以分析故障波形與繼電保護(hù)動(dòng)作在時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，判斷數(shù)字化保 護(hù)裝置動(dòng)作特性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)字化繼電保護(hù)裝置測(cè)試系統(tǒng)及其方法，它的步驟為步驟1利用成熟電力系統(tǒng)仿真軟件對(duì)電力系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行故障仿真，取得高采樣率故障波形仿真數(shù)據(jù)；步驟2將故障仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高頻帶電子式互感器采樣輸出的數(shù)據(jù)；步驟3將電子式互感器輸出轉(zhuǎn)換為IEC61850協(xié)議的數(shù)據(jù)格式；步驟4利用實(shí)時(shí)硬件輸出實(shí)時(shí)模擬信號(hào)；步驟5將實(shí)時(shí)硬件輸出經(jīng)電光轉(zhuǎn)換將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)輸出到數(shù)字化繼電保護(hù)裝置中進(jìn)行測(cè)試；步驟6將數(shù)字化繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后將保護(hù)動(dòng)作的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)反饋給實(shí)時(shí)硬件；步驟7實(shí)時(shí)硬件再將故障波形和動(dòng)作信號(hào)在時(shí)間上進(jìn)行同步，進(jìn)行圖形化顯示，判斷數(shù)字化繼電保護(hù)裝置動(dòng)作特性。
文檔編號(hào)G01R31/327GK102129001SQ20111000301
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月7日
發(fā)明者高厚磊, 高峰 申請(qǐng)人:山東大學(xué)