智能變電站保護(hù)系統(tǒng)的調(diào)試主要包括保護(hù)裝置單體功能試驗(yàn)和分系統(tǒng)試驗(yàn)兩部分〔1－2〕。單體功能試驗(yàn)一般只進(jìn)行一次，分系統(tǒng)試驗(yàn)或整組傳動試驗(yàn)則自始至終貫穿于出廠聯(lián)調(diào)、現(xiàn)場調(diào)試、投運(yùn)前驗(yàn)收的整個過程，期間同一保護(hù)裝置的分系統(tǒng)試驗(yàn)往往需要進(jìn)行多次〔3〕。

目前對智能變電站的保護(hù)裝置采用集中檢測的方式，只有通過集中檢測的裝置型號才能應(yīng)用于現(xiàn)場。此外，新一代變電站推行模塊化建設(shè)思路，*大程度實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)測試、模塊化配送。因而，新建變電站現(xiàn)場的主要調(diào)試對象實(shí)際上是保護(hù)裝置與相關(guān)設(shè)備以及保護(hù)裝置間的連接關(guān)系，主要調(diào)試手段為分系統(tǒng)試驗(yàn)或整組傳動試驗(yàn)〔4〕。

1 現(xiàn)有智能變電站分系統(tǒng)試驗(yàn)方法

1. 1 光數(shù)字繼電保護(hù)測試儀

隨著智能變電站的建設(shè)，繼電保護(hù)測試儀廠家也相繼推出了面向智能變電站的光數(shù)字繼電保護(hù)測試儀，支持 IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)的光口收發(fā)，有的測試儀還包括功率放大模塊，支持模擬量輸出。但在軟件實(shí)現(xiàn)的測試方法上，仍然簡單沿用了傳統(tǒng)測試儀的手動試驗(yàn)方式。這類測試方法基本上都是面向單個被測間隔或設(shè)備，所施加的電壓、電流數(shù)據(jù)都是人工計(jì)算，在現(xiàn)場分系統(tǒng)試驗(yàn)中存在以下問題:

1) 試驗(yàn)所需的故障量設(shè)置易出錯?，F(xiàn)有測試設(shè)備故障量設(shè)置無法實(shí)現(xiàn)自動計(jì)算，每種故障類型的設(shè)置需要調(diào)試人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算并人為輸入到測試儀。如模擬變壓器差動保護(hù)的區(qū)外故障，需要人為計(jì)算各側(cè)電流幅值和相位關(guān)系，計(jì)算較為復(fù)雜，容易出錯，現(xiàn)場往往經(jīng)過計(jì)算并多次嘗試調(diào)整后才能設(shè)置正確。

2) 較為復(fù)雜保護(hù)邏輯功能的測試難以實(shí)施。目前的測試設(shè)備采用完全人為設(shè)置電壓、電流的方式，對于較為復(fù)雜的保護(hù)邏輯，往往需要事先通過計(jì)算各種狀態(tài)下的電壓、電流大小，并采用狀態(tài)序列模塊進(jìn)行測試，對于測試人員，實(shí)現(xiàn)較為困難。如對于線路保護(hù)重合閘、后加速、母聯(lián)分、合死區(qū)等保護(hù)功能的測試，現(xiàn)場測試人員往往也需要進(jìn)行多次嘗試、多次調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)后才能測試成功，費(fèi)時費(fèi)力。此外，現(xiàn)有測試條件下，調(diào)試人員往往根據(jù)保護(hù)說明書中的算法而不是根據(jù)實(shí)際故障情況來配置測試參數(shù)，保護(hù)邏輯的驗(yàn)證方法不合理。

3) 難以滿足站域保護(hù)的測試要求。新一代智能變電站采用層次化保護(hù)配置，包括就地級保護(hù)、站域保護(hù)和廣域保護(hù)。站域保護(hù)面向全站，利用了更多的故障信息，實(shí)現(xiàn)保護(hù)配置的冗余和優(yōu)化。現(xiàn)有站域保護(hù)在功能上主要配置有各線路冗余保護(hù)、母聯(lián)過流保護(hù)、失靈保護(hù)、加速后備保護(hù)、簡易母線保護(hù)、低周低壓減載、備自投、過載聯(lián)切等功能，在功能數(shù)量上等同于多臺裝置，采用常規(guī)的人工計(jì)算和設(shè)置的測試方法，無疑將耗費(fèi)大量的時間和人力。

此外，對于采用多間隔信息的保護(hù)功能的驗(yàn)證，通過人工計(jì)算來合理的設(shè)置多間隔電壓電流數(shù)據(jù)也極為困難，不能滿足當(dāng)前保護(hù)發(fā)展的需要。

1. 2 基于暫態(tài)仿真的方法

解決以上問題的途徑是閉環(huán)仿真測試，仿真是為了自動計(jì)算測試所需的電壓、電流數(shù)據(jù)，閉環(huán)是為了計(jì)算狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。所以有文獻(xiàn)提出將暫態(tài)實(shí)時仿真應(yīng)用到現(xiàn)場調(diào)試中，并在現(xiàn)有暫態(tài)仿真裝置的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)試制了相應(yīng)裝置，但基于暫態(tài)實(shí)時仿真的方法存在以下問題〔5－6〕:

1) 產(chǎn)品軟、硬件研發(fā)難度大，成本高。暫態(tài)仿真算法復(fù)雜，目前也只有少量廠家或科研單位具有相應(yīng)開發(fā)能力。暫態(tài)仿真計(jì)算量大，且閉環(huán)測試要求實(shí)時計(jì)算，對硬件要求高，目前一般是采用多處理器并行計(jì)算，且仿真規(guī)模越大，要求處理器數(shù)量越多。

2) 應(yīng)用復(fù)雜，難以掌握。暫態(tài)仿真模型的搭建過程復(fù)雜、難度大，需要使用者具備專業(yè)的暫態(tài)仿真計(jì)算知識; 需要設(shè)置大量的仿真參數(shù)，包括大量的非銘牌參數(shù)，難以查找，而參數(shù)設(shè)置不當(dāng)易導(dǎo)致病態(tài)計(jì)算，難以在現(xiàn)場推廣。

3) 現(xiàn)場調(diào)試不需要考慮電磁暫態(tài)。暫態(tài)仿真或動模試驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證算法本身的合理性，主要用于產(chǎn)品研發(fā)或裝置型式試驗(yàn)，而現(xiàn)場應(yīng)用的裝置型號已經(jīng)通過了相應(yīng)的檢測; 現(xiàn)場調(diào)試主要是驗(yàn)證裝置基本功能以及設(shè)備間的互聯(lián)互通，沒有必要采用電磁暫態(tài)計(jì)算。

2 基于工頻量的測試方法

采用基于工頻量計(jì)算的閉環(huán)測試既能自動計(jì)算測試所需的電壓電流數(shù)據(jù)，又能避免基于暫態(tài)計(jì)算方法在開發(fā)及應(yīng)用上所遇到的問題。

2. 1 計(jì)算方法

在對實(shí)際的電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析時，往往需要將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來予以考慮、計(jì)算。通常，電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可用節(jié)點(diǎn)方程或回路方程來描述。節(jié)點(diǎn)方程以母線電壓作為待求量，母線電壓能**地確定網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。此種描述方式對于短路計(jì)算極為方便。

對于有 n 個獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，可以列寫 n 個節(jié)點(diǎn)方程，以矩陣表示:

或縮記為 YV= I

矩陣 Y 為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣。其對角元素 Yii 稱為節(jié)點(diǎn) i 的自導(dǎo)納，其值等于接于節(jié)點(diǎn) i 的所有支路導(dǎo)納之和。非對角元素 Yij 稱為節(jié)點(diǎn) i 、j 間的互導(dǎo)納，等于直接聯(lián)接于節(jié)點(diǎn) i 、j 間的支路導(dǎo)納的負(fù)值。若節(jié)點(diǎn) i 、j 間不存在直接支路，則有 Yij = 0。對于不對稱短路故障，利用序分量法計(jì)算，根據(jù)故障類型及對應(yīng)的故障點(diǎn)邊界條件列寫方程，求解三個序網(wǎng)的電壓和電流分量。

在計(jì)算過程中，每個步長間隔檢測有無閉環(huán)開入翻轉(zhuǎn)。由于是工頻量計(jì)算，若沒有開入翻轉(zhuǎn)，可直接根據(jù)上一步計(jì)算結(jié)果生成下一步長計(jì)算數(shù)據(jù)，不需重新計(jì)算; 若有開入翻轉(zhuǎn)，則根據(jù)新的導(dǎo)納矩陣進(jìn)行計(jì)算。即每個導(dǎo)納矩陣狀態(tài)計(jì)算一次，而不是每個步長間隔計(jì)算一次，不考慮兩個穩(wěn)態(tài)之間的過渡狀態(tài)，計(jì)算量極小，普通微機(jī)型繼電保護(hù)測試儀即可滿足實(shí)時計(jì)算的要求。

2. 2 元件模型和參數(shù)

各元件的計(jì)算模型可采用簡單的集中參數(shù)模型，如輸電線路可采用一個簡單的集中電感元件或電感元件串接電阻元件實(shí)現(xiàn)、變壓器采用理想變壓器模型串接電感元件實(shí)現(xiàn)、電源采用戴維南等值電路模型，其他元件均可采用等效的集中參數(shù)模型。元件參數(shù)可直接采用銘牌參數(shù)或由元件銘牌參數(shù)生成，對于輸電線路，其參數(shù)可采用相應(yīng)電壓等級輸電線路的典型參數(shù)，無需用戶設(shè)定。實(shí)際上，整組試驗(yàn)的目的是生成典型的故障電壓、電流數(shù)據(jù)用戶驗(yàn)證保護(hù)裝置間的動作行為，并不需要力求準(zhǔn)確。在給出電壓等級后，對于所有元件，使用者既可以根據(jù)實(shí)際情況提供元件參數(shù)，也可采用默認(rèn)的典型參數(shù)值，達(dá)到簡化調(diào)試人員操作步驟，易于掌握、易于操作的使用效果。

3 裝置功能實(shí)施

由于計(jì)算量小，對硬件要求低，一般的繼電保護(hù)測試儀即可實(shí)現(xiàn)。故基于工頻量的保護(hù)裝置分系統(tǒng)測試方法可作為一個功能模塊在現(xiàn)有的智能變電站繼電保護(hù)測試儀中實(shí)現(xiàn)。

3. 1 圖形化建模和測試界面

采用友好的圖形化界面，使用便捷、直觀。如圖 1 所示。

圖形化建模界面具有編輯功能，包括各圖元的拖動、復(fù)制、刪除、連接等基本操作，可以從模型庫調(diào)取元件模型搭建變電站仿真計(jì)算模型。為使變電站計(jì)算模型的搭建更為便利，該功能預(yù)先搭建典型主接線變電站模型存于模型庫，如 500 kV 變電站一個半斷路器接線、200 kV 變電站雙母線接線、110 kV 變電站的橋接線等典型變電站模型。使用者可以從模型庫調(diào)取典型變電站模型，通過簡單編輯修改后即可完成待測變電站模型。

變電站計(jì)算模型搭建完成后，導(dǎo)入變電站 SCD文件獲取保護(hù)裝置的通道配置信息，在可視化測試界面上通過選擇方式建立各 SV、GOOSE 通道與仿真模型中電流、電壓及開關(guān)量的關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)完成后生成該變電站整組傳動試驗(yàn)配置文件，一個變電站只需要一個配置文件。對于每個變電站，配置文件只需設(shè)置一次，保存后可重復(fù)使用。

對于采用常規(guī)電磁式互感器的智能變電站，可采用在合并單元輸入模擬量的方式進(jìn)行分系統(tǒng)或整組傳動試驗(yàn)，要求測試儀具有功率放大模塊，能夠輸出電流、電壓模擬量。這種情況下分系統(tǒng)測試模塊仍然適用，可以在仿真模型搭建完成后，通過在可視化測試界面建立仿真模型中電壓、電流及開關(guān)量與實(shí)際模擬量端口的關(guān)聯(lián)。

3. 2 預(yù)設(shè)故障點(diǎn)滿足所有分系統(tǒng)試驗(yàn)項(xiàng)目要求

各故障點(diǎn)采用預(yù)設(shè)方式，并顯示在測試界面主接線圖上，無需用戶設(shè)置，如圖 2 所示的線路故障點(diǎn)。

各保護(hù)裝置的整組試驗(yàn)項(xiàng)目都可以通過啟動預(yù)先設(shè)定的故障點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。對于典型雙母線接線的220 kV的變電站，所有預(yù)設(shè)的故障點(diǎn)如圖 3 所示。

其 中，220 kV 線路保護(hù)裝置的 整組試驗(yàn)、220 kVⅠ/Ⅱ母線內(nèi)部故障、母聯(lián)死區(qū)故障、母線區(qū)外故障、主變內(nèi)部故障均可通過啟動故障點(diǎn)實(shí)現(xiàn); 主變區(qū)外故障也可通過啟動線路故障點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。只有線路故障點(diǎn)有單相 ( 包括瞬時性故障和長久性故障) 和三相兩類故障; 其他故障點(diǎn)都是三相故障。主變高壓零序過流保護(hù)的整組試驗(yàn)，可以通過啟動相應(yīng)電壓等級側(cè)線路單相故障實(shí)現(xiàn)。預(yù)先設(shè)定的故障點(diǎn)和故障類型可以滿足所有整組試驗(yàn)內(nèi)容的需要，無需用戶設(shè)置，提高了該功能模塊使用的便利性。

4 結(jié)語

1) 達(dá)到了電壓、電流量自動計(jì)算的目的，減小了現(xiàn)場測試難度，而且合理的人機(jī)接口設(shè)計(jì)可使可視化測試界面易于掌握。

2) 能夠自動計(jì)算多間隔的電壓、電流數(shù)據(jù)，測試更完善，滿足新一代智能變電站保護(hù)的發(fā)展要求。

3) 能夠減小現(xiàn)場調(diào)試工作量，智能變電站就地級保護(hù)和站域保護(hù)功能數(shù)量多，在測試模型搭建完成后可直接導(dǎo)入測試文件依次啟動各種類型故障進(jìn)行測試，大大降低測試的工作量。

4) 功能實(shí)現(xiàn)簡單，基于工頻量計(jì)算的測試方法程序開發(fā)簡單，硬件配置要求低，可作為一個分系統(tǒng)測試功能模塊在普通光數(shù)字繼電保護(hù)測試儀中實(shí)現(xiàn)。