220kV智能变电站混合式仿真系统的研究与实践

时间：2022-05-17 21:45:41

关键字：数字化模型混合式仿真系统实践教学

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[导读]摘要:对220kV智能变电站数字混合仿真进行了研究与实践探索,将电网数字化模型与真实的变电站二次设备相结合,在断路器、刀闸全部采用真实一次设备的基础上,采用信号转换箱将光纤信号转换成模拟信号,经功率放大器送入合并单元。真实的智能终端连接断路器,开关量信号转换箱可以采集断路器、刀闸开关信号,并经高速光纤通信系统返回调试主机,从而实时改变一次系统的拓扑结构,构建与真实电网运行场景一致的实践教学系统。

引言

我校于2018年投产建设了220kV雁园智能变电站,变电站一次系统包含220kV、110kV、10kV3个电压等级,其中220kV、110kV设计为双母线接线方式,10kV设计为单母分段。变电站包含1台容量180MVA（220kV/110kV/10kV）的主变压器,220kV进线一回,110kV出线三回,10kV无功补偿电容器组两回,站用变一回,变电站二次系统采用北京四方变电站综自系统。由于智能站仅用于教学,无法和真实的电网一次系统并网,因此二次系统也无法获得与运行工况一致的实时数据。为更真实地模拟电网一次二次运行工况,更大范围地提高培训人员的专业技术技能水平,研究面向继电保护、自动化和远动系统等专业技术人员的电力系统仿真领域的实训平台,笔者团队设计建立了以数字物理混合仿真为基础,采取电网数字化模型与真实变电站二次设备相结合的混合仿真系统,实现了变电站一次二次系统的运行仿真与教学功能。

1设计思路

在数字仿真系统中,变压器、断路器、输电线路、电容器等能够根据变电站接线结构、元件参数,对变电站一次系统的运行情况进行准确计算,实时输出与变电站相同的电压、电流波形:可以通过图形界面对电网结构和元件参数进行修改,并可灵活改变系统一次接线方式,从而对变电站运行情况进行完整的仿真模拟。

本设计方案主要特点是全部合并单元采用模拟信号输入方式,断路器、刀闸全部采用真实一次设备。利用信号转换箱将光纤信号转换成模拟信号,经功率放大器送入合并单元。真实的智能终端连接断路器,开关量信号转换箱可以采集断路器、刀闸的开关信号,并经高速光纤通信系统返回调试主机,从而实时改变一次系统的拓扑结构。

2设计方案配置选型

按现场实际运行状况,需24路电压输出,38路电流输出,90路开关量。方案1:采用RTDs+功率放大器实现,进口RTDs主机1台,模拟量板卡6块（1块可输出12个信号）,开关量板卡1块,电压功率放大器2台（每台12路输出）,电流功率放大器3台半（每台12路输出）。方案2:5台测试仪模拟全站运行。

控制方案有两种:（1）一个后台控制测试仪同时输出。（2）5个后台各自控制,可实现62个量任意变化。在无RTDs的情况下可当继电保护测试仪使用,在有RTDs的情况下可切换到功放界面实现功放功能。

综合资金与功能两方面进行结合选型,方案选用基于FPGA的实时数字仿真平台,利用实时数字仿真平台（FRTDs）中的FPGA解算器进行运算和通信,按照IEc61850协议发送和解析GoosE报文与sV报文,与实际保护设备连接,完成硬件在环的变电站实时仿真。FRTDs中的FPGA解算器通过高速以太网与Pc机完成数据交互,安装在Pc机上的上位机软件可以监视与控制仿真过程。

3系统结构

基于FPGA的实时数字仿真平台流程如图1所示。

4系统功能

实现启动和停止仿真过程:系统实时运行工况显示:倒闸操作功能:电源参数设置:变压器内部故障与非电量故障设置:站用负荷有功功率及无功功率设置:站内节点故障设置,设置节点的单相、两相以及三相故障,模拟系统中节点发生短路故障的情景:线路故障设置,模拟系统中线路发生短路或断线故障的情景:组合故障设置,模拟系统中发生多个故障的情景:cT传输故障设置,模拟系统中发生cT传输故障的情景:开关动作与拒动,设置开关跳闸、合闸、拒跳与拒合状态:在用户初始化表中设置仿真初始参数,包括初始的线路、变压器、电源、负荷、CT等各种参数。

5现场运行

2019年6月,变电站三期一次二次系统施工全部完成,工程进入调试阶段,结合一次设备,仿真系统对全部功能进行调试。

例如:设置"线路故障",在上位机程序中某条线路处均可设置故障,鼠标点击线路处故障设置按钮,即可启动线路故障设置菜单。如图2所示,点击箭头所指的线路处(任取一线路作为说明,其他线路同理）,在线路故障设置菜单打开后可对模拟故障进行设置。