王力军 赵棣哲
［摘要］ 在对引进美国DOBLE公司生产的F2250型微机式继电保护测试仪吸收、消化和开发的基础上，成功地实现了将电磁暂态程序(EMTP)模拟系统故障计算出的暂态数字仿真结果和微机故障录波器所记录的数字量故障波形，通过F2250测试仪回放成为模拟波形对保护装置的动作行为进行了分析，为在现场检验保护装置的动作行为提供了一种手段。
［关键词］ 暂态仿真；检验；保护；动作行为
［中图分类号］ TP391．9；TM774 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1006-3986（1999）01-0028-03
Application of Transient Simulation in Checking
Relay Protection Operating Behaviour
WANG Li-jun, ZHAO Li-zhe
（Electric Power Testing & Research Institute of Hubei Province，Wuhan 430077 China)
Abstract:Based on the technical absorption and development to the imported type F2250 micro computer relay protection tester made by DOBLE USA,it was successful to perform EMTP that simulated the power system fault and calculated the transient digital simulating result and the digital wave form record from microcomputer fault recorder,EMTP calculation results and computer fault recorder.This work provides an effective method for the site test of relay protection.
Key words:transient imitation; check; protection； operating action
随着电网电压等级的提高、容量增大，短路产生的暂态过程衰减时间常数增大，暂态分量对保护动作的影响也越来越大。常规的保护检验仪器因其不能模拟输出暂态分量，只能局限于对保护的常规校验，不能满足对保护动作行为的分析。
以往对保护装置动作行为的检验是通过动模试验实现的。动模是通过物理模拟发电机、线路、负荷等来建立电网模型的。这种模拟方式建模比较费时，而且灵活性及扩展性能较低，只能在实验室中对保护装置的动作行为进行分析，不适于现场使用。
随着计算机和电子技术的发展，用数字仿真系统故障，并将暂态数字仿真结果变为真实波形输出已成为可能。利用电磁暂态程序模拟系统故障，通过F2250测试仪回放成模拟量，我们已成功地应用于现场保护装置的事故分析，并取得了良好的效果。
1 F2250测试仪简介
我们所引进DOBLE公司生产的保护测试设备包括三个F2250分相式微机继电保护测试仪及相应的测试软件。F2250测试仪内部由80186微计算机、I／O输入输出接口、D／A转换、直流功放以及用于与其它F2250相互配合的同步接口和GP-ⅠB总线等部份组成。用户定义的输出电压、电流等信号，在F2250内部经80186计算出离散的数字量，经D／A及直流功放输出变成所要求的模拟量。每个F2250可模拟输出一相电压和一相电流或者两相电流。三个分相式F2250可通过GP-IB及同步总线联接起来构成一个系统，可同时模拟输出三相电压和三相电流或者六相电流。对应于每个模拟量输出， F2250提供一个与模拟量输出同步的开出量。
F2250测试仪的使用包括其独立使用及F2250通过RS-232与计算机联接由软件 (PROTEST、TRANS)控制使用。其中F2250的独立使用和由PROTEST软件控制使用过程中每个周期的输出量均为单一频率的正弦波，不包括故障发生时的暂态分量。为了更好地对保护装置进行考核及分析，DOBLE提供了TRANS(暂态测试)软件。该软件的功能是将符合COMTRADE格式 (美国电力系统暂态数据交换标准)文件的数据由计算机传给F2250测试仪，由F2250转换为与文件的数字波形完全一样的模拟量输出。由于F2250采用的是无耦合的直流功率放大器，其输出频率范围在0～1 000 Hz内，完全可以满足短路时产生的直流及谐波分量的频率输出要求。因此在F2250测试仪上可以实现暂态数字波形的回放，从而达到对保护装置在暂态情况下作定量的分析和研究。
2 实现暂态数字波形的回放
F2250测试仪可以实现将符合COMTRADE格式的数据文件变为模拟量波形输出，但其本身不提供对系统故障的仿真功能，所需输出的数据文件必须由用户自己生成，通过计算得到与真实故障相同的数据，并将其转换为COMTRADE的格式才能用F2250测试仪实现暂态数字仿真结果的回放，对保护装置动作行为进行分析。
暂态数字波形的主要来源如下：
（1） 电磁暂态程序(简称EMTP)的计算结果。EMTP是一个国际上通用的大型电力系统计算分析程序，主要用于电力系统中各种操作、故障引起的暂态过电压、过电流等问题。EMTP用数字仿真的方法可模拟包括交直流电力系统和电气网络中发电机、变压器、输电线路、电缆、开关、可控硅、电抗器、避雷器、电容器等各种线性或非线性的集中参数与分布参数元件。用户按照电磁暂态程序的各元件仿真的规则，填写真实系统的各组成元件的参数卡，并按真实系统的形式将各仿真元件联成与之相对应的网络，就可得到所需的仿真模型。在模型的不同地点、不同时间设置开关的闭合、打开，通过程序计算就可模拟出系统中任意点发生的任意一种类型的故障，并可输出网络内任意点的电气量的离散计算结果。
（2） 现场微机故障录波器所记录的事故状态下的波形数据，以及通过对保护特性的分析，在计算机上人为以公式计算得出假设的波形数据。
上述两个来源的数据格式都不符合COMTRADE格式，须开发专用的数据转换程序，将非COMTRADE格式的仿真数据通过该程序按规约转换为 COMTRADE格式的数据文件，方能借用F2250的TRANS软件功能，用F2250测试仪实现暂态数字波形的回放。对于微机故障录波器所录的波形数据而言，系统内采用的型号很多。各种型号微机故障录波器所记录的数据格式因设计者不同而各异，对于每种型号的微机故障录波器都应编制相应的数据文件转换程序。
3 暂态仿真的实际应用
3．1 波形回放对差动保护动作行为的分析
1997年6月29日220 kV青关线发生单相故障，凤凰山变电站1号主变各侧开关被误跳开，但差动保护没有掉牌信号，而事件记录有差动出口打印信息。凤变1号主变电流量在录波器中只接入了500 kV侧的量，从事故录波图中可以看出，500 kV侧的故障电流中含有基波值一半的直流衰减分量，故障电流的持续时间约为50 ms。为了查清开关跳闸原因，在现场用F2250测试仪对主变差动保护装置进行两个部分的检查。
（1） 差动保护是否会出现出口但不掉牌且事件记录有差动出口打印信息的情况。
（2） 直流衰减分量或谐波分量是否会引起差动保护的误动，影响程度如何。
第一项检查的目的是看通入差动保护装置内的电流时间长短变化对差动保护装置的出口及掉牌的影响。通过改变计算的正弦函数持续输出时间，在计算机上离散计算出结果，将它转换为COMTRADE数据格式文件，用F2250测试仪输出任意长度的电流量对差动保护装置进行考核。当电流量输出时间小于55 ms 时，差动保护会出现出口，但不掉牌且事件记录有差动出口打印信息的情况；当电流量的输出时间大于55 ms时，差动保护出口且掉牌，事件记录有差动出口打印信息。此项检查结果说明在6月29日事故中，凤变1号主变各侧开关跳开是由差动保护误动作而造成的。
第二项检查的目的是看由短路引起的电流暂态分量中的直流衰减分量和谐波分量对差动保护装置动作是否有影响。对于暂态分量的模拟可以根据所需输出的要求，推导出相应的计算公式，利用F2250测试仪模拟输出相应的电流波形考核差动保护装置的性能。1号变压器500 kV侧和220 kV侧的系统阻抗不同，故障时引起的直流分量的幅值及衰减时间常数也不相同。在测试中500 kV侧的电流量为故障时的基波分量叠加30%和50%带有衰减的直流分量，对220 kV侧的电流(归算至500 kV侧)采用两种方式的模拟输出：
（1） 模拟输出纯基波输出(用以模拟直流分量最严重情况)；
（2） 模拟输出与500 kV侧电流一致(用以模拟直流分量最小情况)。
本主变差动保护装置具有2次和5次谐波制动功能，为了检查谐波制动的特性，用F2250测试仪输出含有不同谐波成份的电流量对差动保护装置进行考核。本次检验因主变停电时间短，所有检验项目的波形数据事先已计算好，在20 min内完全可以完成所有的检验项目，即使要增加一个检验项目，在10 min内也可以完成从计算到输出，充分体现了暂态数字仿真的灵活、快速、方便的特点。
3．2 实现暂态仿真对线路保护动作行为的分析
在现场对高频保护装置误动的检验中，不仅要考虑事故时的电流、电压波形的回放，而且还要考虑与对侧高频信号的配合问题。将一次系统进行等值，按照 EMTP的规则进行网络布置，就可以用EMTP模拟线路发生的各种故障，并计算出保护安装处的故障电压、电流数据，通过F2250测试仪回放出来。对侧传来的高频信号通过本侧收讯机以后变为一接点状态输出，保护装置与高频信号的配合实质上就是与接点状态的配合。利用F2250测试仪提供的与模拟量输出同步的开出量来启动一个程序控制器，依据F2250输出的电流波形及保护的特性来决定程序控制器的启动输出时间，用以模拟保护的高频信号的启讯。根据故障的位置(区内、区外)改变接点的输出形式和时间，模拟高频信号的持续时间，即模拟出在各种故障条件下本侧保护装置应收到的高频信号，从而在一侧完全可以利用 F2250测试仪实现对高频保护装置进行考核。
3．3 实现故障重现对保护装置进行考核
1996年12月31日朗变110 kV出线发生C相接地故障，同时220 kV朗铁线发生雾闪，鄂朗线两侧的MDAR(ABB公司)的零序方向高频保护误动。鄂朗线两侧MDAR保护的事件记录如下：
朗侧(CT为1 250∶5）
UA=60．8（∠0°）V，UB=55．6（∠－126°）V
UC=50．2（∠112°）V，3U0=9．1（∠11°）V
IA=0．8（∠79°）A，IB=1．6（∠29°）A
IC=3．6（∠－138°）A，3I0=1．4（∠－143°）A
PLTG CG （C相接地，由高频零序方向保护动作跳闸）
鄂侧(CT为1 250∶1）
UA=60．4（∠0°）V，UB=60．4（∠－121°）V
UC=54．8（∠119°）V，3U0=4．8（∠－57°）V
IA=0．14（∠－99°）A，IB=0．3（∠－147°）A
IC=0．7（∠46°）A，3I0=0．3（∠41°）APLTG
CG （C相接地，由高频零序方向保护动作跳闸)
从事件记录可以看出，两侧电流大小基本相等，相位相反，可以看出是区外穿越性故障。鄂侧为正方向，与实际相同，但朗侧的3U0相位与实际反方向接地短路的3U0相位相比偏移了较大的角度，为了验证MDAR保护的动作行为，在朗变现场用F2250测试仪模拟输出与事故记录相同的电流和电压波形对装置进行考核，其动作行为与事故时的记录完全相同，说明MDAR保护装置本身没有问题。
4 结束语
暂态数字仿真虽然没有物理模拟对一次系统描述的详尽和接近实际系统，且在实现仿真过程中还有许多问题需进一步去摸索。但暂态数字仿真投资省，有较强的灵活性和扩充性、试验重复性好，可以快速方便地修改所仿真的系统模型。用F2250测试仪实现暂态数字仿真结果的回放，非常适合在现场对保护装置动作行为进行分析，并取得了好的效果。
作者单位：湖北省电力试验研究所，湖北 武汉 430077
