智变电站HIL仿真
智变电站HIL仿真
摘
智变电站发展支撑着智电网发展样继电保护装置系统支撑着智变电站利运行继电保护装置否够运行十分重文采HIL硬件环实时仿真模式建立智变电站系统模型测试继电保护装置系统智变电站HIL仿真系统采Simulink电力仿真库Matlab实时操作系统结合分布式实时步协议转换器信号发生器模拟智变电站次电气设备真实运行场景实时状态测试保护厂商相关保护系统装置该仿真系统采实时硬件环基开源开放Matlab建模台仿真方式降低选专实时仿真软件成保护厂商进行集成测试电网进行设备运行检修提供途径科研员学生提供开放友台
文基述实时仿真系统搭建220kV智变电站模型三项三绕组变压器核心分连接220kV110kV66kV线路设计110kv线路差动保护测试验证许继继电保护装置联差动保护功
关键词：智变电站继电保护装置HIL硬件环Matlab
HIL Simulation of Smart Substation
Abstract
The development of smart substations supports the development of smart grids Similarly relay protection devices and systems support the smooth operation of smart substations so it is very important whether the relay protection devices can operate reliablyIn this thesis HIL hardwareintheloop soft realtime simulation mode was used to establish an intelligent substation system model and tested relay protection devices and systemsThe intelligent substation HIL simulation system used Simulink power simulation library and Matlab realtime operating systemcombined with distributed realtime synchronous protocol conversion and signal generatorsimulated the real operating scenarios and realtime status of primary electrical equipment in smart substationstest protection systems and devices related to protection manufacturersThe simulation system used realtime hardwareintheloop and simulation methods based on the open Matlab modeling platform which reduces the cost of selecting special realtime simulation softwareIt provides a way for protection manufacturers to carry out integration tests and power grids for equipment operation and maintenance and provides an open and friendly platform for researchers and students
This thesis built a 220kV smart substation model based on the above realtime simulation system with three threewinding transformers as the core respectively connecting 220kV 110kV and 66kV lines designing 110kV line differential protection testing and verifying the longitudinal protection relay protection device Linked differential protection function
Keywords Intelligent substation relay protection device hardwareintheloop Matlab
目录
1前言 5
11智变电站HIL(硬件环)仿真意义 5
12常电力仿真系统 5
13文组织情况 6
2实时仿真原理 6
21 HIL硬件环系统 7
22 Simulink实时仿真机 7
23 IEC61850协议转换器 8
24继电保护装置 9
3智变电站模型搭建保护装置配置 9
31电气接线图 10
32智变电站仿真模型搭建 10
33继电保护装置配置 16
34设备互联互通 18
4 验证 19
41捕捉分析报文 19
42示波器波形变化 20
43继电保护装置动作 21
5总结展 23
参考文献 25
谢 辞 26
1前言
11智变电站HIL(硬件环)仿真意义
智电网采中心化方式电网变更加安全更加清洁存然灾害工作员误操作设备老化者合格等导致电力系统障素社会安全济着威胁智变电站现代电力系统核心容智电网建设重组成部分相量路器负责变压分流智电网投建运行维护着关键作继电保护智变电站守护神智电网核心肩负着稳供电供电责保障电力系统正常运行限度减少电力系统障带影响继电保护装置电力系统继电保护执行者继电保护装置项性直接影响保护效果
前继电保护装置相关测试存着成高系统封闭等问题文描述智变电站HIL仿真系统避免纯物理仿真局限性纯数字仿真实验理想化问题具备开放友建模台软件仿真台继电保护厂商电网提供保护测试途径科研员般学生教师提供高性价开放测试环境
12常电力仿真系统
着电力系统规模断扩涌现许优秀电力系统仿真系统分实时仿真非实时仿真两类仿真系统侧重电力方面研发提供便利应较广泛
美国联邦纳维尔电力局20世纪六十年代开发BPA1996年停止BPA潮流暂态稳定程序开发维护1984年中国电力科学研究院电力研究开发维护具备电力系统稳态电力系统暂态等仿真力适电网电力系统规划该软件支持户定义
实时数字仿真系统RTDS加RTDS公司具较强实时性电磁暂态仿真RTDS仿真受限户购买设备RACK数RACK造价高利规模仿真系统封闭普通学者言性价高
PSSE出西门子研究电力传输系统发电机稳态动态功等输入输出根户需求设定功非常强相系统更加严谨价格非常昂贵入门难度较
较常电力仿真系统综合性非常电力系统研发维护提供支持部分软件较封闭价格昂贵普通学者友文述仿真系统采集成Matlab具实时性操作系统丰富Simulink电力仿真库具备开放建模台仿真台免费世界十万Simulink电力行业研究者研究成果直接进入系统台分享
13文组织情况
基工作关课题述安排：
第章阐述智变电站发展现状智变电站HIL仿真实验研究意义讲述前较著名电力仿真系统文描述智变电站HIL仿真系统具备特点介绍文容安排研究情况
第二章讲述关硬件环系统研究现实介绍仿真系统工作原理硬件环系统构成分应文中虚拟象实际控制器进行述中包括Simulink仿真机作继电保护装置介绍选择包括联系桥梁IEC61850通讯标准协议转换器
第三章详细介绍工作安排文仿真系统硬件环实现程包括系统架构电力系统仿真建模台仿真软件运行环境分布式实时步信号发生器功保护装置配置通讯求基该仿真系统设计具体220kV智变电站模型电流差动保护例设计相关继电保护装置实验
第四章第三章实施验证通相关软件测试工具验证仿真系统保护装置正确性步性实时性系统仿真障功包括报文分析波形分析继电保护装置动作分析
第五章全文进行总结简述新见解
2实时仿真原理
文采HIL硬件环实时仿真系统基集成Matlab实时操作系统具开源开放特点精密步功种步实时分散分布式仿真仿真机步网络设备分布式步实时协议转换器真实二次设备组成工作原理图21示
仿真机发出信号通通讯步网络设备PAC6630传送仿真终端——分布式步实时协议转换器协议转换器信号IEC61850标准转换成真实二次设备理解信号传递文测部分——继电保护装置继电保护装置接收信号作智终端控制刀闸开关智终端反馈信息仿真终端该实时仿真系统中设备间具相互矫正功设备间实时步精度相差1us精度非常高满足真实电力系统工作求
图21 仿真系统工作原理图
21 HIL硬件环系统
智变电站HIL仿真实验核心思想硬件环HIL(Hardware in the Loop)里指硬件回路种计算机仿真实际实验设备结合起技术降低开发时间资金成时明显提高测装备测试安全性HIL硬件环仿真测试系统工作原理实时处理器运行仿真模型模拟受控象运行状态文中实时处理器选择带Simulink软件实时仿真机机运行利Simulink搭建智变电站仿真模型模拟变电站次电气设备正常工作情况出现障时候运行状态虚实结合部分中虚拟象实际控制器部分采实际继电保护装置继电保护装置通接收仿真模型发信号虚拟象进行互动
22 Simulink实时仿真机
Matlab软件款具强科学计算机数处理力数学类科技应软件着友编程环境广泛应工程计算信号检测信号处理等领域时具备强图形处理力常常应图处理金融建模方面深受广学者喜爱
SimulinkMatlab重组件目前广泛应视化仿真工具提供非常方便框图设计环境动态系统设计建模时仿真模型运行结果进行综合分析Simulink非常友功强操作界面简洁易懂支持线性系统非线性系统仿真设置连续采样时间离散采样时间者两种混合采样时间等非常符合智变电站模型界面搭建求Simulink助Matlab计算功仿真工具展开计算仿真具十分丰富扩充预定义模块库开仿真台仅鼠标选择拖动进行目标模型框图绘制利交互式图形编辑器非常直观理模块图
图22 实时仿真机机
实时仿真台集成Matlab实时操作系统运行IntelCPU具模型搭建仿真理功着出色实时性Simulink中设计模型仅单独进行非实时仿真结合实际系统进行实时仿真文中继电保护装置信号收发情况250us进行次时间误差求1us仅Simulink仿真软件法实现数长时间实时交互实时仿真机模型实时仿真步长10us50us间完全胜文中仿真工作通实时仿真机Simulink结合仅搭建智变电站模型界面实现仿真模型真实设备间数实时传输整软硬件结合实时仿真系统奠定基础
23 IEC61850协议转换器
智变电站许许智电子设备组成智电子设备简称IED(Intelligent Electronic Device)通网络通信互联实现远程控制检测功前提套通信标准国际电工委第57界技术委员会制定IEC61850通讯协议更实现互操作采面象思想致力智变电站厂商智电子设备够互联互通效促进电力行业调度协调信息享功交互等方面发展解决文中电子设备法正常交互问题
实时仿真机信号满足智变电站通信标准导致实际继电保护装置识需协议转换器辅助收发信息转换成满足IEC61850通信标准信号进行传输通网线接收实时仿真机处理信息协议转换器部完成通讯规约转换通光纤数送继电保护装置时样数通交换机转换传输负责报文分析计算机
24继电保护装置
搭建智变电站仿真模型程中结合继电保护进行设计继电保护电力系统出现障时候够时发出告警者直接动作切障种措施继电保护装置种措施执行者通测量较元件逻辑判断元件执行输出元件相互作完成保护动作继电保护装置根测量电气量异常变化工作具体流程通互感器保护设备中电气量进行采样传递继电器作较元件电流继电器先收值定值进行较收值定值动作果收信号定值中间继电器者时间继电器发送信息断路器跳开继电保护装置电力系统运行状态进行监视远程操作减少障电力系统元件伤害
文涉电流差动保护采数字化继电保护装置许继集团WXH813高压线路保护装置作智变电站仿真模型中110kV输电线路保护通设定功选项选择投入退出运行保护类型智变电站仿真模型中电流差动保护例设计障进行实验继电保护装置相应投入运行联差动保护退出保护电流差动保护根基尔霍夫原理工作流入流出电流互感器电流矢量差差动电流差动电流较甚零差动电流未达继电保护装置整定值时候设备正常工作保护动作反差动电流达保护装置整定值时保护动作发出告警
3智变电站模型搭建保护装置配置
文核心目实现智变电站HIL仿真系统测试工作分两阶段第阶段工作搭建智变电站模型配置继电保护装置文第三章进行述
第二阶段工作运行仿真系统进行测试分三部分：第部分运行仿真系统分析仿真机步实时协议转换器发出信号检验仿真系统容设置正确性第二部分通分析继电保护装置数幅值角度告警信息检验仿真系统实时性步性第三部分通设计线路差动障观察智变电站模型中波形变化继电保护装置动作情况检验仿真系统障仿真功文第四章进行介绍
31电气接线图
图31 次回路接线图
图31表示文中智变电站仿真模型次回路接线图三相三绕组变压器核心设置三电压等级包含干间隔常规变压器会涉保护
32智变电站仿真模型搭建
变压器电力系统核心组成部分变压器进行继电保护试验具重意义图文Simulink仿真智变电站模型中半部分数采样数较模块半部分智变电站仿真模型界面
图32 智变电站仿真模型
该模型三相变压器核心分连接三组长线路设置负载220kV线路110kV线路分设置单相短路障三相短路障线路两端设置测量点断路器设置示波器观察两端电流变化模型方设计数采集差流计算示波器显示数包外送分220kV线路两端110kV线路两端测量电压电流汇入差流计算模块通模块进行计算终输出结果显示示波器中时220kV线路两端110kV线路两端电流电压会求差结果起送入示波器中说示波器模块包含五组数显示五组波形五组波形左右分两组电流电流差两组电压验证部分详细说明
321交流电源模块
（a） （b）
图33 交流电源模块
模型双电源电路分220kV线路110kV线路中间三相变压器供电三相交流电源运行特性直接影响电力系统运行状态三相交流电源模块参数者模块参数实验需求进行设置里交流电源模块例子介绍模块选择路径开simulink library Browser库浏览器点击simscape物理模型仿真模块组里面找power systems电力系统模块开选择Specialized Technology找Fundamental Blocks基结构模块中Electrical Sources电源模块AC Voltage Source交流电压模块拖模型中然电源模块进行配置选中交流电源模块双击开Paramenters参量页面求次填Peak amplitude （电压峰值）Phase (相角)Frequency（频率）Sample time（采样时间）Measurements(测量)Load Flow(潮流)里面选择swing
322三相断路器模块
图34 三相断路器模块
作继电保护执行元件模型中三相断路器模块三相电压电流测量模块结合起继电保护装置提供数根求动作作否动作受线路两端电流差影响模型中处两模块参数设置致相仅修改相关名称三相短路器参数设置图34里Paramenters(参量)页面开Initial status(初始状态)ABC三相勾起然切换时间0Breaker resistance Ron（断路器电阻）设001(Ohm)Snubber capacitance Cs（缓电容）填infMeasurement选择None220kV线路两端110kV线路两端电流差达设定值断路器会动作实际继电保护设备中跳闸显示灯亮起
323三相电压电流测量模块
图35 三相电压电流测量模块
三相电压电流测量模块述作外模型设计联差动保护提供数通测量线路两端电流电压数采样图32方差流计算模块中进行差流计算判断继电保护否动作参数设置图示修改Signal label（信号标签）设定区分测量点220kV线路两端设定Vabc_2201Iabc_2201Vabc_2202Iabc_2202理110kV线路两端设定Vabc_1101Iabc_1101Vabc_1102Iabc_1102类推
324三相障模块
（a） （b）
图36 三相障模块
文联差动保护例220kV线路设计单相接短路110kV线路设计三相短路障验证Initial status(初始状态)设置0表示断开图36（a）表示220kV线路侧单相接短路障Fault between方勾选Phase AGround构成单相接障（b）表示110kV线路侧三相短路障Fault between方三相全部勾选设置成三相短路障switching time中设置出现脉时间相障出现时间110kV线路设置次逻辑脉方便观察规律100秒出现障持续10秒实际继电保护装置中出现跳闸现象摁复循环会继续100秒跳闸次否会保持闭锁
325三相RLC负载模块
（a） （b）
图37 三相负载模块
文中三相负荷模块充电户角色相关设置图37示首先Configuration（构造）选择Y(ground)中性点直接接连接方式设置电压值频率值等Load Flow页面选择constant Z
326三相变压器（三绕组）模块
（a）
（b）
(c)
图38 三相变压器（三绕组）模块
三相变压器智变电站核心设备文选择三相三绕组变压器模块模拟三条支路分220kV110kV66kV线路象征着电压等级电户配置页面选择星形接形式(Yg)类型选three singphase transformers（三单相变压器）然参数配置页面求填入Advanced页面勾选
327线路模块
(a)
(b)
图39 线路模块
文三条支路汇入变压器中包括两条80km线路条90km线路选择线路模块真实输电线路进行模拟相关数设置图39(a)示想改变线路长度时候修改Line length选项单位千米线路两端分设置三相电压电流测量模块三相断路器模块线路进行保护障模块放线路端设置障图39(b)示
33继电保护装置配置
文实际继电保护装置WXH813高压线路保护装置WXH803高压线路保护装置两套设备适电压等级里分应110kV线路保护220kV线路保护更理解设备工作原理文110kV线路线路保护装置例进行介绍中WXH813高压线路保护装置前三字母硬件台代码里WXH指微机线路保护面着813指保护系列代码该设备支持直跳直采接口方式模拟量采IEC6185092点点接入开关量采GOOSE接入进行状态检修状态监测
（a） (b) (c)
图310 线路保护装置参数设置
首先保护装置中保护定值规定二次值范围求设定包括变化量启动电流定值零序启动电流定值差动动作电流定值侧识码侧识码线路正序零序阻抗定值线路正序零序灵敏角线路总长度等40项容中方便调试单侧继电保护装置侧侧识码设相号码光纤两端接入机TXRX接口实现环测试实验实现线路两端互通需侧侧识码分两台设备应设定连接光纤时侧TX侧RX相接侧RX侧TX相接
（a） (b) (c)
图311 保护压板软压板设置
图311中(a)图显示保护压板设定设备求保护功进行选择里选择联差动保护设投状态保护暂时便退出运行状态样GOOSE发送软压板菜单里面文智变电站模型中仅断路器跳合闸保护方式图(b)中投入运行保护跳闸装置通SV采集电流电压等采样数图(c)中需SV接收软压板设投SV测量投入运行
图312 二次值设置
二次值设置整继电保护装置终结果验证着关键影响中次值指真实电网数值里相Simulink中测量数值峰值通示波器(Scope)查二次值指通值数值效值设备正常接通会显示液晶显示屏实时数页面中文中二次值值设定6：1
34设备互联互通
文桥梁协议转换器通Simulink中智变电站仿真模型数转换真实智变电站中相信号传递继电保护装置（里高压线路保护装置）实现信息开放开源智变电站硬件环实验基础设备间连接图313示
图313 设备互联互通
首先Simulink仿真软件信号采网线通仿真机协议转换器交互然协议转换器仿真机信号作通光纤WXH813高压线路保护装置传递信号保护装置接收信号发生动作中保护装置通光纤侧侧设备相接中光纤工作波长分单模模文采黄色单模光纤波长范围1310nm1550nm橙色模光纤工作波长850nm连接需应单模光模块模光模块切忌交换设备相互连接完成通观察光纤者网线接口处指示灯进行判断通常连接成功指示灯状态常亮者慢速度闪烁数中传递时指示灯快速闪烁表明通讯成功
时通协议转换器发保护装置信号光纤传份交换机交换机信号转换发送带报文分析软件机常软件传载SCD文件XJ虚端子配置工具捕捉报文wireshark查分析报文ZHNPA分析SCDKM9K scdtool届时通软件接收报文进行分析验证
4 验证
41捕捉分析报文
验证设备否连接成功够正常通讯通捕捉分析报文方式判断首先利捕捉报文wireshark工具捕捉完成设备联通运行模型然开wireshark软件次点击capturestart开始捕捉报文稍等会点击停止文件保存(pacp)格式然开ZHNPA软件找刚保存文件开意选取SV 92观察图41(a)示
界面底部选择报文分析栏显示报文信息界面中央方通时间者APPID选择分析报文意点击中央方查时间点报文信息包括APPID信息PDU信息ASDU信息等
(a)
(b)
图41 报文分析
界面底部选择波形分析栏图41(b)示界面中央三段波形分ABC三相电流电流相等相角相差120度系统够正确传送容满足传输求
42示波器波形变化
图42 110kV线路正常运行波形图
验证智变电站模型搭建否求工作效方法启动仿真双击Scope开示波器然观察波形否正确图42中左右次显示110kV线路两端电流电流差两端电压图中正常运行时电流值320A左右差流值电压110kV保护动作
图43 110kV线路出现障时波形图
障模块设置110kV线路中100秒会出现持续10秒强脉模拟三相短路障出现图43中呈现智变电站仿真模型出现障时状态图中两电流波形图（左边两图）两端电流飙升600A甚更高强电流变换导致差流线路状态衡引起差流波形变高电流差动保护动作届时继电保护装置动作跳闸仿真障现象验证智变电站模型模块容设置
43继电保护装置动作
电流差动保护保护范围非常明确电气量单纯较适合作实验象时利保护原理简单特点设置继电保护装置环检测先步验证线路保护装置否够正常工作图44环检测接线该分连接线路两端光纤接台保护装置TXRX孔图中卷起黄色光纤示形成环时差动电流应零
图44 继电保护环测试接线
验证线路保护装置配置否正确否仿真模型正确连接通观察分析继电保护装置液晶屏显示实时数保护装置动作判断求正确连接运行仿真模型继电保护装置数届时利数进行分析验证
图45 实时数页面
首先通继电保护装置面板右边键翻动实时数页面A相B相C相电流均38A相角次相差120度指正常时二次值数时差动压板联通道差动开放均处投入运行状态文二次值值情况进行计算显示效值38A（二次值）二次值6倍根号二六倍二次值峰值次值（实际值峰值）约320A图42中110kV波形图中显示电流值相吻合判断通讯成功通讯容正确
图46 继电保护跳闸
然分析面板指示灯变化正常运行时CPU1备CPU2亮绿色灯负责监视保护CPU运行情况正常运行时跳闸指示灯亮线路发生障时亮红灯图46显示110kV线路环监测时出现三相短路障情况跳闸指示灯亮起红色LED灯保护动作验证智变电站HIL仿真系统障仿真功步性实时性
5总结展
次研究核心容通Simulink实时仿真机搭建智变电站模型实际继电保护装置进行实时仿真做虚实搭配实现智变电站HIL仿真系统检测体现HIL实时仿真开源开放高度实时步优点实现继电保护装置测试继电保护方面电力教学提供帮助
理知识方面介绍智变电站实时仿真相关信息包含HIL硬件环实时仿真系统介绍Simulink仿真工具特点仿真机机合作时简单描述IEC61850通讯标准重性实现设备间障碍通讯协议转换器进行介绍知道设备互联互通相互作智变电站模型搭建理解更加方便智变电站仿真介绍中先介绍Simulink特点分析选择作仿真部分软件原优势然通电气原理接线图引入仿真模型搭建面文仿真部分进行介绍选择参数进行解释包括三相电源模块RLC负荷模块三相线路模块障模块变压器模块电流电压测量模块选择设置实物互联互通方面验证方法进行阐述力求简洁语言清楚介绍通次毕业设计毕业文撰写仅增加许学术知识锻炼做东西进行描述力缺乏实践验理知识理解够透彻文然存许足恳请老师批评指正
次研究中仅针三相短路障单相接障电流差动保护做仿真未考虑探索更保护方式针更障类型进行仿真两相短路两相接短路等更常见障类型验证方法方面尝试设计更加具备权威性专业性方法提高实验系统说服力协议转换器设置连接方面尝试选择更加安全设备提高试验效率性
着社会济增长仅电质量电价格提出更高求继电保护装置性需求更加严格智变电站相长段时间里会充智电网核心容继电保护务然保障电力系统稳运行会趋成熟继电保护装置更新迭代需紧智电网步伐求做容应电网种障保护设备针智变电站测试硬件环实时仿真台样时代潮流中定担仅够仿真智电网真实状态通设计障继电保护设备进行试验确保真实环境中继电保护装置够准确迅速作出反应智变电站硬件环仿真系统存意义知发展中相信会更学者类系统进行完善仿真容扩展审核真实电网基础搭建模型通增加继电保护装置数量联通者条件允许高校装设类系统帮助学生增加实际操作验提升专业知识理解更帮助电力应类工作者学
参考文献
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智变电站HIL仿真
智变电站HIL仿真
摘
智变电站发展支撑着智电网发展样继电保护装置系统支撑着智变电站利运行继电保护装置否够运行十分重文采HIL硬件环实时仿真模式建立智变电站系统模型测试继电保护装置系统智变电站HIL仿真系统采Simulink电力仿真库Matlab实时操作系统结合分布式实时步协议转换器信号发生器模拟智变电站次电气设备真实运行场景实时状态测试保护厂商相关保护系统装置该仿真系统采实时硬件环基开源开放Matlab建模台仿真方式降低选专实时仿真软件成保护厂商进行集成测试电网进行设备运行检修提供途径科研员学生提供开放友台
文基述实时仿真系统搭建220kV智变电站模型三项三绕组变压器核心分连接220kV110kV66kV线路设计110kv线路差动保护测试验证许继继电保护装置联差动保护功
关键词：智变电站继电保护装置HIL硬件环Matlab
HIL Simulation of Smart Substation
Abstract
The development of smart substations supports the development of smart grids Similarly relay protection devices and systems support the smooth operation of smart substations so it is very important whether the relay protection devices can operate reliablyIn this thesis HIL hardwareintheloop soft realtime simulation mode was used to establish an intelligent substation system model and tested relay protection devices and systemsThe intelligent substation HIL simulation system used Simulink power simulation library and Matlab realtime operating systemcombined with distributed realtime synchronous protocol conversion and signal generatorsimulated the real operating scenarios and realtime status of primary electrical equipment in smart substationstest protection systems and devices related to protection manufacturersThe simulation system used realtime hardwareintheloop and simulation methods based on the open Matlab modeling platform which reduces the cost of selecting special realtime simulation softwareIt provides a way for protection manufacturers to carry out integration tests and power grids for equipment operation and maintenance and provides an open and friendly platform for researchers and students
This thesis built a 220kV smart substation model based on the above realtime simulation system with three threewinding transformers as the core respectively connecting 220kV 110kV and 66kV lines designing 110kV line differential protection testing and verifying the longitudinal protection relay protection device Linked differential protection function
Keywords Intelligent substation relay protection device hardwareintheloop Matlab
目录
1前言 5
11智变电站HIL(硬件环)仿真意义 5
12常电力仿真系统 5
13文组织情况 6
2实时仿真原理 6
21 HIL硬件环系统 7
22 Simulink实时仿真机 7
23 IEC61850协议转换器 8
24继电保护装置 9
3智变电站模型搭建保护装置配置 9
31电气接线图 10
32智变电站仿真模型搭建 10
33继电保护装置配置 16
34设备互联互通 18
4 验证 19
41捕捉分析报文 19
42示波器波形变化 20
43继电保护装置动作 21
5总结展 23
参考文献 25
谢 辞 26
1前言
11智变电站HIL(硬件环)仿真意义
智电网采中心化方式电网变更加安全更加清洁存然灾害工作员误操作设备老化者合格等导致电力系统障素社会安全济着威胁智变电站现代电力系统核心容智电网建设重组成部分相量路器负责变压分流智电网投建运行维护着关键作继电保护智变电站守护神智电网核心肩负着稳供电供电责保障电力系统正常运行限度减少电力系统障带影响继电保护装置电力系统继电保护执行者继电保护装置项性直接影响保护效果
前继电保护装置相关测试存着成高系统封闭等问题文描述智变电站HIL仿真系统避免纯物理仿真局限性纯数字仿真实验理想化问题具备开放友建模台软件仿真台继电保护厂商电网提供保护测试途径科研员般学生教师提供高性价开放测试环境
12常电力仿真系统
着电力系统规模断扩涌现许优秀电力系统仿真系统分实时仿真非实时仿真两类仿真系统侧重电力方面研发提供便利应较广泛
美国联邦纳维尔电力局20世纪六十年代开发BPA1996年停止BPA潮流暂态稳定程序开发维护1984年中国电力科学研究院电力研究开发维护具备电力系统稳态电力系统暂态等仿真力适电网电力系统规划该软件支持户定义
实时数字仿真系统RTDS加RTDS公司具较强实时性电磁暂态仿真RTDS仿真受限户购买设备RACK数RACK造价高利规模仿真系统封闭普通学者言性价高
PSSE出西门子研究电力传输系统发电机稳态动态功等输入输出根户需求设定功非常强相系统更加严谨价格非常昂贵入门难度较
较常电力仿真系统综合性非常电力系统研发维护提供支持部分软件较封闭价格昂贵普通学者友文述仿真系统采集成Matlab具实时性操作系统丰富Simulink电力仿真库具备开放建模台仿真台免费世界十万Simulink电力行业研究者研究成果直接进入系统台分享
13文组织情况
基工作关课题述安排：
第章阐述智变电站发展现状智变电站HIL仿真实验研究意义讲述前较著名电力仿真系统文描述智变电站HIL仿真系统具备特点介绍文容安排研究情况
第二章讲述关硬件环系统研究现实介绍仿真系统工作原理硬件环系统构成分应文中虚拟象实际控制器进行述中包括Simulink仿真机作继电保护装置介绍选择包括联系桥梁IEC61850通讯标准协议转换器
第三章详细介绍工作安排文仿真系统硬件环实现程包括系统架构电力系统仿真建模台仿真软件运行环境分布式实时步信号发生器功保护装置配置通讯求基该仿真系统设计具体220kV智变电站模型电流差动保护例设计相关继电保护装置实验
第四章第三章实施验证通相关软件测试工具验证仿真系统保护装置正确性步性实时性系统仿真障功包括报文分析波形分析继电保护装置动作分析
第五章全文进行总结简述新见解
2实时仿真原理
文采HIL硬件环实时仿真系统基集成Matlab实时操作系统具开源开放特点精密步功种步实时分散分布式仿真仿真机步网络设备分布式步实时协议转换器真实二次设备组成工作原理图21示
仿真机发出信号通通讯步网络设备PAC6630传送仿真终端——分布式步实时协议转换器协议转换器信号IEC61850标准转换成真实二次设备理解信号传递文测部分——继电保护装置继电保护装置接收信号作智终端控制刀闸开关智终端反馈信息仿真终端该实时仿真系统中设备间具相互矫正功设备间实时步精度相差1us精度非常高满足真实电力系统工作求
图21 仿真系统工作原理图
21 HIL硬件环系统
智变电站HIL仿真实验核心思想硬件环HIL(Hardware in the Loop)里指硬件回路种计算机仿真实际实验设备结合起技术降低开发时间资金成时明显提高测装备测试安全性HIL硬件环仿真测试系统工作原理实时处理器运行仿真模型模拟受控象运行状态文中实时处理器选择带Simulink软件实时仿真机机运行利Simulink搭建智变电站仿真模型模拟变电站次电气设备正常工作情况出现障时候运行状态虚实结合部分中虚拟象实际控制器部分采实际继电保护装置继电保护装置通接收仿真模型发信号虚拟象进行互动
22 Simulink实时仿真机
Matlab软件款具强科学计算机数处理力数学类科技应软件着友编程环境广泛应工程计算信号检测信号处理等领域时具备强图形处理力常常应图处理金融建模方面深受广学者喜爱
SimulinkMatlab重组件目前广泛应视化仿真工具提供非常方便框图设计环境动态系统设计建模时仿真模型运行结果进行综合分析Simulink非常友功强操作界面简洁易懂支持线性系统非线性系统仿真设置连续采样时间离散采样时间者两种混合采样时间等非常符合智变电站模型界面搭建求Simulink助Matlab计算功仿真工具展开计算仿真具十分丰富扩充预定义模块库开仿真台仅鼠标选择拖动进行目标模型框图绘制利交互式图形编辑器非常直观理模块图
图22 实时仿真机机
实时仿真台集成Matlab实时操作系统运行IntelCPU具模型搭建仿真理功着出色实时性Simulink中设计模型仅单独进行非实时仿真结合实际系统进行实时仿真文中继电保护装置信号收发情况250us进行次时间误差求1us仅Simulink仿真软件法实现数长时间实时交互实时仿真机模型实时仿真步长10us50us间完全胜文中仿真工作通实时仿真机Simulink结合仅搭建智变电站模型界面实现仿真模型真实设备间数实时传输整软硬件结合实时仿真系统奠定基础
23 IEC61850协议转换器
智变电站许许智电子设备组成智电子设备简称IED(Intelligent Electronic Device)通网络通信互联实现远程控制检测功前提套通信标准国际电工委第57界技术委员会制定IEC61850通讯协议更实现互操作采面象思想致力智变电站厂商智电子设备够互联互通效促进电力行业调度协调信息享功交互等方面发展解决文中电子设备法正常交互问题
实时仿真机信号满足智变电站通信标准导致实际继电保护装置识需协议转换器辅助收发信息转换成满足IEC61850通信标准信号进行传输通网线接收实时仿真机处理信息协议转换器部完成通讯规约转换通光纤数送继电保护装置时样数通交换机转换传输负责报文分析计算机
24继电保护装置
搭建智变电站仿真模型程中结合继电保护进行设计继电保护电力系统出现障时候够时发出告警者直接动作切障种措施继电保护装置种措施执行者通测量较元件逻辑判断元件执行输出元件相互作完成保护动作继电保护装置根测量电气量异常变化工作具体流程通互感器保护设备中电气量进行采样传递继电器作较元件电流继电器先收值定值进行较收值定值动作果收信号定值中间继电器者时间继电器发送信息断路器跳开继电保护装置电力系统运行状态进行监视远程操作减少障电力系统元件伤害
文涉电流差动保护采数字化继电保护装置许继集团WXH813高压线路保护装置作智变电站仿真模型中110kV输电线路保护通设定功选项选择投入退出运行保护类型智变电站仿真模型中电流差动保护例设计障进行实验继电保护装置相应投入运行联差动保护退出保护电流差动保护根基尔霍夫原理工作流入流出电流互感器电流矢量差差动电流差动电流较甚零差动电流未达继电保护装置整定值时候设备正常工作保护动作反差动电流达保护装置整定值时保护动作发出告警
3智变电站模型搭建保护装置配置
文核心目实现智变电站HIL仿真系统测试工作分两阶段第阶段工作搭建智变电站模型配置继电保护装置文第三章进行述
第二阶段工作运行仿真系统进行测试分三部分：第部分运行仿真系统分析仿真机步实时协议转换器发出信号检验仿真系统容设置正确性第二部分通分析继电保护装置数幅值角度告警信息检验仿真系统实时性步性第三部分通设计线路差动障观察智变电站模型中波形变化继电保护装置动作情况检验仿真系统障仿真功文第四章进行介绍
31电气接线图
图31 次回路接线图
图31表示文中智变电站仿真模型次回路接线图三相三绕组变压器核心设置三电压等级包含干间隔常规变压器会涉保护
32智变电站仿真模型搭建
变压器电力系统核心组成部分变压器进行继电保护试验具重意义图文Simulink仿真智变电站模型中半部分数采样数较模块半部分智变电站仿真模型界面
图32 智变电站仿真模型
该模型三相变压器核心分连接三组长线路设置负载220kV线路110kV线路分设置单相短路障三相短路障线路两端设置测量点断路器设置示波器观察两端电流变化模型方设计数采集差流计算示波器显示数包外送分220kV线路两端110kV线路两端测量电压电流汇入差流计算模块通模块进行计算终输出结果显示示波器中时220kV线路两端110kV线路两端电流电压会求差结果起送入示波器中说示波器模块包含五组数显示五组波形五组波形左右分两组电流电流差两组电压验证部分详细说明
321交流电源模块
（a） （b）
图33 交流电源模块
模型双电源电路分220kV线路110kV线路中间三相变压器供电三相交流电源运行特性直接影响电力系统运行状态三相交流电源模块参数者模块参数实验需求进行设置里交流电源模块例子介绍模块选择路径开simulink library Browser库浏览器点击simscape物理模型仿真模块组里面找power systems电力系统模块开选择Specialized Technology找Fundamental Blocks基结构模块中Electrical Sources电源模块AC Voltage Source交流电压模块拖模型中然电源模块进行配置选中交流电源模块双击开Paramenters参量页面求次填Peak amplitude （电压峰值）Phase (相角)Frequency（频率）Sample time（采样时间）Measurements(测量)Load Flow(潮流)里面选择swing
322三相断路器模块
图34 三相断路器模块
作继电保护执行元件模型中三相断路器模块三相电压电流测量模块结合起继电保护装置提供数根求动作作否动作受线路两端电流差影响模型中处两模块参数设置致相仅修改相关名称三相短路器参数设置图34里Paramenters(参量)页面开Initial status(初始状态)ABC三相勾起然切换时间0Breaker resistance Ron（断路器电阻）设001(Ohm)Snubber capacitance Cs（缓电容）填infMeasurement选择None220kV线路两端110kV线路两端电流差达设定值断路器会动作实际继电保护设备中跳闸显示灯亮起
323三相电压电流测量模块
图35 三相电压电流测量模块
三相电压电流测量模块述作外模型设计联差动保护提供数通测量线路两端电流电压数采样图32方差流计算模块中进行差流计算判断继电保护否动作参数设置图示修改Signal label（信号标签）设定区分测量点220kV线路两端设定Vabc_2201Iabc_2201Vabc_2202Iabc_2202理110kV线路两端设定Vabc_1101Iabc_1101Vabc_1102Iabc_1102类推
324三相障模块
（a） （b）
图36 三相障模块
文联差动保护例220kV线路设计单相接短路110kV线路设计三相短路障验证Initial status(初始状态)设置0表示断开图36（a）表示220kV线路侧单相接短路障Fault between方勾选Phase AGround构成单相接障（b）表示110kV线路侧三相短路障Fault between方三相全部勾选设置成三相短路障switching time中设置出现脉时间相障出现时间110kV线路设置次逻辑脉方便观察规律100秒出现障持续10秒实际继电保护装置中出现跳闸现象摁复循环会继续100秒跳闸次否会保持闭锁
325三相RLC负载模块
（a） （b）
图37 三相负载模块
文中三相负荷模块充电户角色相关设置图37示首先Configuration（构造）选择Y(ground)中性点直接接连接方式设置电压值频率值等Load Flow页面选择constant Z
326三相变压器（三绕组）模块
（a）
（b）
(c)
图38 三相变压器（三绕组）模块
三相变压器智变电站核心设备文选择三相三绕组变压器模块模拟三条支路分220kV110kV66kV线路象征着电压等级电户配置页面选择星形接形式(Yg)类型选three singphase transformers（三单相变压器）然参数配置页面求填入Advanced页面勾选
327线路模块
(a)
(b)
图39 线路模块
文三条支路汇入变压器中包括两条80km线路条90km线路选择线路模块真实输电线路进行模拟相关数设置图39(a)示想改变线路长度时候修改Line length选项单位千米线路两端分设置三相电压电流测量模块三相断路器模块线路进行保护障模块放线路端设置障图39(b)示
33继电保护装置配置
文实际继电保护装置WXH813高压线路保护装置WXH803高压线路保护装置两套设备适电压等级里分应110kV线路保护220kV线路保护更理解设备工作原理文110kV线路线路保护装置例进行介绍中WXH813高压线路保护装置前三字母硬件台代码里WXH指微机线路保护面着813指保护系列代码该设备支持直跳直采接口方式模拟量采IEC6185092点点接入开关量采GOOSE接入进行状态检修状态监测
（a） (b) (c)
图310 线路保护装置参数设置
首先保护装置中保护定值规定二次值范围求设定包括变化量启动电流定值零序启动电流定值差动动作电流定值侧识码侧识码线路正序零序阻抗定值线路正序零序灵敏角线路总长度等40项容中方便调试单侧继电保护装置侧侧识码设相号码光纤两端接入机TXRX接口实现环测试实验实现线路两端互通需侧侧识码分两台设备应设定连接光纤时侧TX侧RX相接侧RX侧TX相接
（a） (b) (c)
图311 保护压板软压板设置
图311中(a)图显示保护压板设定设备求保护功进行选择里选择联差动保护设投状态保护暂时便退出运行状态样GOOSE发送软压板菜单里面文智变电站模型中仅断路器跳合闸保护方式图(b)中投入运行保护跳闸装置通SV采集电流电压等采样数图(c)中需SV接收软压板设投SV测量投入运行
图312 二次值设置
二次值设置整继电保护装置终结果验证着关键影响中次值指真实电网数值里相Simulink中测量数值峰值通示波器(Scope)查二次值指通值数值效值设备正常接通会显示液晶显示屏实时数页面中文中二次值值设定6：1
34设备互联互通
文桥梁协议转换器通Simulink中智变电站仿真模型数转换真实智变电站中相信号传递继电保护装置（里高压线路保护装置）实现信息开放开源智变电站硬件环实验基础设备间连接图313示
图313 设备互联互通
首先Simulink仿真软件信号采网线通仿真机协议转换器交互然协议转换器仿真机信号作通光纤WXH813高压线路保护装置传递信号保护装置接收信号发生动作中保护装置通光纤侧侧设备相接中光纤工作波长分单模模文采黄色单模光纤波长范围1310nm1550nm橙色模光纤工作波长850nm连接需应单模光模块模光模块切忌交换设备相互连接完成通观察光纤者网线接口处指示灯进行判断通常连接成功指示灯状态常亮者慢速度闪烁数中传递时指示灯快速闪烁表明通讯成功
时通协议转换器发保护装置信号光纤传份交换机交换机信号转换发送带报文分析软件机常软件传载SCD文件XJ虚端子配置工具捕捉报文wireshark查分析报文ZHNPA分析SCDKM9K scdtool届时通软件接收报文进行分析验证
4 验证
41捕捉分析报文
验证设备否连接成功够正常通讯通捕捉分析报文方式判断首先利捕捉报文wireshark工具捕捉完成设备联通运行模型然开wireshark软件次点击capturestart开始捕捉报文稍等会点击停止文件保存(pacp)格式然开ZHNPA软件找刚保存文件开意选取SV 92观察图41(a)示
界面底部选择报文分析栏显示报文信息界面中央方通时间者APPID选择分析报文意点击中央方查时间点报文信息包括APPID信息PDU信息ASDU信息等
(a)
(b)
图41 报文分析
界面底部选择波形分析栏图41(b)示界面中央三段波形分ABC三相电流电流相等相角相差120度系统够正确传送容满足传输求
42示波器波形变化
图42 110kV线路正常运行波形图
验证智变电站模型搭建否求工作效方法启动仿真双击Scope开示波器然观察波形否正确图42中左右次显示110kV线路两端电流电流差两端电压图中正常运行时电流值320A左右差流值电压110kV保护动作
图43 110kV线路出现障时波形图
障模块设置110kV线路中100秒会出现持续10秒强脉模拟三相短路障出现图43中呈现智变电站仿真模型出现障时状态图中两电流波形图（左边两图）两端电流飙升600A甚更高强电流变换导致差流线路状态衡引起差流波形变高电流差动保护动作届时继电保护装置动作跳闸仿真障现象验证智变电站模型模块容设置
43继电保护装置动作
电流差动保护保护范围非常明确电气量单纯较适合作实验象时利保护原理简单特点设置继电保护装置环检测先步验证线路保护装置否够正常工作图44环检测接线该分连接线路两端光纤接台保护装置TXRX孔图中卷起黄色光纤示形成环时差动电流应零
图44 继电保护环测试接线
验证线路保护装置配置否正确否仿真模型正确连接通观察分析继电保护装置液晶屏显示实时数保护装置动作判断求正确连接运行仿真模型继电保护装置数届时利数进行分析验证
图45 实时数页面
首先通继电保护装置面板右边键翻动实时数页面A相B相C相电流均38A相角次相差120度指正常时二次值数时差动压板联通道差动开放均处投入运行状态文二次值值情况进行计算显示效值38A（二次值）二次值6倍根号二六倍二次值峰值次值（实际值峰值）约320A图42中110kV波形图中显示电流值相吻合判断通讯成功通讯容正确
图46 继电保护跳闸
然分析面板指示灯变化正常运行时CPU1备CPU2亮绿色灯负责监视保护CPU运行情况正常运行时跳闸指示灯亮线路发生障时亮红灯图46显示110kV线路环监测时出现三相短路障情况跳闸指示灯亮起红色LED灯保护动作验证智变电站HIL仿真系统障仿真功步性实时性
5总结展
次研究核心容通Simulink实时仿真机搭建智变电站模型实际继电保护装置进行实时仿真做虚实搭配实现智变电站HIL仿真系统检测体现HIL实时仿真开源开放高度实时步优点实现继电保护装置测试继电保护方面电力教学提供帮助
理知识方面介绍智变电站实时仿真相关信息包含HIL硬件环实时仿真系统介绍Simulink仿真工具特点仿真机机合作时简单描述IEC61850通讯标准重性实现设备间障碍通讯协议转换器进行介绍知道设备互联互通相互作智变电站模型搭建理解更加方便智变电站仿真介绍中先介绍Simulink特点分析选择作仿真部分软件原优势然通电气原理接线图引入仿真模型搭建面文仿真部分进行介绍选择参数进行解释包括三相电源模块RLC负荷模块三相线路模块障模块变压器模块电流电压测量模块选择设置实物互联互通方面验证方法进行阐述力求简洁语言清楚介绍通次毕业设计毕业文撰写仅增加许学术知识锻炼做东西进行描述力缺乏实践验理知识理解够透彻文然存许足恳请老师批评指正
次研究中仅针三相短路障单相接障电流差动保护做仿真未考虑探索更保护方式针更障类型进行仿真两相短路两相接短路等更常见障类型验证方法方面尝试设计更加具备权威性专业性方法提高实验系统说服力协议转换器设置连接方面尝试选择更加安全设备提高试验效率性
着社会济增长仅电质量电价格提出更高求继电保护装置性需求更加严格智变电站相长段时间里会充智电网核心容继电保护务然保障电力系统稳运行会趋成熟继电保护装置更新迭代需紧智电网步伐求做容应电网种障保护设备针智变电站测试硬件环实时仿真台样时代潮流中定担仅够仿真智电网真实状态通设计障继电保护设备进行试验确保真实环境中继电保护装置够准确迅速作出反应智变电站硬件环仿真系统存意义知发展中相信会更学者类系统进行完善仿真容扩展审核真实电网基础搭建模型通增加继电保护装置数量联通者条件允许高校装设类系统帮助学生增加实际操作验提升专业知识理解更帮助电力应类工作者学
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