劉追，劉振興，王琦

（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430081）

0 引 言

變電站中錯(cuò)綜復(fù)雜的直流電源供電網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)繼電器保護(hù)裝置、信號(hào)系統(tǒng)、斷路器跳合閘、直流充電機(jī)、通信UPS等各個(gè)子系統(tǒng)提供安全可靠的工作電源。一般含有蓄電池、報(bào)警裝置、絕緣監(jiān)測(cè)儀、充電裝置、空氣開(kāi)關(guān)，以及保險(xiǎn)等，其接線圖如圖1所示［1］。

隨著變電站規(guī)模的擴(kuò)大、站內(nèi)電設(shè)備的大量使用等因素，隨之給電網(wǎng)帶來(lái)“直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地引起繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)”的頻繁發(fā)生。電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)一般認(rèn)為發(fā)電廠、變電站直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地系統(tǒng)仍能繼續(xù)維持運(yùn)行，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)一點(diǎn)接地，同樣可能導(dǎo)致出口保護(hù)繼電器的誤動(dòng)，從而導(dǎo)致變電站主變跳閘或發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)組停運(yùn)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)［2］。對(duì)于一點(diǎn)接地引起的繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作的分析，目前大多采用的技術(shù)是利用PSCAD/EMTDC軟件對(duì)電廠系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得到相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并提出改進(jìn)的方法與措施［3-4］。但PSCAD/EMTDC軟件只能對(duì)系統(tǒng)電磁狀態(tài)進(jìn)行仿真，和實(shí)際電力系統(tǒng)之間存在誤差。實(shí)物實(shí)驗(yàn)則受硬件設(shè)備及環(huán)境等因素的影響，往往成本過(guò)高，且難以模擬一些極限工況，分析范圍有限。

圖1 直流系統(tǒng)接線圖Fig.1 DC system wiring diagram

綜合上述問(wèn)題，利用半實(shí)物仿真平臺(tái)搭建了變電站直流系統(tǒng)仿真模型。半實(shí)物仿真亦稱為硬件在回路仿真（Hardware In the Loop Simulation，HILS），是一種將部分硬件實(shí)物引入到仿真回路中的仿真［5］，其過(guò)程可以分成四個(gè)部分：（1）仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；（2）接口；（3）環(huán)境模擬設(shè)備；（4）被測(cè)實(shí)物，如圖2所示。其中某一元器件仿真模塊完全由實(shí)物替代，將離線仿真和物理實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，克服數(shù)學(xué)模型過(guò)于理想化的缺點(diǎn)，使得仿真結(jié)果更具真實(shí)性。

圖2 半實(shí)物仿真系統(tǒng)框圖Fig.2 HILS system structure block diagram

RT-LAB是加拿大Opal-RT公司開(kāi)發(fā)的一套基于模型的仿真系統(tǒng)平臺(tái)軟件包，可以讓設(shè)計(jì)者將基于MATLAB/Simulink以及MATRIXx/SystemBuild等圖形化建模工具所搭建的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型，通過(guò)上位機(jī)和多處理器目標(biāo)機(jī)的模式，在實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)上運(yùn)行。RT-LAB仿真器支持種類非常廣泛的商用貨架I/O產(chǎn)品，它將I/O設(shè)備接口制作成Simulink模塊，供Simulink模型中設(shè)置和調(diào)用，而無(wú)需開(kāi)發(fā)Simulink接口［6］。RT-LAB半實(shí)物仿真平臺(tái)近年來(lái)來(lái)在多所高校和科研機(jī)構(gòu)中得到使用，其研究成果大量應(yīng)用到電網(wǎng)、新能源、航空航天等行業(yè)領(lǐng)域［7-10］。

在RT-LAB軟件中建立變電站直流系統(tǒng)仿真模型，并將繼電器實(shí)物取代仿真模型中的繼電器模塊，形成半實(shí)物仿真分析平臺(tái)，利用平臺(tái)分別對(duì)接地電阻和長(zhǎng)電纜分布電容對(duì)變電站直流系統(tǒng)繼電器誤動(dòng)作的影響進(jìn)行分析。

1 直流系統(tǒng)接地模型

變電站直流系統(tǒng)常見(jiàn)的接地故障有正極接地，負(fù)極接地和繼電線圈接地。對(duì)于直流系統(tǒng)接地故障的監(jiān)測(cè)目前大多仍采用電橋法，這種方法的絕緣監(jiān)測(cè)裝置由信號(hào)部分和測(cè)量部分兩部分組成。根據(jù)實(shí)際變電站直流系統(tǒng)的工作狀態(tài)和繼電器設(shè)備的特性，通過(guò)參考文獻(xiàn)［11］，得到如圖3所示負(fù)極接地等效電路圖，R為絕緣監(jiān)測(cè)裝置中的平衡橋電阻，R1和R2為絕緣監(jiān)測(cè)裝置中的切換橋電阻，C1和C2分別為正負(fù)極所有設(shè)備對(duì)地電容總和，C3是長(zhǎng)電纜分布電容。Rj1是繼電線圈串聯(lián)電阻，Rj2是繼電器線圈電阻，Lj則為線圈的電感。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)會(huì)有微小的電流流經(jīng)繼電器，但是并不會(huì)引起繼電器動(dòng)作。而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，電橋不再維持平衡，流經(jīng)繼電線圈的電流增大，則可能會(huì)引起繼電器斷開(kāi)。本文主要討論直流負(fù)極接地情況，設(shè)負(fù)極接地電阻為Rd。

圖3 等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram

初始狀態(tài)下開(kāi)關(guān)K1、K2均保持閉合，接著系統(tǒng)發(fā)生故障接地，接地電阻為Rd，之后的切換橋的投切過(guò)程是首先K1斷開(kāi)，K2保持不變，然后K1閉合的同時(shí)K2斷開(kāi)。投切過(guò)程會(huì)產(chǎn)生電流Ij流過(guò)繼電器阻抗Zj，線圈阻抗產(chǎn)生電壓Uj，如果Uj超過(guò)繼電器動(dòng)作電壓0.6UD（UD=24 V）時(shí)，則引起繼電器控制的開(kāi)關(guān)誤動(dòng)。

2 半實(shí)物仿真平臺(tái)搭建

2.1 仿真模型

根據(jù)系統(tǒng)等效電路圖，建立仿真模型。在RT-LAB里所有頂層子系統(tǒng)的命名都要含有一個(gè)前綴以區(qū)分它們的功能，將直流系統(tǒng)及其信號(hào)輸出模塊封裝成SM_MAIN主計(jì)算子系統(tǒng)，將仿真信號(hào)采集及其觀測(cè)模塊封裝為SC_SCOPE控制臺(tái)子系統(tǒng)。對(duì)模型進(jìn)行分割劃分后，在每個(gè)子系統(tǒng)信號(hào)輸入端添加OPComm模塊對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的輸入量進(jìn)行同步。圖4為直流系統(tǒng)負(fù)極接地實(shí)時(shí)仿真模型的SM_MAIN子系統(tǒng)，元件參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 實(shí)時(shí)仿真模型的子系統(tǒng)模型圖Fig.4 Subsystem of RT-LAB model

表1 部分元件參數(shù)Tab.1 Partial components parameters

其中R3為直流電源DC的內(nèi)阻，Step用來(lái)控制電阻Rd的接地時(shí)間，Step1、Step2和Step3、Step4分別用來(lái)控制K1和K2的斷開(kāi)和閉合時(shí)間，兩次開(kāi)關(guān)動(dòng)作的時(shí)間間隔要能夠使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。本次仿真的目的是分析K1/K2斷開(kāi)閉合的過(guò)程中，在已設(shè)定的電路元件參數(shù)下，繼電器兩端的電壓是否會(huì)達(dá)到其動(dòng)作電壓，即是否會(huì)引起繼電器產(chǎn)生保護(hù)誤動(dòng)作，得到如圖5所示的線圈電壓仿真波形圖。

由圖5可知，在t=0 s～8 s之間，由于長(zhǎng)電纜分布電容C3的存在，繼電器線圈電壓為0。由于發(fā)生了直流系統(tǒng)負(fù)極電阻Rd接地故障，繼電器線圈電壓波形在8 s時(shí)有輕微波動(dòng)，之后衰減為0。t=15 s，開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)，K2保持不變，電容C3開(kāi)始充電，線圈電壓變?yōu)樨?fù)，當(dāng)電容充電完成后電壓重新回到0。t=25 s時(shí)，K1閉合同時(shí)K2斷開(kāi)，C3開(kāi)始放電，線圈電壓急劇上升。

圖5 實(shí)時(shí)仿真繼電器線圈電壓波形Fig.5 Voltage waveform of real-time simulation relay coil

上述仿真中，當(dāng)繼電器端電壓Uj超過(guò)繼電器動(dòng)作電壓0.6UD時(shí)，會(huì)引起繼電器控制的開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作。通過(guò)觀測(cè)電壓波形圖可知，最大波動(dòng)電壓值為14.5 V，已經(jīng)超過(guò)動(dòng)作電壓，繼電器狀態(tài)理論上會(huì)從閉合變成斷開(kāi)。仿真中繼電器由阻感電路模擬，阻感數(shù)值通過(guò)實(shí)物測(cè)量得到，其中存在一定誤差。由于該仿真沒(méi)有完整展現(xiàn)實(shí)物繼電器動(dòng)作過(guò)程，無(wú)法確定仿真中的電壓波動(dòng)能否真實(shí)觸發(fā)繼電器實(shí)物動(dòng)作。

2.2 半實(shí)物仿真模型

eMEGAsim實(shí)時(shí)仿真器包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，上位機(jī)使用普通的PC機(jī)，運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)以及RT-LAB軟件，下位機(jī)使用加拿大Opal-RT公司生產(chǎn)的并行計(jì)算機(jī)OP5600［12］。

2.2.1 模型

利用實(shí)時(shí)仿真器，用實(shí)物繼電器取代軟件仿真中的繼電器模擬電路，能夠減少模擬誤差，提高仿真精度，同時(shí)實(shí)時(shí)仿真器能夠有效提高仿真速度，將仿真運(yùn)行速度和實(shí)際時(shí)間同步，真實(shí)模擬繼電器斷開(kāi)過(guò)程。

在RT-LAB軟件模型中用受控電流源取代原繼電器模塊，受控電流源兩端電流代替前后不變，確保直流系統(tǒng)模型中其他支路不會(huì)因?yàn)樵摋l線路連接實(shí)物設(shè)備而受到影響，從而保持整個(gè)系統(tǒng)仿真模型保持原有電氣特性，系統(tǒng)除繼電器部分外，其他元器件不受實(shí)物替代的影響。替代部分原理圖如圖6所示，在該部分中，采集繼電器回路中的電流，并轉(zhuǎn)換成相同數(shù)值的電壓，通過(guò)輸入到仿真機(jī)中來(lái)驅(qū)動(dòng)受控電流源，使原支路上電流與繼電器回路電流相同。為了避免代數(shù)環(huán)和最大化并行運(yùn)行，模型中在信號(hào)輸入端添加Memory模塊。

圖6 替代部分原理圖Fig.6 Schematic diagram of replacing part

2.2.2 I/O模塊

在SM_MAIN子系統(tǒng)中添加模擬信號(hào)I/O驅(qū)動(dòng)模塊OpCtrl ML605EX1，信號(hào)輸入端添加ML605EX1 AnalogIn模塊，輸出端添加ML605EX1 AnalogOut模塊。根據(jù)圖5的仿真波形可知最大電壓值為15 V左右，選擇BRK37M板卡（±15 V）進(jìn)行I/O連接。

半實(shí)物仿真模型如圖7所示，模型運(yùn)行時(shí)，電壓測(cè)量模塊采集受控電流源兩端的電壓，通過(guò)BRK37M板卡輸出并與繼電器線圈組成回路，通過(guò)電流-電壓互感器采集繼電器回路的電流并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)BRK37M板卡輸入到仿真器中用來(lái)驅(qū)動(dòng)受控電流源，同時(shí)采集繼電器線圈的端電壓信號(hào)輸入系統(tǒng)中，便可在SC_SCOPE中觀測(cè)電壓波形。

圖7 半實(shí)物仿真模型圖Fig.7 HILS simulation model

2.2.3 繼電器狀態(tài)測(cè)量回路

半實(shí)物仿真分析平臺(tái)采用型號(hào)ST1-DC24V的繼電器實(shí)物。如圖8所示，a為繼電器的實(shí)物圖，b為繼電器無(wú)勵(lì)磁狀態(tài)下的原理圖，其中端子1和端子4構(gòu)成繼電器的控制回路，主要由電阻及線圈組成，端子5和端子6在無(wú)勵(lì)磁狀態(tài)下為常閉、端子7和端子8在無(wú)勵(lì)磁狀態(tài)下為常開(kāi)。當(dāng)控制回路兩端的電壓達(dá)到動(dòng)作電壓時(shí)，勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的電磁力會(huì)作用于開(kāi)關(guān)，使得端子5和端子6斷開(kāi)而端子7和端子8閉合。

圖8 ST1-DC24V繼電器Fig.8 ST1-DC24V relay

為了觀察到實(shí)物繼電器動(dòng)作的時(shí)間，將常閉端子5、6間串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源，并將直流電壓信號(hào)通過(guò)BRK37M輸入到仿真器中，令其為Ut，則當(dāng)繼電器閉合時(shí)，該直流穩(wěn)壓電源輸出大小為Ut的直流電壓，繼電器斷開(kāi)時(shí)，則Ut=0，

測(cè)量采用到的硬件和接線如圖9所示。圖中a、b、c、d表示為：

a為直流穩(wěn)壓電源：5 V；b為電流-電壓互感器；c為仿真機(jī)外部接線圖；d為BRK37M板卡。

圖9 部分實(shí)物及接線圖Fig.9 Partial physical maps and wiring diagram

2.3 結(jié)果分析

在PC端RT-LAB程序執(zhí)行打開(kāi)模型、編譯模型、分配節(jié)點(diǎn)、加載模型、運(yùn)行以及重置，軟件將會(huì)對(duì)仿真模型執(zhí)行分割、編譯鏈接、加載等操作，將仿真模型應(yīng)用到半實(shí)物仿真系統(tǒng)中。仿真波形如圖10所示。

圖10 半實(shí)物仿真繼電器線圈電壓波形Fig.10 The HILS simulation waveform

對(duì)比圖5和圖10，繼電器端電壓整體波形基本一致，但在幅值上，采用繼電器模型時(shí)候最高電壓值為14.5 V（電壓動(dòng)作值為14.4 V），采用實(shí)際繼電器代替原模型后最高電壓值增加了4.83%，達(dá)到15.2 V，這是因?yàn)槟Ｐ偷暮?jiǎn)化的，與實(shí)際繼電器內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)相比，會(huì)有一定的偏差。從圖11所示的Ut波形可以看出，在0 s～25 s時(shí)未達(dá)到繼電器的動(dòng)作電壓，則繼電器的開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，此時(shí)Ut=5 V；當(dāng)運(yùn)行至第25 s的時(shí)候，波形發(fā)生向下階躍，表明此時(shí)實(shí)物繼電器端電壓超過(guò)動(dòng)作電壓值，繼電器斷開(kāi)；當(dāng)運(yùn)行至27 s左右時(shí)，波形發(fā)生向上階躍，表明繼電器端電壓下降到其動(dòng)作電壓之下，實(shí)物繼電器回到閉合狀態(tài)。通過(guò)半實(shí)物仿真結(jié)果可確定，在表1參數(shù)設(shè)置下，當(dāng)開(kāi)關(guān)K1，K2按序動(dòng)作時(shí)，會(huì)引起實(shí)物繼電器動(dòng)作。

圖11 直流電壓Ut波形圖Fig.11 Waveform diagram of DC voltage Ut

半實(shí)物仿真系統(tǒng)相較于純仿真來(lái)說(shuō)，會(huì)有一些噪聲干擾，但從仿真結(jié)果可以看出，半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)基本達(dá)到了所要求的技術(shù)指標(biāo)，也證明半實(shí)物仿真移植到實(shí)際系統(tǒng)可行性、便利性。

3 仿真分析

3.1 接地電阻值對(duì)繼電器誤動(dòng)的影響

利用以上搭建的半實(shí)物仿真平臺(tái)，可以分析直流系統(tǒng)中不同元件參數(shù)變化對(duì)繼電器動(dòng)作的影響，本文以Rd為例。在電路中其它參數(shù)不變的前提下，不同的接地電阻值有不同的線圈電壓波形圖，如圖12所示的分別為Rd=1 kΩ，10 kΩ和500 kΩ時(shí)線圈電壓波形圖。

圖12 不同接地電阻時(shí)繼電線圈電壓波形Fig.12 Waveform with different grounding resistances

從圖12可以看出，繼電器線圈電壓波動(dòng)不僅出現(xiàn)在系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置中切換橋電阻投切時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)在發(fā)生接地的瞬間，但接地電阻阻值越大，后者的波動(dòng)幅度越小，因此，其引起的繼電器誤動(dòng)作主要是發(fā)生在低阻值接地狀況下。采集波形的極值點(diǎn)并繪制出如圖13所示的接地瞬間線圈電壓最大值Ujmax1與Rd的關(guān)系曲線，而圖14則為切換橋電阻投切時(shí)，線圈電壓最大Ujmax2和最小值Ujmin與Rd的關(guān)系曲線。

從圖14可知，Ujmin雖然有明顯的變化，但其并不能達(dá)到繼電器的動(dòng)作電壓，因此不會(huì)引起誤動(dòng)作。當(dāng)接地電阻Rd在0 kΩ～100 kΩ時(shí)，Ujmax2隨著Rd增大而明顯增大，并很快達(dá)到動(dòng)作電壓；當(dāng)Rd大于100 kΩ時(shí)，接地電阻對(duì)于平衡橋電阻的端電壓分配影響較小，Ujmax2趨于穩(wěn)定，因此，這種情況引起的繼電器開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作主要發(fā)生在高阻接地的狀態(tài)下。

圖13 Ujmax1與Rd的關(guān)系圖Fig.13 Relationship curve between Ujmax1 and Rd

圖14 Ujmax2和Ujmin與Rd的關(guān)系曲線Fig.14 Relationship curve between Ujmax2，Ujmax1 and Rd

3.2 分布電容對(duì)繼電器誤動(dòng)作的影響

由于電路的分布特點(diǎn)而具有的電容叫分布電容。在直流系統(tǒng)中，分布電容的存在對(duì)經(jīng)長(zhǎng)電纜跳閘的回路和出口繼電器誤動(dòng)作都有很大的影響。下圖是繼電器線圈兩端最大電壓與分布電容值的關(guān)系曲線。

圖15 Ujmax與C3的關(guān)系曲線Fig.15 Relationship curve between Ujmax and C3

如圖15所示，繼電線圈最大電壓Ujmax隨著分布電容C3的增大而先增后減，而且在C3為30μF～350μF間，繼電器線圈的上的電壓均有可能會(huì)超過(guò)繼電器的動(dòng)作電壓，從而引起誤動(dòng)作。在變電站直流系統(tǒng)中，往往會(huì)因?yàn)樵O(shè)備老舊或地面潮濕的外界因素導(dǎo)致電容的增大，因此，根據(jù)實(shí)際情況，預(yù)留一定的余量，減少繼電引起的誤動(dòng)作。

4 結(jié)束語(yǔ)

在發(fā)生電阻接地的變電站直流系統(tǒng)中，系統(tǒng)絕緣檢測(cè)裝置中的切換橋電阻投切時(shí)，引起繼電器線圈端電壓超過(guò)動(dòng)作值而引發(fā)的開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作，從而帶來(lái)安全隱患。

本文搭建直流系統(tǒng)負(fù)極接地的半實(shí)物仿真平臺(tái)用于模擬系統(tǒng)故障狀態(tài)，直接采用實(shí)物繼電器與仿真模型相連接，在減少對(duì)繼電器進(jìn)行仿真建模的同時(shí)，也能夠?qū)崟r(shí)展現(xiàn)實(shí)物繼電器的動(dòng)作全過(guò)程，便于觀察分析。同時(shí)，對(duì)比文中所搭建的半實(shí)物仿真和全模型仿真的結(jié)果可知，前者造成繼電器線圈電壓波動(dòng)明顯大于后者，引起實(shí)際繼電器動(dòng)作的可能性也可能會(huì)更大，因此需要根據(jù)工程人員更大范圍地調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)才能降低電壓波動(dòng)，從而減小繼電器誤動(dòng)作的可能性。最后利用該平臺(tái)，分析了接地電阻和分布電容兩個(gè)重要參數(shù)對(duì)繼電器誤動(dòng)作的影響，并得到了不同參數(shù)與繼電線圈最大電壓波動(dòng)的關(guān)系曲線，這對(duì)于實(shí)際調(diào)試有一定的參考價(jià)值。

后續(xù)可利用搭建的半實(shí)物仿真平臺(tái)研究不同系統(tǒng)參數(shù)對(duì)于繼電器誤動(dòng)作的影響，達(dá)到通過(guò)調(diào)整變電站直流系統(tǒng)中各項(xiàng)參數(shù)去減少繼電器誤動(dòng)作的目標(biāo)。