继电保护装置仿真测试系统的制作方法

本发明涉及电力系统仿真测试技术领域，特别涉及一种继电保护装置仿真测试系统。

背景技术：

电力系统继电保护装置通过检测电力系统中发生的故障或异常情况，发出跳闸命令或报警信号，将故障部分隔离、切除。继电保护装置的有效、可靠运行直接关系到电网的安全。通常，110kv(千伏)及以上电压等级的继电保护装置出厂及入网必须通过静模测试和动模测试。其中，动模测试即动态模拟试验，通过在实时仿真机或实际等值系统上模拟实际电力系统的各种运行工况及故障状态，对在电力系统中运行的保护和控制装置的功能和性能进行考核，以保证保护和控制装置在现场的可靠运行。

发明人发现相关技术至少存在以下问题：目前，现有技术在进行继电保护装置动模测试时，单台实时仿真机所模拟的电网系统规模小，测试设备复杂，并且不能同时测试多台传统继电保护装置和智能化继电保护装置。

技术实现要素：

本发明实施方式的目的在于提供一种继电保护装置仿真测试系统，可以实现大规模电力系统建模仿真，同时满足多台传统以及智能化继电保护装置的测试，并且结构简单、易于实现。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种继电保护装置仿真测试系统，包括：

上位机，用于基于rt-lab搭建电力系统模型；

与所述上位机通信连接的rt-lab仿真机，用于实时运行所述电力系统模型；

与所述仿真机以及第一类型待测继电保护装置连接的功率放大器，用于将所述仿真机输出的所述电力系统模型中的电压、电流信号放大至所述第一类型待测继电保护装置的电压、电流信号范围；

与所述仿真机以及所述第一类型待测继电保护装置连接的信号转换装置，用于对所述第一类型待测继电保护装置和所述仿真机之间传输的信号进行调理；以及

与所述仿真机以及第二类型待测继电保护装置连接的交换机，用于对所述仿真机以及所述第二类型待测继电保护装置之间传输的信号进行转换。

本发明实施方式相对于现有技术而言，在上位机中基于rt-lab搭建电力系统模型，在rt-lab仿真机中运行该电力系统模型，因此能够快速全面地开发电力系统模型，实现简便、更贴合实际地模拟传统继电保护装置和智能化继电保护装置所在的电网环境。rt-lab仿真机通过功率放大器以及信号转换装置连接多台第一类型待测继电保护装置(即传统继电保护装置)，通过交换机连接多台第二类型待测继电保护装置(即智能化继电保护装置)，从而使得rt-lab仿真机可以同时满足多台传统以及智能化继电保护装置的测试。

作为一个实施例，所述仿真机还用于将所述电力系统模型划分为n个子系统，且并行运行所述n个子系统；其中，n为大于1的自然数。通过将整个电力系统模型划分为多个子系统并且各子系统并行运行，从而可以在增加电力系统仿真模型的规模的前提下，保证较小的仿真步长，满足大规模电网系统环境下的多台继电保护装置的动模测试需求。

作为一个实施例，各所述子系统之间通过共享内存进行数据交互。从而可以保证各子系统之间数据的高速交互，保证仿真机的实时性。然不限于此。

作为一个实施例，所述电力系统模型还包括解耦模块，用于对以下一者或其任意组合解耦：各子系统之间的线路、子系统内部的线路或者节点。从而可以大幅降低仿真机软硬件资源占用率，在仿真步长不变的情况下可以扩大仿真规模。

作为一个实施例，所述仿真机还用于采用高阶求解器对所述电力系统模型求解。

作为一个实施例，所述高阶求解器为5阶求解器。从而可以有效提高电力系统模型仿真计算结果的准确性，避免了因提高仿真精度而缩减仿真模型规模的情况发生。

作为一个实施例，各子系统内的节点数在预设范围内。

作为一个实施例，各个子系统内的单相节点数大于或者等于75且小于或者等于90。

作为一个实施例，所述信号转换装置包括：开关量至数字量转换电路以及数字量至开关量转换电路；

所述仿真机的数字量输入接口通过所述开关量至数字量转换电路与所述第一类型待测继电保护装置的开关量输出接口连接；

所述仿真机的数字量输出接口通过所述数字量至开关量转换电路与所述第一类型待测继电保护装置的开关量输入接口连接。

作为一个实施例，所述交换机用于将所述仿真机输出的所述电力系统模型中的各节点的信息和开关状态信号转换为光信号并传输给所述第二类型继电保护装置，同时将所述第二类型继电保护装置的开关动作信号转换为以太网电信号传输给所述电力系统模型。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式中的继电保护装置仿真测试系统的结构示意图；

图2是根据本发明第二实施方式中的电力系统模型的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种继电保护装置仿真测试系统，该系统包括：上位机，用于基于rt-lab搭建电力系统模型；与上位机通信连接的rt-lab仿真机，用于实时运行电力系统模型；与仿真机以及第一类型待测继电保护装置连接的功率放大器，用于将仿真机输出的电力系统模型中的电压、电流信号放大至第一类型待测继电保护装置的电压、电流信号范围；与仿真机以及第一类型待测继电保护装置连接的信号转换装置，用于对第一类型待测继电保护装置和仿真机之间传输的信号进行调理；以及与仿真机以及第二类型待测继电保护装置连接的交换机，用于对仿真机以及第二类型待测继电保护装置之间传输的信号进行转换。本发明实施方式相对于现有技术而言，在上位机中基于rt-lab搭建电力系统模型，在rt-lab仿真机中运行该电力系统模型，因此能够快速全面地开发电力系统模型，实现简便、更贴合实际地模拟传统继电保护装置和智能化继电保护装置所在的电网环境。rt-lab仿真机通过功率放大器以及信号转换装置连接多台第一类型待测继电保护装置(即传统继电保护装置)，通过交换机连接多台第二类型待测继电保护装置(即智能化继电保护装置)，从而使得rt-lab仿真机可以同时满足多台传统以及智能化继电保护装置的测试。

下面对本实施方式的继电保护装置仿真测试系统的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

请参阅图1，本实施方式的继电保护装置仿真测试系统包括：上位机100、rt-lab仿真机101、功率放大器102、信号转换装置103以及交换机104。

其中，上位机100具体用于在rt-lab环境中搭建、编译电力系统模型。电力系统例如为高压输电网系统模型，然不限于此。上位机100可以通过udp(userdatagramprotocol，用户数据报协议)/ip(internetprotocol，网络之间互连的协议)等的传输协议将搭建的电力系统模型传输到rt-lab仿真机中运行。本实施方式对于上位机以及rt-lab仿真机之间的通信方式不做具体限制。

本实施方式可以同时对传统继电保护装置和智能化继电保护装置进行动态模拟测试。其中，rt-lab仿真机101通过功率放大器102以及信号转换装置103与第一类型待测继电保护装置(即传统继电保护装置)连接。具体地，仿真机101包括电压、电流模拟信号输出接口ao，用于输出电力系统仿真模型中各节点的电压、电流信号，功率放大器102的第一端口ai(模拟量输入接口)与仿真机的电压、电流模拟信号输出接口ao连接，功率放大器的第二端口pao(放大后的模拟量输出接口)与传统继电保护装置的电压、电流通道连接。其中，功率放大器102实现对rt-lab仿真机101中动态模拟的电力系统模型中的各节点的电压、电流信号放大，以匹配传统继保装置的电压、电流输入通道的输入范围。仿真机101还包括：数字量输入接口di以及数字量输出接口do，信号转换装置103包括：开关量至数字量转换电路b2d(binarytodigital,二进制开关量转数字量，亦称b2d)以及数字量至开关量转换电路d2b(digitaltobinary,数字量转二进制开关量，亦称d2b)。仿真机101的数字量输入接口di通过开关量至数字量转换电路b2d与第一类型待测继电保护装置的开关量输出接口(即开出端口)连接,仿真机101的数字量输出接口do通过数字量至开关量转换电路d2b与第一类型待测继电保护装置的开关量输入接口(即开入端口)连接。在实际应用中，信号转换装置可以通过直流电源、固态继电器电路、隔离与保护电路对rt-lab仿真机输出的状态信号和传统继电保护装置输出的控制信号进行调理，使传统继电保护装置的开关信号能够与仿真机输出的电平信号兼容。因此，通过功率放大器以及信号转换装置使得继电保护装置仿真测试系统能够支持传统继电保护装置的测试。此外，交换机104用于将仿真机101输出的电力系统模型中的各节点的信息和开关状态信号转换为光信号并传输给第二类型继电保护装置，同时将第二类型继电保护装置的开关动作信号转换为以太网电信号传输给电力系统模型。具体地，仿真机101还可以包括千兆以太网卡接口(简称网口)，智能化继电保护装置可以包括千兆光通信接口(简称光口)。交换机可以包含千兆以太网口和千兆光口，从而实现rt-lab仿真机的以太网口和智能化继电保护装置的光口之间信号互连与转换，将rt-lab仿真机中动态模拟的电力系统模型中各节点的信息和开关状态信号转换为光信号并传输给智能化继电保护装置，同时将智能化继电保护装置的开关动作信号转换为以太网电信号并传输给rt-lab仿真机。

需要说明的是，在实际应用中，电力系统模型可以包括多种电力设备模型，包括但不限于：高压输电线路模型、高压变压器模型、高压母线模型、高压断路器模型、高压电抗器模型、高压电容器模型、电压互感器模型、电流互感器模型、电力系统故障与录波模型。

所述传统继保装置和智能化继保装置，可以包括高压输电线路继保装置、高压变压器继保装置、高压母线继保装置、高压断路器继保装置、高压电抗器继保装置、高压电容器继保装置。本实施方式的继电保护装置仿真测试系统可以同时接入多种型号的传统继保装置以及智能化继保装置，分别对高压输电网系统中不同位置、不同功能的继保装置同时进行动模测试。

本实施方式的继电保护装置仿真测试系统使用方法如下：

s11：将待测的传统继保装置和、或智能化继保装置接入继电保护装置仿真测试系统。

s12：在上位机rt-lab中搭建、编译高压输电网系统模型和与待测继保装置相应的电力设备模型，编译完成的电力系统模型通过udp/ip传输到rt-lab仿真机中实时运行，实现对高压输电网系统中各种电力设备的动态模拟。

s13：rt-lab仿真机通过ao接口输出动态模拟的电力系统模型中各节点的电压和电流，通过do口发送电力系统模型中的开关状态信号，通过以太网口发送电力系统模型中各节点的信息和开关状态信号。

s14：传统继保装置接收经功率放大器放大后的电压、电流和经信号转换装置调理后的开关状态信号，并发出开关动作信号。智能化继保装置接收经交换机变送后的电压、电流和开关状态信号，并发出开关动作信号。

s15：继保装置发出的开关动作信号经信号转换装置调理或经交换机变送后反馈给rt-lab仿真机，控制动态模拟的电力系统模型中相应的断路器动作，完成一次动模测试。

在上述测试过程中，上位机可随时向rt-lab仿真机发送命令，改变测试工况、设置故障点信息和控制故障录波，并接收仿真机返回的测试数据和录波文件。

本实施方式与现有技术相比，基于rt-lab实时仿真系统搭建的继电保护装置动模测试系统，动模测试系统硬件实现简便、拓展灵活，可对高压输电网系统中各种型号、各种功能的传统继保装置或智能化继保装置进行动模测试，继保装置生产厂商可根据动模测试结果排查各种型号继保装置的缺陷、完善或优化继保装置的性能，有效节省开发成本；电网公司可根据动模测试结果判断继保装置是否可以入网，避免因继保装置存在缺陷而导致电网事故。

本发明的第二实施方式涉及一种继电保护装置仿真测试系统，本实施方式在第一实施方式的基础上做出改进，主要改进之处在于：在第二实施方式中，通过采用并行仿真的方式等进一步提升了仿真规模以及仿真实时性。

一般而言，实时仿真机软硬件资源有限，这样搭建的电力系统模型和电力设备模型在模型规模和模型的实时性上不能同时满足要求或提升，即如果模型规模增大，则仿真步长也会增大，导致实时性变差。但电力系统模型的典型仿真步长为50us(微秒)，因此，过大的仿真步长会影响仿真结果的准确性，进而影响动模测试结果。针对上述问题，本实施方式提供了以下方案。

请参阅图1、2，本实施方式中，仿真机还用于将电力系统模型划分为n个子系统，且并行运行n个子系统，即各子系统在不同的cpu(centralprocessingunit,中央处理单元)上进行仿真运算。其中，n为大于1的自然数。举例而言，n可以等于3，即将整个电力系统模型划分为3个子系统。值得一提的是，在对电力系统模型进行划分时，可以根据节点数限制各子系统的规模，即各子系统内的节点数需要在最大预设范围内。作为举例而非限制，各子系统内的单相节点数可以大于或者等于75且小于或者等于90，等价地，若为三相节点，则各子系统内的三相节点数可以大于或者等于25且小于或者等于30。通过将整个电力系统模型划分为多个子系统并且各子系统并行运行，从而可以在增加电力系统仿真模型的规模的前提下，保证较小的仿真步长(例如仿真步长不超过50us)，满足大规模电网系统环境下的继电保护装置的动模测试需求。

进一步地，各子系统之间可以通过共享内存进行数据交互，从而保证各子系统之间数据的高速交互，保证仿真机的实时性。然不限于此。

在一个例子中，电力系统模型还可以包括解耦模块，用于对以下一者或其任意组合解耦：各子系统之间的线路、子系统内部的线路或者节点。具体地，可以采用rt-lab中的artemis解耦功能进行解耦。解耦并不改变电力系统模型原有结构或连接关系，而是针对电磁暂态仿真计算过程中(即电力系统仿真模型运行过程中)产生的稀疏矩阵进行优化求解，由于稀疏矩阵的计算量大大降低，所以可以大幅降低仿真机软硬件资源占用率，在仿真步长不变的情况下可以扩大仿真规模。

值得一提的是，仿真机还可以采用高阶求解器对电力系统模型求解。作为举例而非限制，可以采用5阶求解器进行求解。使用5阶高阶求解器替代传统的2阶求解器，可以有效提高电力系统模型仿真计算结果的准确性，避免了因提高仿真精度而缩减仿真模型规模的情况发生。

本实施方式的继电保护装置仿真测试系统使用方法如下：

s21.将待测的传统继保装置和、或智能化继保装置接入继电保护装置仿真测试系统。

s22.在上位机rt-lab中搭建、编译高压输电网系统模型和与待测继保装置相应的电力设备模型，根据模型规模进行子系统划分、模型解耦，并且采用5阶高阶求解器求解，编译完成的电力系统模型通过udp/ip传输到rt-lab仿真机中实时运行，实现对高压输电网系统中各种电力设备的动态模拟。

s23.rt-lab仿真机通过ao接口输出动态模拟的电力系统模型中各节点的电压和电流，通过do口发送电力系统中的开关状态信号，通过以太网口发送电力系统中各节点的信息和开关状态信号。

s24.传统继保装置接收经功率放大器放大后的电压、电流和经信号转换装置调理后的开关状态信号，并发出开关动作信号。智能化继保装置接收经交换机变送后的电压、电流和开关状态信号，并发出开关动作信号。

s25.继保装置发出的开关动作信号经信号转换装置调理或经交换机变送后反馈给rt-lab仿真机，控制动态模拟的电力系统模型中相应的断路器动作，完成一次动模测试。

本发明实施方式相对于现有技术而言，基于rt-lab实时仿真系统搭建继电保护装置动模测试系统，动模测试系统硬件实现简便、拓展灵活，通过引入多cpu并行仿真计算、模型解耦、5阶高阶求解器求解技术，解决了电力系统仿真模型规模和模型的实时性难以同时满足或提升的问题。可对高压输电网系统中各种型号、各种功能的传统继保装置或智能化继保装置进行动模测试，继保装置生产厂商可根据动模测试结果排查各种型号继保装置的缺陷、完善或优化继保装置的性能，有效节省开发成本；电网公司可根据动模测试结果判断继保装置是否可以入网，避免因继保装置存在缺陷而导致电网事故。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。