一种电厂微机保护硬件在环试验平台和试验方法与流程

本发明涉及微机保护硬件试验，尤其涉及一种电厂微机保护硬件在环试验平台和试验方法。

背景技术：

1、核电厂的安全稳定运行直接决定了电力系统的可靠性，继电保护作为核电厂防御多类电气故障的最后一道屏障，其正确动作对于机组与电网的安全意义重大。然而，核电厂一次系统规模庞大、电压等级高，保护装置配置复杂，传统的离线仿真方法仅能进行静态分析，难以反映电磁暂态过程的动态特征。现场测试又受制于设备安全性与试验成本，几乎无法在真实电厂环境中开展全流程验证。因此，亟需构建一种兼具灵活性、安全性与自主可控性的核电厂试验平台，以适应试验验证及测试的实际需求。

2、已有研究表明，实时仿真与硬件在环平台能够在微秒级步长下重现复杂电磁暂态，并通过等效电流互感器二次量注入与电压互感器二次量注入以及装置开入开出构成闭环，使保护判据的选择性、速动性及配合时序在多场景下得到一致性检验。围绕典型耦合问题的试验也显示出良好解释力，针对串补装置与线路距离保护的相互影响，研究者在实时数字仿真器平台上完成系列补偿—距离保护耦合场景的硬件在环验证，证实了抑制措施对误判边界的约束效果。已有文献分别在风电系统和永磁同步发电机控制中给出了基于现场可编程门阵列与中央处理器协同以及dspace平台的半实物验证流程与全实物验证流程，为电力电子化场景下的保护提供了可复用范式。此外，围绕继电保护装置本体的实时验证，最新工作给出了实时数字仿真器与opal-rt协同的电磁暂态与机电暂态共仿真硬件在环流程，并以继电保护装置实物测试证明了方法的等效性与可移植性。同时，面向工程继电器的实时数字仿真器闭环测试则系统总结了建模、接口与用例设计要点，为装置级硬件在环评估提供了可复用范式。这些结果共同表明，在强电力电子耦合与多源并网背景下，基于实时仿真的硬件在环测试链路能够有效提升继电保护算法与装置的工程验证效率和跨平台适用性。

3、然而，从工程投入与测试边界来看，传统“全装置、全场景”的半实物与电力放大器方案往往需要高功率放大器、复杂耦合接口以及大量被测对象，导致成本与搭建复杂度上升，也不利于在核电厂等高安全等级场景进行快速复现与多轮回归。同时，断路器失灵保护作为站内近后备保护的最后一道防线，其动作定时与判据既受一次设备动态过程影响，又必须与发电机、变压器、母线、短引线及线路保护建立可靠的启动与出口配合关系；工程规范亦明确要求220kv及以上电压等级必须配置失灵保护，并对双母线等接线方式提出闭锁与逻辑要求，这凸显了断路器失灵保护跨专业、跨装置配合验证的必要性。单纯依赖离线仿真已难以在毫秒级时标上再现场内动作链路的一致性与交互性，无法满足微机保护研发对实时性、可回放与可度量的要求，也无法为断路器失灵保护与全站保护的配合边界提供可量化证据。此外，关键主设备已基本实现、测试工具链仍需自主化提速的产业诉求，进一步表明现有测试手段在实时性、可重复性和经济性方面仍存在不足。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术的不足，具体提供了一种电厂微机保护硬件在环试验平台和试验方法，具体如下：

2、1）第一方面，本发明提供一种电厂微机保护硬件在环试验平台，具体技术方案如下：

3、包括：第一上位机、实时仿真器、第一模拟断路器和电厂的微机保护硬件，第一模拟断路器与电厂的一次系统中的相邻线路断路器或母线侧断路器相对应；第一上位机用于：搭建电厂的一次系统的电磁暂态模型以及断路器失灵保护控制逻辑模型并进行编译后，发送至实时仿真器；实时仿真器用于：使用编译后的电磁暂态模型进行电磁暂态实时计算，得到模拟量信号，并输出至微机保护硬件；微机保护硬件用于：根据模拟量信号执行保护判据，当满足保护动作条件时，向实时仿真器输出用于控制本间隔断路器分闸的跳闸指令；实时仿真器还用于：根据跳闸指令，利用编译后的断路器失灵保护控制逻辑模型，判断本间隔断路器是否拒动，并在判断结果为是时，输出后备跳闸指令；第一模拟断路器用于：接收并执行后备跳闸指令，并向实时仿真器反馈第一模拟断路器的分合状态信号。

4、本发明提供的一种电厂微机保护硬件在环试验平台的有益效果如下：

5、第一上位机搭建的电厂一次系统的电磁暂态模型以及断路器失灵保护控制逻辑模型经编译后发送至实时仿真器运行，实时仿真器能够进行电磁暂态实时计算并输出模拟量信号至微机保护硬件，克服了传统离线仿真方法仅能进行静态分析而无法反映电磁暂态动态过程的缺陷，满足了微机保护研发对实时性的要求。同时，微机保护硬件根据模拟量信号执行保护判据并在满足条件时输出跳闸指令，实时仿真器根据跳闸指令利用断路器失灵保护控制逻辑模型判断本间隔断路器是否拒动并在判定拒动时输出后备跳闸指令至第一模拟断路器执行，以第一模拟断路器与电厂一次系统中的相邻线路断路器或母线侧断路器相对应的方式实现了对断路器拒动故障的后备切除，克服了现场测试受制于设备安全性与试验成本而无法在真实电厂环境中开展全流程验证的缺陷，为断路器失灵保护与全站保护的配合边界提供了可量化证据。此外，平台无需高功率放大器、复杂耦合接口以及大量被测对象，降低了硬件投入与搭建复杂度，满足了测试工具链自主化提速的产业诉求，并能够进行快速复现与多轮回归测试，提升了试验过程的可重复性。

6、2）第二方面，本发明还提供一种电厂微机保护硬件在环试验方法，具体技术方案如下：

7、使第一上位机搭建电厂的一次系统的电磁暂态模型以及断路器失灵保护控制逻辑模型，将电磁暂态模型和断路器失灵保护控制逻辑模型编译后发送至实时仿真器中；使实时仿真器利用编译后的电磁暂态模型进行电磁暂态实时计算，得到模拟量信号，并将模拟量信号输出至电厂的微机保护硬件；使微机保护硬件根据接收到的模拟量信号执行保护判据，当满足保护动作条件时，使微机保护硬件向实时仿真器输出用于控制本间隔断路器分闸的跳闸指令；使实时仿真器根据接收到的跳闸指令，利用编译后的断路器失灵保护控制逻辑模型判断本间隔断路器是否拒动，并在判断结果为拒动时输出后备跳闸指令；使第一模拟断路器接收并执行后备跳闸指令，并向实时仿真器反馈第一模拟断路器的分合状态信号，第一模拟断路器与电厂的一次系统中的相邻线路断路器或母线侧断路器相对应。

8、需要说明的是，本发明的第二方面的技术方案及对应的可能的实现方式所取得的有益效果，可以参见上述对第一方面及其对应的可能的实现方式的技术效果，此处不再赘述。

1.一种电厂微机保护硬件在环试验平台，其特征在于，包括：第一上位机、实时仿真器、第一模拟断路器和电厂的微机保护硬件，第一模拟断路器与电厂的一次系统中的相邻线路断路器或母线侧断路器相对应；

2.根据权利要求1所述的一种电厂微机保护硬件在环试验平台，其特征在于，还包括第二上位机，所述第二上位机与所述实时仿真器连接，所述第二上位机设置有人机交互界面，所述人机交互界面用于进行参数设置、故障注入、状态监控和保护动作分析，所述人机交互界面集成有一次系统的主接线与一次系统中的各断路器的分合状态信号的拓扑可视化模块、关键电气量的实时示波显示模块、可编程故障注入与时标记录模块以及动作事件与跳闸链路回溯模块，所述拓扑可视化模块从所述实时仿真器读取一次系统中的各断路器的分合状态信号或从所述微机保护硬件反馈的跳闸位置信号采集状态，以轮询触发和中断触发相结合的方式刷新界面显示，所述实时示波显示模块从所述实时仿真器采集关键电气量数据并标注故障时刻，所述可编程故障注入与时标记录模块向所述实时仿真器下发故障指令，并记录故障注入时刻、保护启动时刻和跳闸指令发出时刻，所述动作事件与跳闸链路回溯模块从所述实时仿真器采集一次系统中的各断路器的跳闸信号并按时间顺序生成跳闸链路图和回溯报告，所述人机交互界面还支持整定组切换、试验一键复位与场景重复运行。

3.根据权利要求1所述的一种电厂微机保护硬件在环试验平台，其特征在于，所述微机保护硬件包括发电机保护装置、变压器保护装置、母线保护装置、短引线保护装置和线路保护装置，所述发电机保护装置、所述变压器保护装置、所述母线保护装置、所述短引线保护装置和所述线路保护装置分别与所述实时仿真器连接，所述发电机保护装置用于根据所述模拟量信号执行发电机保护判据并在满足条件时输出跳闸指令，所述变压器保护装置用于根据所述模拟量信号执行变压器保护判据并在满足条件时输出跳闸指令，所述母线保护装置用于根据所述模拟量信号执行母线保护判据并在满足条件时输出跳闸指令，所述短引线保护装置用于根据所述模拟量信号执行短引线保护判据并在满足条件时输出跳闸指令，所述线路保护装置用于根据所述模拟量信号执行线路保护判据并在满足条件时输出跳闸指令。

4.根据权利要求1所述的一种电厂微机保护硬件在环试验平台，其特征在于，所述实时仿真器包括多核中央处理器、定时器卡、数字量卡、模拟量卡、高速网卡和系统总线，所述多核中央处理器、所述定时器卡、所述数字量卡、所述模拟量卡和所述高速网卡分别与所述系统总线连接，所述高速网卡通过以太网与所述第一上位机连接以接收编译后的所述电磁暂态模型和编译后的所述断路器失灵保护控制逻辑模型，所述定时器卡用于向所述多核中央处理器提供统一的时间基准信号以协调各任务的时间步长，所述多核中央处理器用于执行编译后的所述电磁暂态模型和编译后的所述断路器失灵保护控制逻辑模型的实时运算，在执行编译后的所述电磁暂态模型的实时运算后得到模拟量信号，在执行编译后的所述断路器失灵保护控制逻辑模型的实时运算的过程中根据所述跳闸指令判断所述本间隔断路器是否拒动，并在判断结果为是时生成所述后备跳闸指令，所述模拟量卡通过模拟量输出接口与所述微机保护硬件连接以发送所述模拟量信号，所述数字量卡通过数字量输入接口与所述微机保护硬件连接以接收所述跳闸指令，所述数字量卡通过数字量输出接口与第一模拟断路器连接以发送所述后备跳闸指令。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种电厂微机保护硬件在环试验平台，其特征在于，还包括功率放大器，所述功率放大器连接于所述实时仿真器与所述微机保护硬件之间，所述实时仿真器输出的所述模拟量信号经所述功率放大器进行幅值提升后输出至所述微机保护硬件。

6.一种电厂微机保护硬件在环试验方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的一种电厂微机保护硬件在环试验方法，其特征在于，使第二上位机设置人机交互界面，通过所述人机交互界面进行参数设置、故障注入、状态监控和保护动作分析；所述人机交互界面集成有一次系统的主接线与一次系统中的各断路器的分合状态信号的拓扑可视化模块、关键电气量的实时示波显示模块、可编程故障注入与时标记录模块以及动作事件与跳闸链路回溯模块；使所述拓扑可视化模块从所述实时仿真器读取一次系统中的各断路器的分合状态信号或从所述微机保护硬件反馈的跳闸位置信号采集状态，以轮询触发和中断触发相结合的方式刷新界面显示；使所述实时示波显示模块从所述实时仿真器采集关键电气量数据并标注故障时刻；使所述可编程故障注入与时标记录模块向所述实时仿真器下发故障指令，并记录故障注入时刻、保护启动时刻和跳闸指令发出时刻；使所述动作事件与跳闸链路回溯模块从所述实时仿真器采集一次系统中的各断路器的跳闸信号并按时间顺序生成跳闸链路图和回溯报告；所述人机交互界面还支持整定组切换、试验一键复位与场景重复运行。

8.根据权利要求6所述的一种电厂微机保护硬件在环试验方法，其特征在于，所述微机保护硬件包括发电机保护装置、变压器保护装置、母线保护装置、短引线保护装置和线路保护装置，所述发电机保护装置、所述变压器保护装置、所述母线保护装置、所述短引线保护装置和所述线路保护装置分别与所述实时仿真器连接，所述发电机保护装置用于根据所述模拟量信号执行发电机保护判据并在满足条件时输出跳闸指令，所述变压器保护装置用于根据所述模拟量信号执行变压器保护判据并在满足条件时输出跳闸指令，所述母线保护装置用于根据所述模拟量信号执行母线保护判据并在满足条件时输出跳闸指令，所述短引线保护装置用于根据所述模拟量信号执行短引线保护判据并在满足条件时输出跳闸指令，所述线路保护装置用于根据所述模拟量信号执行线路保护判据并在满足条件时输出跳闸指令。

9.根据权利要求6所述的一种电厂微机保护硬件在环试验方法，其特征在于，所述实时仿真器包括多核中央处理器、定时器卡、数字量卡、模拟量卡、高速网卡和系统总线，所述多核中央处理器、所述定时器卡、所述数字量卡、所述模拟量卡和所述高速网卡分别与所述系统总线连接，所述高速网卡通过以太网与所述第一上位机连接以接收编译后的所述电磁暂态模型和编译后的所述断路器失灵保护控制逻辑模型，所述定时器卡用于向所述多核中央处理器提供统一的时间基准信号以协调各任务的时间步长，所述多核中央处理器用于执行编译后的所述电磁暂态模型和编译后的所述断路器失灵保护控制逻辑模型的实时运算，在执行编译后的所述电磁暂态模型的实时运算后得到模拟量信号，在执行编译后的所述断路器失灵保护控制逻辑模型的实时运算的过程中根据所述跳闸指令判断所述本间隔断路器是否拒动，并在判断结果为是时生成所述后备跳闸指令，所述模拟量卡通过模拟量输出接口与所述微机保护硬件连接以发送所述模拟量信号，所述数字量卡通过数字量输入接口与所述微机保护硬件连接以接收所述跳闸指令，所述数字量卡通过数字量输出接口与第一模拟断路器连接以发送所述后备跳闸指令。

10.根据权利要求6至9任一项所述的一种电厂微机保护硬件在环试验方法，其特征在于，将所述模拟量信号输出至所述微机保护硬件之前，还包括：将所述模拟量信号经功率放大器进行幅值提升，再将幅值提升后的所述模拟量信号输出至所述微机保护硬件。