继电保护原理仿真系统

继电保护原理仿真系统（共9篇）

继电保护原理仿真系统 篇1

在现代电力系统中,仿真已经成为开发、运行、维护继电保护装置必不可少的工具。但是,这些仿真系统大多只能实现对继电保护装置部分功能的仿真, 即仿真是不完全的、 彻底的。 随着计算机和通信技术的发展,基于平台技术的开发模式得到了运用,各种类型的继电保护装置开发自统一的平台, 这样降低了开发的投入,缩短了开发的周期,提高了开发的质量[1]。 平台技术的运用, 为完全仿真各种类型的继电保护装置打下了坚实的技术基础。

1平台开发技术

1.1平台开发的原理

在对变压器保护、母线保护、线路保护等主要继电保护装置的特征和功能进行分析后, 可以得出这些装置具有很多共性的地方:

(1) 具有模拟量输入和开关量输入, 模拟量输出和开关量输出,面板信号灯等;

(2) 具有保护定值、保护压板,并配置遥测、遥信、 遥控、保护事件、告警等信息。

(3) 简单的保护逻辑可以由多个逻辑图元通过连线组合成一张逻辑图。 复杂的保护逻辑可以通过算法图元(编写逻辑算法函数)来实现[1,2]。

由此,可以将一台保护装置分解为硬件配置、软件属性和保护逻辑3个部分,如图1所示。

硬件配置描述组成保护装置的硬件特征。 这些硬件特征包括模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出和面板信号灯等。 使用配置工具软件进行硬件资源配置。

软件属性描述保护装置的软件特征。 这些软件特征包括保护定值、保护压板、事件与告警、装置录波通道、遥测遥信遥控配置等。使用配置工具软件进行软件属性配置。

保护逻辑由逻辑图和图元函数构成。 每个逻辑图元都有2个函数:初始化函数和周期扫描函数。算法图元的函数开放给开发人员编写, 以实现复杂的保护逻辑,其他图元的函数则在平台中实现。使用逻辑图工具软件绘制保护逻辑图。 一个过流保护逻辑图的实例如图2所示。

由图2可见,保护逻辑图由输入图元、算法图元、 过程图元和输出图元组成,从左至右,很直观地描述数据的处理过程和流向。 “相电流过流”算法图元有5个输入和6个输出。 当“过流保护控制字”投入,A相、B相、C相电流有一相或多相大于 “相电流过流定值”的时候,经过“相电流过流延时”定时器,并经“保护压板” 的闭锁,输出“相电流过流动作”信号、“相电流过流保护”事件。

1.2平台开发的软件

平台开发的软件由PC侧工具软件和装置侧支撑软件2个部分组成[1]。

(1) PC侧工具软件。 配置工具软件完成装置硬件和软件资源的配置, 并输出硬件和软件资源配置文件。逻辑图工具软件完成保护逻辑图的绘制,并输出顺序化的逻辑图信息文件。

(2) 装置侧支撑软件。 装置侧支撑软件负责读取硬件配置、软件属性和保护逻辑图信息,调用逻辑图元的初始化函数进行图元的初始化, 并在一个或多个采样中断到来时按照图元的连接顺序依次执行每个逻辑图元的扫描函数。 装置侧支撑软件是平台开发技术的核心,驱动着所有逻辑图元根据输入计算输出。上一个图元根据输入计算其输出, 连接的下一个图元又把上一个图元的输出作为输入计算其输出……当所有图元计算完成后,也就得到了最终的输出结果。

1.3平台开发的特点

(1) 广泛的适用性。 平台开发具有广泛的适用性。 适用于线路保护、母线及失灵保护、变压器保护、发变组保护、短引线保护、电抗器保护、电容器保护等各类保护装置的开发。

(2) 可视化与易用性。 平台开发采用可视化的工具软件,化繁为简,将复杂的保护逻辑转换为直观的逻辑图表达,易于使用和维护[1,3]。

(3) 良好的经济性。 在同一个平台上就可以开发出各种类型的保护装置,极大提高开发的效率、缩短开发的周期、减少开发费用与投入。

2全功能数字仿真系统

平台开发技术具有的通用性和先进性,为基于平台开发的继电保护装置的全功能数字仿真创造了条件。

2.1设计

2.1.1数字仿真系统的设计目标

(1) 仿真系统的结果要正确无误,这是首要条件。 如果仿真的结果与实际装置有差异, 仿真也就失去了现实意义。

(2) 仿真系统是对保护装置全部功能的仿真 ,不只是保护逻辑的仿真。保护装置具有的功能,仿真系统都必须实现。

(3) 仿真系统界面友好、容易使用。 采用可视化和图形化的界面,能够直观的进行仿真、测试、分析。

2.1.2设计方案

按照平台开发技术的思想, 要实现保护装置的仿真,最关键的是要在仿真系统中实现装置侧支撑软件。 此外,需要模拟装置的输入与输出,例如模拟采样中断和跳闸开出。 为了保证仿真结果与保护装置完全一致, 仿真系统使用保护装置中同样的文件, 包括硬件配置文件、 软件属性文件、 逻辑图信息文件和算法函数文件。 数字仿真系统的架构设计如图3所示。

(1) 平台支撑软件是整个仿真系统的核心, 使用装置的硬件配置、软件属性、保护逻辑图和经过编译的算法等文件,构建虚拟保护装置。 并对外提供虚拟装置的输入和输出接口。

(2) 输入接口提供多种类型的数据输入, 包括保护测试仪、 故障录波文件、PSCAD软件输入等模拟量和开关量输入;保护功能投退信息、保护定值整定数据和保护压板投退状态。

(3) 输出接口提供多种类型的数据输出 , 包括模拟量输出、开关量输出(跳闸和发信)、面板信号灯、输出数据到PSCAD软件;保护事件、装置告警、遥测、遥信、遥脉和录波记录文件。

(4) 以项目的形式来管理仿真相关的文件 ; 对录波记录文件可进行曲线分析、谐波分析和矢量分析;通过共享内存机制,完成与虚拟装置的数据交换,实现通信仿真。

2.2数字仿真系统的实现

2.2.1算法函数文件编译

算法函数文件采用C语言编写,为了能够实时启动和停止仿真, 所有算法函数文件编译成可动态链接的dll文件。 在软件中要找到算法的初始化函数,需要在函数前加入 __declspec(dllexport)声明,声明为导出函数。具体的编译步骤如下:(1) 根据添加到仿真项目的算法源文件, 生成Visual C++ 6.0动态链接库项目的Makefile文件 ; (2) 调用Visual C ++ 6.0的工具nmake.exe执行编译;(3) 通过Windows的管道机制, 获取nmake编译的输出结果, 显示到软件界面;(4) 分析最后输出的结果,获知编译成功或失败。

2.2.2模拟采样中断

实际保护装置中, 逻辑图是靠毫秒级的采样中断来驱动的。仿真系统软件做不到这么高实时性,但是需要保证时间的精度。 为此,采用Windows的多媒体定时器来模拟采样中断,实现毫秒级的定时服务。具体实现时 , 需要包含 头文件 “mmsystem.h” 和库文件 “winmm.lib”。 在定时器处理函数中,进行采样通道的傅氏运算,驱动逻辑图扫描。

2.2.3平台支撑软件

平台支撑软件实现装置侧支撑软件同样的功能, 主要功能模块如表1所示。 仿真处理的基本流程如图4所示。

逻辑图扫描的处理流程如下:(1) 至扫描标志,防止重入;(2) 若采样函数被设置,执行采样函数,否则执行默认采样函数;(3) 采样节拍加1;(4) 遍历保护逻辑图, 如果采样节拍到, 则执行周期扫描函数;(5) 记录该节拍的通道数据,用于后续录波使用;(6) 若开出函数被设置,执行开出函数;(7) 清扫描标志,程序返回。

2.2.4仿真测试工具

为验证、分析仿真结果,本系统实现了2种仿真测试工具,保护测试仪和批量波形输入。

(1) 保护测试仪。 为方便测试,保护测试仪提供2种工作模式:1输出单个状态。 输出的模拟量和数字量为单一状态,通过设置变化步长,人工加减实现输出的变化。 2输出状态序列。 输出的模拟量和数字量为多个状态组成的序列,每种状态可设置保持时间,时间结束后切换到下一个状态输出,自动实现输出的变化。 保护测试仪启动后,注册采样函数,替换默认的采样函数。这个采样函数在逻辑图扫描时被调用,用保护测试仪输出的值填入装置的采样缓冲区,达到测试目的。

(2) 批量波形输入。 保护装置记录的故障波形或RTDS、动模测试的实验波形 ,可以批量的输入到虚拟装置,验证保护的动作逻辑。 为了能够通用,输入的波形要求是COMTRADE格式的。 实现批量波形输入, 要注意如下几点:1进行录波数据通道与虚拟装置输入通道的匹配; 2录波数据前几个周波如果数值较大,为了反映真实情况,需要在前面加几个波形平滑处理;3一个录波文件输入完成后,要延时等待一段时间,等保护动作复归后,再导入下一个录波文件。

2.2.5IEC61850通信仿真

仿真系统较多用于智能变电站的高压保护, 所以只提供IEC 61850的通信仿真。IEC 61850通信程序是一个独立进程, 通过共享内存与仿真系统进行数据交换。 IEC 61850通信进程将要读或写的数据类型、数据的序号或数据的值等参数传递给仿真系统, 仿真系统再根据参数将数据值或写结果传递给IEC 61850通信进程[4]。

IEC 61850通信仿真, 主要有如下用途:(1) 验证装置的ICD模型文件;(2) 模拟装置数据, 测试IEC 61850客户端。

2.3数字仿真系统的应用

目前, 数字仿真系统在公司高低压继电保护装置的开发、测试、分析等多个方面得到了广泛应用。

2.3.1数字仿真系统主要用途

(1) 可抛开硬件,在PC机上进行新产品的开发或已有产品的完善。

(2) 可对用户进行培训 , 使他们尽快掌握保护装置的设置和调试。

(3)故障波形实时回放、分析,协助解决现场问题。

(4) 借助Visual C++ 软件, 实现算法文件的源码级调试。

(5) 与PSCAD系统仿真软件进行数据交换 ,可在PSCAD中模拟故障发生,研究保护算法。

2.3.2PST671U变压器仿真实例

以PST671U变压器保护仿真为例,说明数字仿真系统的应用流程。

(1) 新建 “PST 671U变压器保护”仿真工程,选定硬件配置文件hwcfg.ehc、 软件属性文件swcfg.esc、逻辑图信息文件logic.egs。

(2) 添加变压器保护的所有算法函数文件 , 启动算法编译,生成动态链接库suanfa.dll。

(3) 设置项目参数 ,包括逻辑图扫描速度 、生成录波时是否提示、是否启动IEC 61850通信仿真等。

(4) 启动仿真,若失败给出错误提示信息 ,排查错误后,重新启动仿真,直到成功为止。

(5) 仿真启动后 , 就可以进行保护功能的测试 。 1保护参数的设置。 包括保护功能投退、保护压板投退和保护定值整定。 比如我们要做差动保护的测试,首先要投入差动保护功能,然后投入差动保护出口压板, 最后整定差动保护动作定值,投入差动速断、二次谐波制动、CT断线闭锁等控制字。 2保护功能的测试。 打开保护测试仪或批量波形输入工具, 设置保护模拟量和数字量的输入值,比如填写三相电压、电流的幅值和相角,启动测试。 3仿真结果的分析。 启动保护测试后,通过最近事件窗口、开入开出量、装置面板信号灯等获知保护告警或动作事件的发生, 以此判断保护动作行为是否正确。 通过分析录波记录文件,可更详细的分析仿真结果。

(6) 保护功能测试完成后 ,停止仿真 ,保存仿真项目,退出系统。

3结束语

本文从开发原理、 开发软件及开发特点3个方面介绍了继电保护装置的平台开发技术。 基于这一平台技术, 给出了一种继电保护装置全功能数字仿真的方案,并详细阐述了该系统的设计、实现和应用。 实际使用情况表明了此方案的正确性。 为保证仿真结果与实际装置完全一致, 仿真系统使用实际装置中同样的文件,这是保证仿真效果的关键。

参考文献

[1]张云,尹秋帆,胡道徐.继电保护装置开发平台软件系统架构与设计[J].电力系统及其自动化学报,2005,17(4):20-23.

[2]王胜,王家华,兰金波.图形化保护的原理与实现[J].电力自动化设备,2004,24(2):76-78.

[3]仲伟,丁宁,吴参林,等.图形化编程的继电保护软件平台设计[J].电力系统保护与控制,2011,39(3):100-104.

[4]胡再超,姚亮,张尧.智能继电保护装置的自动测试方法[J].江苏电机工程,2013,32(1):53-55,58.

继电保护原理仿真系统 篇2

南京热电厂是建厂较早的老企业，目前的岗位培训还属于真机现场培训制，在对事故预想及应变能力的培训环节上比较薄弱。针对现状，在投资较少的条件下，对电厂电气部分局部仿真及事故预想培训机进行研制。继电保护仿真系统的功能

本软件系统的开发被列入江苏省电力局1998年科技攻关项目。此次开发本着节约资源、充分利用软件环境的原则，讲求实用性，以期达到最佳效果。开发任务旨在进行局域仿真，重点是培训运行人员处理事故的应变能力，所以研制工作是基于电气继电保护动作逻辑深入展开的。

考察保护的种类，分为快速保护和延时动作保护2种。快速保护包括一些0 s动作的主保护（差动、定子接地等）和动作时间很短的后备保护，对于这些保护的仿真要求体现其快速性。我们的设计策略是不通过故障电流计算，直接启动分闸逻辑，这就是逻辑判别法。延时动作保护是延时时间超过3 s的后备保护，这些保护的仿真实现要以故障计算得到的模拟量为判据（这相当于PT．＆CT．的采集量），通过计算机的逻辑比较（相当于继电器行为），决定保护的动作延时时间和方式，这就是定值判别法。在教练员设置一定的故障后，系统就可以使相应的保护动作，从而启动动作逻辑使相应的断路器动作和声光信号，在CRT虚拟平台上营造出事故现场的效果，受训学员对此进行判断，并作出应急的措施，达到仿真培训的目的。继电保护仿真系统的研制

本软件的核心模块是根据各台机组所设置的保护而编制的。将全厂主设备的保护分为机变保护、母线保护、线路保护、厂用电系统保护、开关失灵保护5类，对每类保护按照其特点逐一制定仿真方案。

机变保护包括发电机和主变的各种保护，这类保护较为复杂，可按照机变保护的设置情况对主保护和后备保护分别用逻辑法和定值法进行仿真。母线保护主要是母差保护，他是一种快速保护，用逻辑判断对他进行仿真。线路保护主要有高频、距离、零序、重合闸，这些保护都需要用故障计算来决定动作方式。厂用电系统的特点是保护原理简单、设备繁多、接线复杂，而其故障种类却很少。对该特殊模块，采用了例举法进行仿真，即收集所有种故障发生时的状况存储于数据库中，现时调用数据库即可。开关保护只仿真他的失灵保护，逻辑很简单，通过系统接线的网络拓朴，本着将故障点隔离的原则，完成开关逻辑的实现。失灵保护与其他保护配合使用，在设备保护动作而开关失灵的状态下，启动这一逻辑过程。2．1 系统框图

仿真培训系统在微机上实现软平台操作，其组成如图1所示。

主模块存储着继保动作逻辑，以此为中心，调度整个系统。I／O模块提供人机界面，教练员作为一个系统管理员可以通过I／O模块设置各类故障，修改一次主接线运行方式、二次系统保护投退状态。受训学员通过I／O模块接收事故信息，作出反应，发出指令修改系统数据。而这些系统信息存储于各数据库中，一次系统数据库中储存着发电机、主变、开关的电气参数、运行数据、动作状态等信息；二次系统数据库中储存着保护配置、投入状态、动作形式，并提供了访问接口。主模块进行综合调用，加以逻辑处理后，驱动声光信号和修改数据。

2．2 仿真逻辑流程

本系统运行流程如图2，基本上按保护种类进行操作。软件主界面有各个设备图形的主接线图，教练员级的用户可通过菜单设置故障，系统将采用不同的方式进行保护动作模拟，在界面上改变设备状态显示。学员利用界面控件处理模拟事故，从而形成一套完整的培训系统。

本软件的特点是对不同的故障，采用了不同的保护动作模拟方式。每套保护装置通过建立相应保护原理的保护模型来模拟，通过调整整定值和延时时间实现保护之间的配合关系。而对于保护是否投入，动作于跳闸或是信号，通过压板投入逻辑关系进行逻辑运算来实现，保护动作引起信号系统的变化，则采用信号启动逻辑关系运算来实现。结论

本软件占用空间小，功能较完善，可用作一般电力厂站运行教学软件，针对性强。学员不仅可以做事故演习，对正常操作也可进行训练。对于各种故障采取灵活多样的模拟方式，这种局部仿真机采用虚拟平台，不用添加其他硬件设备，使用多媒体技术让效果更加逼近现场感觉。在MIS联网后，也可在异地教学，具备灵活机动的特点。

人工神经网络继电保护原理分析 篇3

摘要：文章根据现代控制技术的人工神经网络理论提出了一种保护原理构成方案，并分析了原理实现的可行性和技术难点。

关键词：神经网络；继电保护；模糊逻辑

中图分类号：TM773文献标识码：A文章编号：1006-8937（2011）22-0029-01

人工神经网络（Aartificial Neural Network，下简称ANN）是模拟生物神经元的结构而提出的一种信息处理方法。早在1943年，已由心理学家Warren S.Mcculloch和数学家Walth H.Pitts提出神经元数学模型。ANN之所以受到人们的普遍关注，是由于它具有本质的非线形特征、并行处理能力、强鲁棒性以及自组织自学习的能力。其中研究得最为成熟的是误差的反传模型算法（BP算法，Back Propagation），它的网络结构及算法直观、简单，在工业领域中应用较多。

1人工神经网络理论概述

经训练的ANN适用于利用分析振动数据对机器进行监控和故障检测，预测某些部件的疲劳寿命。非线形神经网络补偿和鲁棒控制综合方法的应用（其鲁棒控制利用了变结构控制或滑动模控制），在实时工业控制执行程序中较为有效。人工神经网络（ANN）和模糊逻辑（Fuzzy Logic）的综合，实现了电动机故障检测的启发式推理。对非线形问题，可通过ANN的BP算法学习正常运行例子调整内部权值来准确求解。因此，对于电力系统这个存在着大量非线性的复杂大系统来讲，ANN理论在电力系统中的应用具有很大的潜力。

BP算法是一种监控学习技巧，它通过比较输出单元的真实输出和希望值之间的差别，调整网络路径的权值，以使下一次在相同的输入下，网络的输出接近于希望值。BP算法的神经网络图形，设网络的输入模块为p，令其作用下网络输出单元j的输出为Opj。如果输出的希望值是Tpj，则其误差为Dpj=Tpj-Opj。若输入模块的第i个单元输入为Ipi，则就输入模块p而言，输入接点I与输出接点j之间的权值变化量为：ΔWpji=zDpjIpi，式中，z是某一个常数。当反复迭代该式时，便可使实际值收敛于目标值。其中隐含层既有输入网线，又有输出网线，每一个箭头都有一定的权值。

2人工神经网络的基本特征

人工神经网络具有四个基本特征：其一，非线性。非线性关系是自然界的普遍特性。大脑的智慧就是一种非线性现象。人工神经元处于激活或抑制二种不同的状态，这种行为在数学上表现为一种非线性关系。具有阈值的神经元构成的网络具有更好的性能，可以提高容错性和存储容量。其二，非局限性。一个神经网络通常由多个神经元广泛连接而成。一个系统的整体行为不仅取决于单个神经元的特征，而且可能主要由单元之间的相互作用、相互连接所决定。通过单元之间的大量连接模拟大脑的非局限性。联想记忆是非局限性的典型例子。其三，非常定性。人工神经网络具有自适应、自组织、自学习能力。神经网络不但处理的信息可以有各种变化，而且在处理信息的同时，非线性动力系统本身也在不断变化。经常采用迭代过程描写动力系统的演化过程。其四，非凸性。一个系统的演化方向，在一定条件下将取决于某个特定的状态函数。例如能量函数，它的极值相应于系统比较稳定的状态。非凸性是指这种函数有多个极值，故系统具有多个较稳定的平衡态，这将导致系统演化的多样性。

3神经网络型继电保护

神经网络理论的保护装置，可判别更复杂的模式，其因果关系是更复杂的、非线性的、模糊的、动态的和非平稳随机的。它是神经网络（ANN）与专家系统（ES）融为一体的神经网络专家系统，其中，ANN是数值的、联想的、自组织的、仿生的方式，ES是认知的和启发式的。装置可直接取线路及其周边的模拟量、数字量，经模式特征变换输入给神经网络，专家系统对运行过程控制和训练，按最优方式收集数据或由分析过程再收集控制，对输出结果进行评估，判别其正确性、一致性，做出最终判决，经变换输出，去执行机构。即使是新型保护，也会存在着某些功能模块不正确动作的可能，这时可以过后人为干预扩展专家系统数据库或由专家系统做出判别，作为训练样本训练ANN的这部分功能模块，改变其某些网线的权值，以使下次相同情况下减少不正确动作的可能。

下面是一个简单的ANN线路保护例子。当电力系统故障时，输电线路各相、各序电压、电流也随之发生变化，特别是故障后故障相的相电压和相电流，以及接地系统在接地故障的零序电流的变化有明显的代表性。比如选输入层神经元个数为14个，分别是Uar，Uai，Ubr，Ubi，UcrUci，Iai，Ibr，Ibi，Icr，Ici，Ior，Ioi（下标r和i分别代表实部与虚部），选定输出层神经元个数为5个：YA（A相），YB（B相），YC（C相），YO（接地），YF（方向），各输出值为1，代表选中；输出值为0，代表没选中（YF为0代表反向）。这5个输出完全满足线路方向保护的需求（没考虑正向超越），隐含层神经元数目为2N+1（N为输入层神经元数目）。训练样本集包含14个输入变量和5个输出变量，而测试样本集中的样本则只有14个输入变量。

在正常状态下，令h∠δ=（EM）/（EN），h=1，δ随负荷变化，取为－60°，－50°，－40°，－30°，－20°，－10°，0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，有13个样本。故障情况下，δ取值为－60°，－30°，0°，30°，60°，故障点选反向出口（－0 km），正向出口（+0 km），线路中部（150 km），线末（300 km）。接地电阻Rg取值0 Ω，50 Ω，100 Ω，150 Ω，200 Ω，相间电阻Rp取值0 Ω，25 Ω，50 Ω，则共有5×4×（5+3+5×3+3）=520个样本。每个样本的5个输出都有一组期望的输出值，以此作为训练样本。而实际运行、故障时，保护所测到的电流、电压极少直接与样本相同，此时就需要用到模糊理论，规定某个输出节点。如YA（A相）在某一取值范围时，则被选中。

4结论

本文基于现代控制技术提出了人工神经网络理论的保护构想。我认为全波数据窗建立的神经网络在准确性方面优于利用半波数据窗建立的神经网络，反应速度比纯数字计算软件快几十倍以上，这样，在相同的动作时间下，可以大大提高保护运算次数，以实现在时间上即次数上提高冗余度。

一套完整的ANN保护是需要有很多输入量的，如果对某套保护来说，区内、区外故障时其输入信号几乎相同，则很难以此作为训练样本训练保护，而每套保护都增多输入量，必然会使保护、二次接线复杂化。变电站综合自动化也许是解决该问题的一个较好方法，各套保护通过总线联网，交换信息，充分利用ANN的并行处理功能，每套保护均对其它线路信息进行加工，以此综合得出动作判据。神经网络的硬件芯片现在仍很昂贵，但技术成熟时，应利用硬件实现现在的软件功能。

参考文献：

[1] Robert E.Uhrig.Application of Artificial Neural Networks in Industrial Technology[J].IEEE Trans,1994,10(3):371-377.

继电保护原理仿真系统 篇4

近几年来，故障录波器在电网中广泛使用，在电力系统发生故障时，保护和故障录波器均具备了以数据方式向电网调度中心传输故障信息的可能。继电保护及故障信息管理系统的提出，就是为了提高电网安全运行的调度系统信息化、智能化水平，在电网发生故障时，为调度提供实时故障信息，有效地快速恢复系统。

1 系统的概念和校验方法

在线校核是获取电力系统实时数据，对当前系统中各种继电保护定值的性能进行在线校验的过程。本文介绍的在线校核是将故障录波器采集的电力系统实时数据(包括系统拓扑结构、系统运行方式、保护配置定值等)转换后进行定值计算，将此定值与保护装置的经验定值进行比较，实时判别系统所有保护的性能，对保护定值进行校验，看其是否满足当前运行方式下所求的灵敏度，并同时对其进行在线整定。

2 系统的构成方案

2.1 系统要解决的问题

1)将变电站内微机保护、自动装置、故障录波器等输出的各种信息集中、分类处理，以满足调度中心对电网正常运行及故障情况下各种信息的需求。

2)在调度中心侧，具备保护设备管理及故障计算、整定计算、故障测距、录波数据分析等故障综合分析处理功能，实现继电保护运行、管理的网络化和自动化。

2.2 功能要求

1)系统应借助广域通信网络，采集、获取电网的实时运行信息，在线计算、校核保护装置的定值。在条件允许的情况下，可实现在线修改保护定值、选择保护装置的投停，以适应运行方式的要求，保证保护装置在各种运行方式下的选择性、可靠性和灵敏性。

2)优化整定值。系统应借助整定程序来优化电网各级保护装置的整定值，使整个电网的保护定值更加合理。

3)研究现场实时数据的传送方式。实现保护装置的自适应功能，需要范围广泛的大量现场实时数据支持，应根据继电保护装置的特点和当前电力系统通信技术的现状，研究、确定可靠获取和传送这些数据的方式。

4)利用GPS对各保护、自动装置，故障录波器等进行对时。

2.3 系统的结构

1)系统由多个子系统组成，形成一个完整的分层、分布式结构。系统主要负责监视、采集站内各保护装置、自动装置、直流系统以及故障录波器的运行状态、告警信息、动作信息和相应的故障录波数据，将获得的信息根据优先级别和不同的使用对象，经数据通道传输至当地监控系统、集控中心等主要站点。这个系统将采集来的信息根据其应用范围，进行转换。

2)保护管理机采用工控机组成，在物理连线上支持RS232,RS485，以太网等方式与保护装置、自动装置、录波器等相连，将各种设备的数据转换成统一的数据格式;对于非微机保护，可通过测控装置将非微机保护的节点信号收集到保护管理机中。

3)故障录波器对接收到的故障信息再进行数据转换，使其能够适应后面整定计算程序的需要;整定计算系统根据当前故障的运行方式以及测得的故障信息进行计算，对保护定值进行校验。

4)保护管理机利用接收到的GPS对时信号，对全站保护、自动装置、故障录波器进行广播对时，实现时间同步。

5)通信服务器完成主系统和下面各子系统之间的通信和数据交换功能，采用双机备用的方式。

3 系统的工作模式

在线校核系统工作于在线模式，可以作为电力系统运行状况实时检测的一部分。在线模式下，系统的状态参数为电力系统实时运行数据。系统实时实现保护定值的校验和结果发布，可以作为调度人员制定正常运行方案及故障发生时紧急处理的决策参考。

系统工作于在线模式时，有时因为某些节点发生故障或其他的一些原因，致使故障录波数据在某个时刻不完备，此时在线校核系统取用保护的经验值作为其定值。

给定的保护定值进行判断，确定所给保护定值的合理性，此功能可以实现整定计算工作中的定值校验功能，亦可作为整定计算工作人员的训练工具。

4 系统的关键技术

4.1 信息分类

电网发生故障时，如果所有的报警信息都不加区分地显示在调度人员面前，调度人员根本无法迅速对故障作出处理决策，必须按照自检信息、保护事件、故障报告、保护定值、模拟量、开关量、脉冲量、录波数据等信息类型，对搜集的数据进行合理分类。并应根据故障信息的类别而组成不同的信息表，使调度人员清晰地了解故障信息。

4.2 系统的主要应用模块

各应用模块的功能是否强大在很大程度上决定了继电保护系统的先进性。目前，针对本文的方法，已经在系统中实现了以下应用模块。

4.2.1 录波数据分析模块

该模块具有综合计算分析功能，可根据录波数据对故障时的模拟量等信息进行任意组合分析：对称分量分析可得到正、负、零序分量的大小和相位，并能逐点显示故障前后各分量电压、电流的变化量;谐波分析包括基波和各高次谐波的电压、电流、有功功率和无功功率的分析，可以分别显示各个波形，并计算各次谐波量的有效值、峰值以及瞬时值等;阻抗分析能求出阻抗，并画出阻抗矢量图;频率分析能显示和分析瞬时功率、平均功率、频率变化等波形。

4.2.2 短路计算模块

短路计算是继电保护整定计算和定值校核的基础，本模块能实现系统各种简单故障、任意复杂故障、各种特殊网络结构下的故障、直流系统各种典型故障及任意规模电网的故障计算。

4.2.3 整定计算和定值校核模块

整定计算模块能完成对电网、变电站所装设的继电保护设备的整定计算，整定计算过程结束后，可根据计算结果数据库扫描需要更改定值的保护装置，并自动生成定值通知单，定值通知单可以以Word文档或超文本格式输出。定值校核模块利用给定系统的运行数据(包括基本参数和状态参数)，校核线路保护定值是否能满足某些系统特定运行方式的需要，包括定值是否满足灵敏度和选择性的要求。

摘要：本文根据故障录波器测得的实时数据,提出了对定值进行在线校验的方法,对当前运行方式下的保护性能进行校核,提高系统运行的安全性,并对这种在线校核系统的构成方案、工作模式及关键技术等方面进行了探讨分析。

继电保护原理仿真系统 篇5

作为城市轨道交通电力系统的重要组成部分,直流牵引供电系统的仿真技术一直备受关注,国外已有一些相对成熟的分析软件,如德国ELBAS公司的SINANET、德国IFB公司的Open Power Net、美国CarnegieMellon大学的EMM等,国内的一些设计院和科研所也自行开发了一些相关的软件。这些软件大都是针对电力机车和牵引供电装置的实时运行进行动态仿真, 旨在辅助城轨电网的设计和建设; 但是针对牵引供电系统继电保护仿真的软件研究还很欠缺[1,2,3,4,5]。

与交流系统相比,轨道交通直流系统的继电保护定值计算与校验手段相对落后。由于缺乏统一的整定规程,往往由技术人员根据保护装置的说明书,结合工作经验给出,线路正式投运之前,会进行列车的试运行,在此过程中,如果未发生开关跳闸等异常现象,则校验成功,系统将正式投入运行。显然,这种校验方式是不够充分的,仅能够保证在部分正常运行情况下保护不会发生误动,无法保证在故障或异常情况下保护能够及时、正确地动作。即使考虑周全,试验系统上的校验也无法考虑到所有复杂情况,而且随着线路复杂性的提高,工作量的加大,出现错误的几率也会随之增高,这与城市交通对安全性的高要求不相匹配。

本研究针对轨道交通直流牵引系统的继电保护定值缺乏有效验证手段的问题,开发相应的仿真校验软件。

1直流牵引供电系统保护仿真软件的需求

轨道交通直流牵引供电系统主要特征如下: 1一条运行线路上分布着若干个牵引变电站,牵引变电站中的整流机组将交流电流整流后提供给直流牵引网, 为列车供电。直流牵引网由直流母线、馈线、回流线、 接触网、钢轨和架空地线构成,运行中的列车通过受电弓从接触网上获得电能,再由钢轨回流; 2为了方便故障的切除,接触网是分段的,每段接触网由两侧的牵引变电站共同供电,保护装置安装在站内的馈线开关上, 当某段线路发生短路时,两侧的馈线开关都要跳开,以实现故障切除; 3电动机车是系统的唯一负荷,由于列车启停和位置变动等原因,负荷电流的波动范围较大。 典型的双边供电直流牵引系统如图1所示。

供电系统保护仿真软件需要具备如下功能:

( 1) 图形界面。要实现的功能包括: 1对一些需要由用户给定的数据,软件为其提供录入界面; 2提供图形建模区域以及与轨道交通实际设备相对应的图元工具箱; 3提供软件功能触发按钮,用户可以通过该接口触发短路电流计算功能和保护定值校验功能; 4能够输出软件的运行结果,用户可以查询各个开关处的短路电流及保护定值校验单。

( 2) 短路电流计算功能。由于系统负荷的波动性较大,仅进行稳态短路电流计算不足以区分正常的负荷波动和较小的短路电流,因此,软件需要同时采用稳态短路计算模型和暂态短路计算模型,通过对短路后馈线开关处暂态电流波形的分析,实现故障和负荷波动的区分。

( 3) 保护定值校验功能。在满足选择性、灵敏性和速动性3个基本要求的前提下,软件在校验过程中, 既要能够对单个保护进行校验( 其他保护闭锁) ,也要能够对保护之间的配合进行校验: 1区内故障时两端的馈线开关能够快速跳开; 2区外故障时馈线开关不能跳开; 3列车启停电流的波动不能导致保护误动。 制定校验规程时必须要遵循这3条原则。

2软件的结构及功能的实现

2.1软件的功能组成

软件的主要功能: 在分析各类接触网短路条件下, 馈线开关处短路电流的分布状况,校验开关所配置的继电保护整定值是否合理并给出修改意见。软件旨在减少馈线开关保护的误动和拒动,指导运营人员修改不合理的保护整定值。

该软件的功能架构如图2所示。

该软件架构中,基础数据录入功能为用户提供访问数据库的界面,实现添加建模及仿真所必须的基础数据,如各种型号的导线模型,各种型号电动机车启停的负荷电流模型,线路实际运行的保护整定单等。图形建模功能为用户提供图元工具箱,实现创建轨道交通电路图的绘制和参数录入,拓扑检查成功后存入数据库中。仿真功能使用接口为用户提供使用短路电流计算和保护定值校验模块的界面。短路电流计算和保护定值校验是系统的核心计算模块,它们从数据库中读取计算模型,并将计算结果保存到数据库中。用户通过图形界面所提供的查询窗口查看各个开关的短路电流情况和保护定值的校验结果。

2.2图形界面

( 1) 基础数据录入。在建模和仿真的过程中,需要从数据库中调用一些基础数据,这些数据由用户根据实际情况提前录入。其数据录入的类型如下:

1材料模型录入。录入当前轨道交通中常用的材料类型,以便用户在图形建模过程中,按照线路的实际情况选择材料。当材料类型不足时,可以在该录入界面下添加新材料类型并保存到数据库中。

2电动机车负荷电流曲线录入。电动机车是直流牵引供电系统的唯一负荷,机车的频繁启停会导致负荷电流的较大波动,严重时会导致保护误动,因此,机车负荷电流曲线将作为校验保护定值的一项依据。这里的机车负荷电流曲线是指,车辆运行过程中,馈线开关处所检测到的电流与运行时间的关系。负荷电流曲线会根据车型和线路的具体情况发生变化,一般应该由用户将现场录波仪器所采集到的负荷电流数据录入软件中,若现场无录波仪器,则根据车型选择软件提供的标准负荷曲线作为后续定值校验的依据。

3保护整定单录入。保护定值校验需要由用户提供待校验的保护定值整定单,软件的图形界面提供了录入接口。

( 2) 图形建模。图形建模是应用软件实现人机交互所必备的基础功能。该软件的一大核心特色就是图模一体化,用户通过对软件提供的图形元件进行参数修改和连接,搭建模拟实际线路的系统,有别于Simulink等大型电力仿真软件,该软件的图形建模功能有如下两个特色:

1提供了轨道交通建模所需的图元工具箱,图形元件分别对应于轨道交通中常见的电气构件; 元件参数根据城轨交通的自身特点进行了调整,同时添加了一些轨道交通所独有的复合元件 ( 如钢轨,接触网等) 。用户建模时,不需要再对各个元件进行阻抗上的折算,只需根据实际情况,输入线路距离、选择材料类型和电压等级。

2当系统较大时,软件允许将之拆分成几个子系统,分列在不同的图层中。软件提供的“拷贝”功能,支持同名元件同时出现在两个子系统中,这样设定的好处是,节省建模时间的同时,还可以通过这一元件实现子 系统之间 的互联,增加建模 图形的可 读性。

( 3) 仿真功能使用接口。软件的仿真功能使用接口为用户提供了使用短路电流计算和保护定值校验功能的入口界面。进行短路电流计算时,软件提供故障类型和故障位置的设置界面,故障信息输入完成后,软件调用短路电流计算模块,并将运算结果保存到数据库中。

进行保护定值校验时,软件提供保护校验设置界面,用户可以对单一保护进行校验,也可以进行所有保护的全自动校验,还可以对某些不关心的保护进行闭锁,设置完成后,软件调用保护定值校验模块,并将运算结果保存到数据库中。

( 4) 运行结果查询。仿真完成后,用户可以在软件提供的查询窗口中查看短路电流计算结果和保护定值校验结果。

2.3短路电流计算

直流牵引供电系统接触网短路的仿真过程中,该软件同时采用了稳态短路计算模型和暂态短路计算模型,前者可以得到故障后各个馈线开关处的稳态电流值,后者可以得到短路发生瞬时各个馈线开关处的电流变化情况。

稳态短路计算模型。直流牵引供电系统由整流机组和牵引网两部分组成,牵引网中的各类电气元件 ( 如钢轨、直流馈线等) 在稳态仿真时都可用阻抗参数来等效,关键在于如何确定整流机组的电压电流外特性。

文献[6]从经典的6脉波整流机组3折线模型出发,推导得出了12脉波整流机组的5折线模型,而现今上海、南京等大多数城市地铁所普遍采用的等效24脉波整流机组是由两个12脉波整流机组并联而成,这种条件下,5折线模型同样适用。

针对主流的等效24脉波整流机组,该软件采用上述的5折线外特性模型,每段折线分别对应一个工作区间。计算开始时,假定所有机组都工作于第一区间, 如果有任意一台机组的输出负荷不在其工作区间内, 则对其进行调整。调整的流程如图3所示。

实际上,当某段线路发生短路时,只需对短路点两侧各两个站( 共4站) 进行机组工作区间的调整, 其他整流机组距离远,提供的短路电流小,可以忽略不计。因此,即使线路复杂,软件也能有较快的运行速度。计算结束后,稳态短路电流计算的结果保存到数据库中。

暂态短路计算模型。暂态电流计算涉及的因素较为复杂。一方面,随着负载电流的变化,整流机组的工作区间会发生改变,等效内阻也必然随之改变; 另一方面,短路位置的不同,外部等效阻抗也会发生变化。暂

态短路电流很难用一种模型准确计算。

在计算接触网短路暂态电流的研究中,国内外普遍将其分为近端短路和远端短路。文献[7]中给出了接触网近端短路的计算模型,它忽略了外部线路的阻抗,通过分析整流桥臂的导通情况,最终得到出口短路的暂态电流公式; 文献[8]中给出了接触网远端短路的计算模型,因为整流器内阻可以忽略,而短路位置及短路类型确定后,在不考虑集肤效应的前提下,外电路的阻抗也能够确定,所以,理想条件下短路电流呈简单的指数曲线上升。

实际条件下,必然存在“两个阻抗数量级相当,互相都不能忽略”的情况,因此,仅仅依靠这两种模型是不足以准确得到接触网任意位置短路的暂态电流波形的。针对这种情况,本研究进行了深入的研究,得到了一种折中的模型[9],该模型的核心思想是,将两种经典模型的计算结果进行加权处理,再相加作为最终的计算结果,权重系数与短路位置( 在公式中体现为外阻抗的电阻值和电抗值) 存在着一定的函数关系,距离出口越近近端短路模型越占主导作用,距离出口越远远端短路模型越占主导作用。仿真实验证明,在短路之后的几个周波内,该模型的计算值是准确的,可以满足后续的校验需求。

2.4保护定值校验

轨道交通直流牵引系统的保护装置配置在馈线开关上,以西门子公司生产的Sitras Pro装置为例,配置的保护包括: 电流速断保护、过流保护、电流上升率保护、电流增量保护、欠压保护和阻抗保护等。该软件的校验功能包含两部分: 对单一保护原理的校验以及支持保护闭锁的全自动校验。

单一保护原理的校验。该软件对单一保护原理进行校验时,需要闭锁其他保护原理。轨道交通直流牵引系统的主保护包括电流速断保护,以及电流斜率保护[10],后者又包括电流增量保护和电流上升率保护两个模块。与交流电网的三段式保护不同的是,这两类保护是互为后备的。当短路发生在接触网近端时,短路电流迅速上升,会在极短的时间内到达电流速断保护的整定值,但此时还未达到电流斜率保护的最小延时,因此,电流速断保护会优先动作,电流斜率保护作为后备保护延时动作; 当短路发生在接触网远端时,短路电流上升相对缓慢,一般情况下,电流速断保护的整定值较高,短路电流会经过较长的时间才能到达动作值,这种情况下,电流斜率保护会优先动作,而电流速断保护将作为后备保护延时动作。两者的配合保证了故障发生后保护的速动性,因此需要对这两类保护的定值进行更加严格的校验。

电流速断保护校验。设短路发生后,馈线开关处的稳态电流值为I,保护的整定值为Imax( A) 。

故障位置设置在本段线路的中点,短路类型为接触网对架空地线短路,若开关处电流I > k Imax,( k≈ 1. 2) ,则定值Imax满足灵敏性; 反之,灵敏性不足,需要适当降低整定值。故障设置在线路中点的原因是,系统工作于双边供电模式,两端的电流速断保护共同保护线路的全长。

短路故障设置在下级线路的出口,短路类型为接触网对钢轨短路,若开关处电流I < k Imax,( k≈0. 8) ; 则定值Imax满足选择性,反之,不满足选择性,应该适当提高整定值。

电流增量保护校验。设电流增量保护的启动整定值为E( A/ms) ,跳闸值Itrip( A) ,该保护的校验需要结合电动机车的负荷电流。

设一辆机车启动过程中的最大电流变化率为A, 若E > k A,( k≈1. 2) ,则定值E满足选择性; 反之,机车负荷电流会导致保护的误启动,需要适当提高整定值。

设机车启动过程中的最大电流冲击电流为Istart, 若Itrip> k Istart,( k≈1. 2) ,则定值Itrip满足选择性; 反之, 机车负荷电流会导致保护的误启动,需要适当提高整定值。

电流上升率保护校验。设电流上升率保护的动作值为F( A/ms) ,保护延时整定值为tdur( ms) ,该保护主要用于区分远端短路电流和机车启动电流,原则上,延时越大越有利于躲开机车启动电流的冲击时间。

短路位置设置在本段线路的末端,短路类型为接触网对架空地线短路,通过暂态短路仿真得到馈线开关处的电流波形,获得t = 0 ~ tdur时间内馈线开关处的电流值,计算得出该短时间内的发热量,若超出线路的热承受范围,则需适当减少延时整定值;

短路位置设置在本段线路的末端,短路类型为接触网对架空地线短路,通过暂态短路仿真得到馈线开关处的电流波形,获得t = tdur时刻的电流上升率B,若B > k F,( k≈1. 2) ,则定值F满灵敏性; 反之,灵敏性不足,需要适当降低整定值。

后备保护校验。与交流电网相似,后备保护的保护范围一般超出本段线路,需通过较长时间的延时来完成与主保护之间的配合。针对这一特点,该软件对后备保护仅进行灵敏性校验,故障位置一律设置在该段线路的末端,故障类型为接触网对架空地线的短路。

全自动校验。全自动校验模式下,用户勾选出参与校验的保护,闭锁掉不参与校验的保护。该软件在运行的过程中,会根据参与校验的保护类型,按照上述的校验原则,自动设置短路位置及短路类型,全部计算完成后,系统会将未通过校验的保护定值及调整建议保存到数据库中,用户可以在查询界面查看结果。

3算例分析

以上海地铁为例,本研究取临平路至浦东南路共4个站点3段线路作为仿真对象,对上体馆站下行线路馈线开关的主保护定值进行校验,站点分布情况如图4所示。

仿真参数如下所示( 其中序号1,2,3,4分别对应从左到右的4个站) :

( 1) 整流变压器参数如表1所示。

( 2) 整流器容量: 3. 600 MW;

( 3) 站间距:1 ~2:3 468 m;2 ~3:2 373 m;3 ~4:2 461 m;

( 4) 钢轨单位电阻: 0. 030 Ω/km; 钢轨单位电感: 1. 498 m H / km;

( 5) 接触网单位电阻: 接触线0. 058 3 Ω/km; 承力索0. 074 4 Ω/km; 辅助馈电线0. 058 3 Ω/km; 即总单位电阻为0. 058 3 / /0. 074 4 / /0. 058 3 = 0. 020 9 Ω/km; 电感忽略不计;

( 6) 架空地线单位电阻0. 145 8 Ω/km; 单位电感1. 194 6 m H / km;

( 7) 整流机组与母线连接线单位电阻0. 047 Ω / km; 母线与接触网( 馈线) 单位电阻0 . 047 Ω / km; 整流变与整流器单位电阻0. 043 74 Ω /km; 电感忽略不计。

软件的仿真建模界面部分示意如图5所示。

仿真中,设置的主保护的整定值如表2所示。该整定值为线路实际运行中所采用的整定值。

本研究按照线路的实际参数进行图形建模,输入整定单,分别对浦东大道站的电流速断保护、电流增量保护及电流上升率保护进行校验,校验完成后,在图形界面中可以查询校验结果,输出到excel表格中的校验单如图6所示。

图6中,第一行校验的是电流速断保护的灵敏性, 短路位置设置为线路中点,接触网对架空地线短路,短路电流要小于接触网对钢轨短路的情况,此时如果能够可靠动作,则说明区内故障均能够动作,保护的灵敏性达到要求; 第二行校验的是电流速断保护的选择性, 短路位置设置在下段线路的出口,接触网对钢轨短路的短路电流要大于对架空地线短路的情况,此时如果保护仍未动作,则说明保护不会越区跳闸,满足选择性的要求。其他行的情况类似。软件的校验结果表明, 上述各主保护的整定值满足灵敏性和选择性的要求, 保护不会发生误动和拒动的情况。

4结束语

继电保护原理仿真系统 篇6

微机保护在我国电力系统得到了广泛的应用。截至2006年底,220 k V及以上系统继电保护微机化率达到91.41%[1]。微机保护的功能由软件来实现[2,3],继电保护装置的测试中保护的数据采集、内部逻辑、动作过程是不可见的,相当于一个“黑匣子”[4],现阶段的测试还停留于黑盒测试[5],应用开发人员在开发过程中的源码调试主要是依靠仿真器连接继电保护装置进行单步调试,难以实现暂态过程的实时调试。通常程序断点停止再恢复时,暂态波形已经放完,造成现场故障分析手段单一,即都是依靠人工判读故障录波波形识别。

继电保护装置开发步入平台化分层设计阶段[5,6],广泛采用C或C++作为应用开发语言,基于PC平台的模拟仿真环境已经具备条件。MATLAB/Simulink中的Sim Power Systems库能够完成电力系统的仿真[7],并且MATLAB与C语言开发平台之间具备良好的调试接口,采用与C结合的混合编程模式[8,9],可以实现单步跟踪调试,能够很好地满足实际开发过程中使用各种故障录波波形进行保护逻辑验证的需求,所以在继电保护装置仿真验证中具备优势。

1 采用的关键技术

电力故障录波波形是进行仿真验证的直接数据,在MATLAB/Simulink中搭建的电力系统模型也是录波数据的重要来源。由于录波波形时间通常只有1~2 s,所以在验证过程中,采用数据逐点输入保护应用程序的方法,来延长电力故障时间,既可以逐点跟踪保护应用程序运行的全过程,实现白盒测试的目标,又具备输出结果记录模块,将保护程序输出的标志位与需要监视的内部模拟量记录下来,生成统一的COMTRADE格式波形文件,便于保护应用开发人员输入大量故障波形进行仿真结果验证。

1.1 继电保护故障的模拟

继电保护故障的模拟主要采用3种方法。

a.第1种是采用COMTRADE录波波形。COM-TRADE文件作为电力系统的行业标准在继电保护装置和电力系统故障录波器中广泛使用,开发人员获得的故障波形也都是以该格式的文件记录的,虽然COMTRADE格式文件分为91和99这2种版本,但是使用PC端软件可以通过解析ASCII码格式或者BINARY格式的录波波形,将波形数据读入内存,并形成MATLAB中的数据结构,用于仿真验证。

b.第2种是采用MATLAB/Simulink搭建电力系统模型仿真获得的数据波形,该类波形采用MAT格式记录,可以补充实际波形的不足,且通过仿真可以获得多种故障波形。该类波形可以直接读入MATLAB环境。

在电力系统研究领域主要的仿真手段有ATP、PSCAD、MATLAB[10],其中ATP、PSCAD认可度较高,在仿真领域具备一定优势[11,12]。但ATP、PSCAD与C语言的接口没有MATLAB强大,无法进行单步跟踪调试,也就无法完成代码的白盒测试功能。Simulink中的Sim Power Systems能对电源、母线、断路器进行仿真,且可以通过自建模型对TV、TA进行仿真[10,13,14]。

MATLAB具有如下优势:具备电力系统仿真环境;与C语言间有良好的互操作性,接口完备;与Microsof Visual Studio 2008(简称VS2008)平台混合编程可以实现单步跟踪调试;编程简洁、开发方便,数据插值等功能完备,与C混合编程可以扬长避短;采用Simulink闭环仿真技术,将装置模拟的投切断路器操作实时地反映到电力系统的变化中,进而改变一次输入电流、电压数据,实现对在网设备的实时模拟仿真。

c.第3种是采用Simulink闭环仿真的实时数据,其优点是可以模拟实际装置在系统中的运行情况,可对故障环境下投切断路器后的运行状况进行模拟,波形数据可以实时变化。但采用该类数据时需要对实际电力系统进行建模,前期建模投入时间较多。

1.2 保护程序的仿真

在PC上进行纯软件的装置仿真验证的前提是需使用与嵌入式继电保护装置上的源码完全一致的DSP源码程序,以实现PC与DSP平台的直接移植,为此采用MATLAB的MEX(MATLAB EXecutable)技术。采用MATLAB作为仿真验证环境的平台,除了调试方便外,还可以使用其中的Simulink实现保护闭环仿真验证,即将保护程序的输出信号作用于Simulink中的断路器模型,改变一次系统的运行状态,这在进行线路保护仿真验证中起重要作用。

MATLAB中可调用的C或Fortran语言程序称为MEX文件。它是一种特殊的动态链接库函数,在MATLAB中可类似M函数来执行[9]。MATLAB对MEX文件的支持是内置的,不需要特殊的工具箱或者MATLAB编译器,但需使用外部编译器完成对C/C++代码的编译生成MEX文件。MATLAB支持的编译器很广泛,包括Borland C++、Microsoft Visual Studio系列等,本文选择VS2008,因为它提供强大的调试功能,在调试过程中使用方便。

1.3 输出结果记录

在进行仿真验证时,除了单步调试之外,对于结果的整体把握也是必需的,采用分段记录的原则,保护程序启动之前的常态输入不记录,启动完成后的输入和输出波形数据采用全记录的方法,在处理的各个阶段对波形数据进行记录、最后生成一个COMTRADE波形,结果波形中包含输入波形数据,方便对照查看。

中间波形数据的提取、波形数据的重采样过程都记录为MAT格式波形作为日志,可通过人机交互选择是否记录,这样既能快速保存,又能满足问题返溯的需要。

2 系统的实现

2.1 设计思想

在嵌入式继电保护装置开发中,保护应用程序是在DSP上运行的,目前广泛使用的是TI公司和AD公司的DSP芯片,开发工具也是芯片生产商提供的集成开发平台Code Composer Studio或者Visual DSP++,这些开发平台都提供对C/C++语言的支持。

PC端使用VS2008进行编译,产生MATLAB能够调用的MEX代码,不论是COMTRADE波形数据,还是MATLAB仿真生成的波形数据,都读入MATLAB仿真验证系统中[15],然后系统输入每一个数据点,逐点将录波中的模拟量数据和开关量数据传送给以MEX文件作为接口的保护应用程序,保护应用程序运行,在这个过程中可以设置断点在VS2008的环境中进行单步调试。

一点数据运行完后,将要记录的中间变量输出给MATLAB,MATLAB完成结果记录工作,继续传送下一点数据。全部波形数据传送完后,MATLAB将所有输出的结果与输入的COMTRADE波形合并一起,输出一个COMTRADE结果文件,保护应用开发人员可以通过录波波形读取工具查看录波,进行逻辑判断。

2.2 验证系统构成

2.2.1 仿真验证系统的组成

仿真验证系统由开环仿真和闭环仿真两大部分组成:开环仿真是COMTRADE波形或者MAT波形直接通过仿真系统,保护程序运转,记录动作波形的过程;闭环仿真中在输入环节由研发人员搭建电力系统的Simulink模型运行生成波形数据,将波形数据传入仿真系统,保护程序运转,保护出口标志字变位或者不变位,这些标志字的变化反馈到Simulink系统中,调整仿真参数,输入波形随着模型运行模式的变化而改变,从而实现反馈控制功能,模拟装置在现场运行的状况,这一点对线路保护具有现实意义。仿真验证系统流程图如图1所示。

2.2.2 开环仿真的输入

a.读取COMTRADE文件。MATLAB对COM-TRADE文件的读取也采用MEX技术和C程序完成,避免MATLAB中M程序循环速度慢和读写文件慢的缺点。读取支持91、99这2种格式的COMTRADE文件。

b.读取MAT格式的仿真波形。MAT格式的仿真波形是保护应用人员按照约定格式用Simulink生成的波形或者对原始的COMTRADE录波数据经过插值之后的波形,直接在MATLAB中使用load()函数即可方便读取。

2.2.3 开环仿真的波形预处理

读入MATLAB中的COMTRADE数据需进行波形预处理才能送给保护应用程序,预处理需依次完成波形通道选择、采样率转换、时间截取、保护程序数据接口映射等工作。

a.通道选择。原始的录波通道可能包含很多的模拟量数据和开关量数据,而装置上用到的数据只有其中一部分,所以需进行通道选择将波形数据选择出来。采用逗号分隔文件CSV格式的映射表,相当于继电保护装置的AC交流端子和开入量端子,需输入的波形可以通过映射表指定是否接入。

b.采样率转换。在保护装置内部通常采用每周期40点或者48点采样的方式,外部录波文件的采样率可能与其不一致,所以需进行采样率转换,转换到与装置中数据采样率一致,采样算法可以采用MATLAB中已有的算法,也可以编写程序实现波形的重采样。

c.波形时间段截取。实际波形中故障时间段只是其中的一段,而整个故障波形时间可能很长,所以也需要对波形数据进行时间段截取,这样在批量仿真验证过程中可以大幅提高处理速度。

d.通道映射。为完成对继电保护装置的模拟,要保证输送给保护程序的数据与继电保护装置的AD接口顺序一致,所以需进行端口映射,对于保护装置端子上的通道,如果波形中缺失数据,根据需要设置一个固定值作为该通道的输入,可以采用启动值、故障值2种设置方法。因为保护程序从启动到就绪需要一个过程,为了模拟这一阶段,需在保护程序启动过程中往AC通道或者BI通道输入一个指定值,在工程实际中取COMTRADE数据的第1个点作为启动过程输入值,这样就实现了对程序启动过程的模拟。

2.2.4 闭环仿真验证系统的组成

a.闭环仿真的输入。将MATLAB搭建的电力系统运行模型生成的实时数据作为全局变量,直接通过MATLAB中的workspace交换数据。

b.闭环仿真反馈的实现。故障电气量通过全局变量传递给保护程序处理,保护元件动作标志同样采用workspace中的全局变量,达到保护装置的动作标志作用于电力系统模型的效果,从而实现闭环控制。

2.2.5 保护应用程序的模拟

采用仿真验证系统来模拟保护装置运行的程序流程图如图2所示。在开发过程中主要采用MATLAB的MEX接口函数和平台软件层模拟技术。

a.保护应用程序的MEX接口[9]。MATLAB的MEX接口函数是个动态链接库文件,它只有一个导出函数mex Function。在MATLAB命令行调用编译好的MEX文件时,并不是直接执行该函数,而是类似调用M函数,使用MEX文件的名字(不包括后缀)来调用。假设MEX文件名为Protect Run.mexw32,那么可以在MATLAB环境中以“输出变量=Protect Run(输入参数)”的形式来调用该文件。MATLAB自动检测到其是MEX文件,就会尝试执行其中的mex Function函数,输入参数以及输出变量也会变为相应的参数传给mex Function函数。

使用C/C++语言,mex Function的定义为:void mex Function(int nlhs,mx Array*plhs[],int nrhs,cons mx Array*prhs[])。MATLAB限制nlhs和plhs的最大值为50,所以大规模的数据交换采用数组的方式传递参数。

b.平台软件层的模拟。在分层设计模型中,平台软件主要完成外部AD的采样、数据的绑定映射、配置文件解析工作。而在PC环境的仿真验证环节,这些过程都可以简化,在设计过程中通过在DSP保护程序源码的基础上增加中间层程序完成接口工作,接口工作主要是完成软件定值初始化和数据映射功能。定值初始化程序用来模拟人机界面修改定值的功能,数据映射程序模拟平台软件的通道映射功能。

保护应用调试过程中单步调试和整体运行通过查看动作标志是否正确动作或者内部计算出来的差电流值等模拟量是否正确来进行调试,这2种调试方式都是很有效的调试手段,所以作为接口中间层还需完成将中间变量输出的功能。

c.单步跟踪调试。启动MATLAB、VS2008,并在VS2008中打开MEX文件的源代码,在菜单栏选择“工具—附加到进程—MATLAB”,然后在保护程序中设置断点,在MATLAB中运行仿真验证系统即可进行单步调试[8]。

2.2.6 记录输出数据

MATLAB将保护应用程序MEX文件输出的数据记录在内存中,当一个波形仿真验证完毕,即可将记录的数据连同输入的COMTRADE波形数据一起生成一个录波文件,该过程相当于模拟装置录波过程。将结果转换为99版本的COMTRADE波形。

3 系统的使用成果

在国网电科院ARP371母线保护和ARP378变压器保护的研发、调试过程中,本系统发挥了较好的辅助调试功能。在装置研发过程中采用2009年国网继电保护装置标准化设计测试(“六统一”测试)获得的录波数据进行保护逻辑验证,结果是所有录波数据的仿真验证结果与装置动作结果一致。采用Simulink搭建的仿真模型进行闭环实验,所得数据与采用RTDS搭建模型进行保护装置实验的结果一致。

4 结论

本文针对电力系统暂态故障动作时间短、使用仿真器进行调试不便的特点,采用MATLAB与C混合编程方式,在PC平台上实现了对继电保护装置保护应用程序的仿真验证。

采用本系统可以直接移植DSP程序代码,保证了保护应用代码与仿真验证代码的一致性,二者之间可以相互移植。本系统除了采用现场录波波形之外,还采用MATLAB中的Simulink进行闭环仿真,模拟实际系统中装置的工作状态,可以准确模拟继电保护装置的实际运行状态。MATLAB与C语言间具有良好的接口,可以采用第三方软件进行单步调试跟踪,便于发现保护程序设计中的问题。

继电保护原理仿真系统 篇7

随着电网的不断扩大、继电保护及变电站综合自动化技术的不断发展, 对从事继电保护工作人员的专业知识与技术要求越来越高。而吕梁供电分公司, 由于地域差异和历史发展等原因, 技术人才严重匮乏, 特别是继电保护专业人才更是如此。通过开发并建立一个基于数模混合仿真技术的继电保护仿真培训系统, 来系统地、快速地培训继电保护专业人才, 以提高我们继电保护人员的专业知识水平和业务技能, 以适应电网的发展, 从而更好地保护电网的安全运行。在继电保护人员的培训环节上, 通常采用单纯的继电保护测试仪进行培训学习, 但是变电站二次系统复杂难以模拟, 其逼真度难以达到与真实变电站一致的效果。基于数模混合仿真技术的变电站仿真培训系统能模拟电网的正常、故障下的运行状态, 同时可将正常或故障数据下发到数模转换装置来驱动各种二次设备, 培训室内的各种二次设备可监测到一个完整的电力系统数据。

2 系统设计

2.1 设计内容。

仿真系统中可以扩充的应用特需的元件模型、参数、画面等也应基于基础支撑平台进行统一扩充。基于数模混合仿真技术的变电站仿真培训系统主要的各个模块及其功能如下: (1) 一次系统稳态仿真:稳态培训模拟基于动态潮流计算, 针对电力系统的静态特性, 考虑电力系统的发电、负荷以及其它装置的频率特性, 计算快速、准确, 能有效地反映电网在无稳定问题时电力系统的相应特性, 构成电网中长期仿真的基础。 (2) 一次系统动态仿真:采用全动态仿真技术对各种不同的简单故障、复合故障进行暂态、中期、长期动态模拟, 给出动态过程中的电压、摇摆角、频率、线路潮流、短路电流等模拟结果, 同时将故障仿真计算结果转为标准COMETRADE录波文件。标准录波文件可能是在培训过程中由动态仿真软件准实时生成, 也可能是由其它独立商用仿真软件离线生成后载入完成。 (3) 监控后台软件:该监控后台将完成对实际保护装置信号的采集和对实际测控装置信号的采集, 以及对模拟断路器的遥控等, 这一部分和常规变电站监控后台软件基本一致。同时, 该监控后台将显示并相应由仿真软件产生的电网一次系统及二次系统的各种信号以及操作指令, 这一部分相当于一个仿真的变电站监控后台软件。 (4) 数模转换装置:负责接收由动态仿真计算结果转换生成的标准COMETRADE录波文件, 其中包括电压、电流和开关量, 再将录波文件的数字信号转换为模拟信号发送给保护、测控装置, 在保护装置中形成波形回放。

上述各个功能模块通过过程控制及支持系统连接为一个整体, 总体的功能描述如下:

教员可在厂站图上设置故障, 对于教员设定的故障, 能够经动态仿真计算后实时通过数模转换装置发送给保护装置, 若满足动作条件, 则保护装置跳开模拟断路器。另外, 也可以使用离线准备好的故障录波数据驱动保护装置动作。

监控后台系统可实时监视到模拟断路器的动作以及保护装置的动作信息, 并通过仿真前置反送数字仿真系统, 重新形成潮流断面。在监控后台上可以对有关模拟断路器进行遥控操作, 其结果同样通过仿真前置反送仿真系统, 重新形成潮流断面。

站内的功率电压电流等模拟量首先由仿真系统进行计算模拟, 再由仿真前置发送给监控后台上进行显示。对于站内没有配置保护硬件的二次系统, 将由仿真软件进行模拟, 相关保护动作信号由仿真前置发送给监控后台上进行显示。

2.2 数模仿真技术路线。

变电站仿真培训系统模拟电网的各种运行状态, 正常或故障状态下的电流、电压波形可生成COMETRADE格式文件, 并实时回放到保护、测控装置, 同时保护、测控装置状态实时反馈至数字仿真系统, 从而形成了一个完整的仿真培训场景。教员可在厂站图中人工触发各种电气故障, 电力系统动态仿真计算出故障波形, 经数模转换装置后经功率放大器驱动实际二次设备, 故障下保护的相应动作结果通过动作报文反馈给监控后台, 继电保护人员可以培训熟悉在实际运行状态下的保护设备特性, 锻炼电网故障下的分析和处理能力。

3 技术创新

3.1 HELP装置硬件开发, 实现数模混合仿真技术, 其将仿真的数字量转换为模拟量, 为故障数据的下发提供通道;HELP-9000继电保护测试装置是专门为完成传统高低压保护、测控、稳控以及数字化保护、合并单元等各类装置进行测试、仿真而自主开发的一种便携式多功能继电保护测试仪器。该项目中使用的HELP装置为数字化继电保护测试装置HELP-9000H, 其主要功能是将故障仿真数据下装, 将数据量转换为模拟量, 驱动保护装置动作。

3.2 HELP装置接口软件开发, 故障仿真数据由动态仿真程序生成, 并实时下发至HELP装置, 进行波形回放驱动保护装置;变电站仿真培训系统模拟电网的各种运行状态, 正常或故障状态下的电流、电压波形和开关量可记录到COMETRADE格式文件, 并通过数模转换装置实时回放到保护、测控装置, 同时保护、测控装置状态实时反馈至数字仿真系统, 从而形成了一个完整的仿真培训场景。教员可在厂站图中人工触发各种电气故障, 电力系统动态仿真计算出故障波形, 经数模转换装置后经功率放大器驱动实际二次设备, 故障下保护相应动作结果通过动作报文反馈给监控后台, 变电站运行人员可以借助此系统熟悉在实际运行状态下的保护设备特性, 锻炼电网故障下的分析和处理能力。

4 结论

基于数模混合仿真技术的继电保护仿真培训系统重点在于进行事故处理培训, 就是在教练员计算机上设置各种运行方式下的各类故障 (可设置线路、母线、主变等设备的单相接地、两相短路、三相短路故障, 也可设置单一故障或由多重简单故障复合而成的复故障) , 并在仿真变电站中的控制屏、中央信号屏、继电保护屏及模拟断路器上反应。学员根据事故现象、各种信号等进行综合分析、判断, 以确定事故的类型、范围, 快速、果断地处理事故。通过事故处理培训, 有助于提高学员分析及处理事故的能力, 从而保证电网安全稳定运行。

综上所述, 通过认真、仔细的现场使用, 基于数模混合仿真技术的继电保护仿真培训系统模拟形成了一个完整的实时闭环数模混合仿真培训场景, 为变电站运行人员与继电保护人员仿真培训营造了更为逼真的运行环境, 有利于快速提高人员的技术水平, 能节省大量时间和培训成本。

摘要：基于数模混合仿真技术的变电站仿真培训系统拥有一个完整的电力网络模型, 能反映变电站的各种信号的动态特性, 模拟一个完整的变电站运行场景。系统能够模拟电网的正常、故障下的运行状态, 同时将数据下发到数模转换装置驱动各种二次设备动作, 通过培训室内的各种一次二次设备可监测到一个完整的电力系统动态。通过开发并建立一个基于数模混合仿真技术的继电保护仿真培训系统, 能够系统地、快速地培训继电保护专业人才, 提高继电保护人员的专业知识水平和业务技能, 以适应电网的发展, 从而更好地保护电网的安全运行。

关键词：数模转换,HELP装置,故障模拟,二次仿真

参考文献

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[4]郝晓卫, 图木.呼和浩特供电局变电运行仿真培训系统设计思路[J].内蒙古石油化工, 2006.

[5]宋丹.电力系统故障仿真培训系统的设计与开发[D].大连理工大学, 2007.

继电保护原理仿真系统 篇8

关键词：继电保护,故障分析,整定管理,仿真系统,实际应用,系统主要模块

对于电力系统而言, 继电保护是重要的安全措施之一。因为继电保护装置它的选择性、灵敏性以及可靠性直接会关系到电网的运行安全。而衡量继电保护装置选择及灵敏性的一个重要指标就是继电保护的定值。因为继电保护正确合理的定值直接会关系到电力系统的安全运行, 所以对于电力工程而言, 继电保护定值的整定计算具有非常重要的意义。

1 引进新型继电保护整定计算软件的必要性

在还没有新型继电保护整定计算软件出现的时候, 对于继电保护的整定计算主要还是依赖于人工手算, 有时也会辅助于一些计算设备, 但是因为实际工作当中会因为工作量大或者计算费时过长等等原因而造成最后的结果与实际结果的偏差较大。短路计算是继电保护整定计算工作中的前提和基础, 早期的短路电流计算程序还是在DOS操作系统下完成的。这些软件在早期虽然被用到电流计算中, 但是在实际工作当中它还存在着诸多的缺陷, 这些缺陷主要突出表现在以下几个方面, 功能、建模方法及管理数据库。

首先系统功能单一。因为该系统只能做好对于部分保护类型的定值计算或者是对故障进行计算, 而对于继电保护专业管理的工作实际的功能发挥作用并不大。

其次该建模方法落后。该系统主要利用支路节点输入法, 在进行支路节点输入时它对电网的支路及相关节点进行逐一的编号, 再以数据文件形式输入, 通过这种方式先将电网的原始模型构建出来。因为在实际操作过程中这种软件限制了电网的节点数, 所以在网架结构复杂的趋势下很难跟上地区电网的发展速度和步伐。

最后该系统不具备完善的继电保护管理数据库。因为缺乏系统和完善的数据库信息所以很难实现电网继电保护生产管理工作的有效实施。为此, 《继电保护故障分析整定管理及仿真系统》的开发为解决以上问题提供了新的思路, 成为目前许多地区电网继电保护生产管理的有效工作平台。

2 继电保护故障分析整定管理及仿真系统的功能

在研发《继电保护故障分析整定管理及仿真系统》过程中, 严格执行电网短路计算及整定计算规程, 结合地区电网的结构特点及其运行要求, 经过大量的运行调试, 不断充实、修改和完善, 经过几次程序升级, 如今的软件系统已经趋于全面成熟。该系统基于Windows设计、基于数据库设计、基于图形化设计、采用了当今先进成熟的计算方法和软件技术, 构成系统的主要模块如下图所示。

构成继电保护故障分析整定管理及仿真系统由图形化建模故障分析、继电保护整定计算、图开化继电保护仿真校验以及继电保护设备数据库定值数据库四个主要模块组成。第一对于图形化建模故障的分析, 因为该系统采用先进的故障分析程序, 所以当用户进行故障分析时就会变得非常简便, 可以在提供的有效图形环境里画出电网接线图。这样故障分析程序的结果将会自动生成并显示出来;第二对于继电保护整定计算。系统软件可以将电网线路上的图标进行整定然后将其配到电网相应位置上, 通过自动整定或手动整定来实现整定计算。整定计算工作完成之后就可以输出完整的计算书;第三对于图形化继电保护仿真校验。在对继电保护装置动作进行仿真校验时先要设置对应的运行方式和故障类型。那么系统在这个过程中就可以调用故障模块来决定是否跳闸。除此之外该系统还可以实现对开关制动的模拟进行后备动作的保护行为;第四关于继电保护设备数据库及定值数据库。因为该系统软件具有优于其它的系统软件的优点, 它拥有完备的继电保护装置数据库和保护定值数据库。所以实现了电网故障分析和整定计算与该系统数据库形成一个整体, 突出了它的整体性。

3 继电保护故障分析整定管理及仿真系统的应用

为了加深对继电保护故障分析整定管理及仿真系统的认识, 先要了解继电保护故障分析整定管理及仿真系统的应用, 笔者结合实际工作经验对此进行了相关的应用总结。

3.1 继电保护故障分析整定管理及仿真系统为生产工作带来便利

继电保护故障分析整定管理及仿真系统为生产工作带来了诸多的便捷, 主要体现在以下几个方面。其一它可以自动生成电网主线图、序网阻抗图以及继电保护配置图, 这个功能加大了生产工作的工作效率;其二它可以使手动整定和自动整定变为现实, 在整定工作完成之后还可以直接打出整定书, 这样就可以实现定值的整定配合, 大大减少了人员因素而造成的误差情况;其三它可以通过故障仿真功能检验保护动作行为;其四它还可以根据实际电网数据迅速地查电网的具体故障点, 为后序工作的开展提供准确和有利的数据;其五在短路计算过程中可以设置多种运行方式并且还可以模拟多种故障类型, 为故障分析提供更多的数据依据;其六该系统管理查询功能强大, 查询功能为多种运行方式提供了方便。

3.2 继电保护故障分析整定管理及仿真系统在应用中不断地完善

为了使继电保护故障分析整定管理及仿真系统得到更加广泛的应用, 所以还需要在不断应用过程中进行不断的完善, 以实现创新思路和创新要求的目的。为此, 笔者结合与其它研发人员进行的研发思考做了工作上的改进。主要包括以下几个方面, 因为原来的窗口选择时灵活性不强所以实际操作起来不是非常的方便, 而经过工作改进后绘图使用拉伸命令时增加窗口的灵活性;第二原来元件不能一次性实现复制到指定位置, 而经过工作改进后在进行绘图时可以实现直接将元件复制到指定位置;第三早期由于字节数受限所以对运行方式的描述不能做到全面和具体, 但经过后来工作改进增加字节后就可以呈现更多的运行方式描述, 从而使得选用的运行方式更加清晰明白;其四对于网架结构复杂, 变电站数量较多的地区电网, 为了提高整定速度, 缩短故障计算时间, 可以将大电网分为多个区域块电网, 每个区域块电网定义为一个独立的子网, 利用网络等值参数对各个区域块电网进行等效连接, 然后再进行故障计算及整定计算。

3.3 继电保护故障分析整定管理及仿真系统的改进建议

为了继电保护故障分析整定管理及仿真系统能够在实际工作得到更广泛的应用和普及, 笔者对自己所在地区继电保护故障分析整定管理及仿真系统的改进工作提出了一些建议, 希望同行可以相互借鉴。

其一增加了联络线两端继电保护装置相继动作时, 校验保护定值灵敏度的功能;其二在自动整定功能下, 若计算的线路零序Ⅳ段定值大于该线路Ⅲ段定值, 则零序Ⅳ段定值应自动取为零序Ⅲ段定值;其三修改软件在故障查询及仿真校验时对电网故障过渡电阻的取值, 使之计算的电网故障点更加准确;其四故障计算中, 应增加查询主变中性点电流互感器中流过的零序电流, 便于准确校核变压器零序电流保护灵敏度;其五线路零序Ⅳ段保护在与相邻主变高压侧 (220 k V) 零序最后段 (零序Ⅲ段保护跳总出口) 配时不能选择高压侧零序Ⅲ段, 只有中压侧零序电流可选, 建议进一步完善。

4 结语

科技时代引领下使信息网络技术在电网生产和电网管理工作中得到广泛的应用, 它的重要性也在电网工作中得到突显。而这些悄无声息的变化也正在推动着微机型继电保护装置的普及、故障信息系统的广泛应用以及综合自动化变电站的不断建立。对于继电保护故障分析整定管理以及仿真系统也已经在一些区域电网中得到广泛的应用。它的广泛应用不仅在继电保护整定计算工作效率上是一个很大的提高, 而且它还为继电保护装置以及继电保护专业培训在线运行提供了新的模拟方法。总而言之, 继电保护故障分析整定管理以及仿真系统既为继电保护专业信息资源共享提供更加良好的信息平台, 又为继电保护专业管理工作提供了更加标准和规范化的路径。

参考文献

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[6]赵祥民, 朱开合, 江小非.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算[J].电力纵横

继电保护装置的仿真实现关键技术 篇9

1 继电保护系统仿真技术的分类

1.1 数模混合仿真技术

电网重要的发电机、电动机等旋转设备采用数学模拟方法, 重要的变压器、线路元件和直流输电系统采用物理模拟方法, 其他电网元件及特性采用全数字实时仿真系统模拟, 通过功率连接技术实现全数字实时仿真与物理仿真装置的连接, 从而构成兼有物理和数字模拟技术特点, 并且能够突破模拟规模限制为特征的实时电力系统数模混合仿真模拟。该技术是实现大电网关键技术突破的重要依托之一, 是实现电网关键仿真模拟功能的重要试验验证手段之一。

1.2 动态模拟仿真技术

具有多年的动态模拟仿真技术研究经验, 可以实现1 000 k V及以下交流系统、800 k V直流输电系统及交直流混合输电系统、变压器、并联电抗器、固定及可控串补、数字式电压、电流互感器等的动态模拟。可开展继电保护和安全自动装置的试验研究;保护控制装置与通道的联合测试;负荷模型、发电机及其励磁系统参数的试验研究;可控电抗器、静止无功补偿、故障限流器等新型设备的性能及对系统影响的试验研究。

1.3 建模技术

采用统计综合法、总体辨测法、故障拟合法等技术, 开展负荷模型建模研究及SLM综合负荷模型适应性研究;结合机组励磁及PSS参数实测、调速系统实测技术研究工作, 进行大电网发电机控制系统仿真建模及校核技术研究。

2 事故中继电保护装置动作行为的分析

如果在电网故障中, 保护装置有不正确动作行为, 要根据当时的系统实际运行方式, 在寻找到的故障点处模拟相同的故障类型, 来计算相关变电站和发电厂的电压、电流及阻抗等值, 观察保护的动作情况, 分析故障中的保护装置的动作行为。并与录波结果进一步进行核实, 以保证与当时的实际情况相符, 从而验证了保护装置动作的正确与否。

利用仿真程序分析电网事故, 可以大大提高工作效率和工作质量, 为继电保护工作提供了先进的管理手段。

在电网运行中, 会出现很多难以预料的运行方式, 这些运行方式在保护整定计算中, 是没有考虑的, 也是无法预料的。利用继电保护仿真程序, 可以很方便地校验临时方式各种保护的灵敏度, 对紧急情况或电网事故作出正确的处理。

3 继电保护仿真系统的组成

继电保护仿真程序就是利用计算机程序模拟电力系统各种故障, 用故障量来检测保护的动作行为, 并能输出各站的保护动作情况。其主要由程序和数据库2部分组成。

3.1 数据库

(1) 电网一次系统图。包括所有整定范围的一次电网结构图, 应标有断路器状态, 断路器在断开位置和合闸位置应有明显区别, 以提醒计算人员有关保护动作跳闸情况。

(2) 继电保护定值库。1) 元件参数:电网元件参数数据是用来模拟故障计算时的依据, 必须是电网运行元件的实测参数。2) 继电保护定值库:与在电网中运行的实际定值一致, 包括各种保护的定值。

3.2 程序部分

程序主要包括以下几个部分:模拟故障计算、保护动作行为的判断和报告输出等。

(1) 模拟故障计算程序:模拟故障计算程序是仿真系统的核心, 它应能模拟各种故障类型, 并对各厂、变每条线的保护的各种测量值进行计算, 如相电压、相电流、相间阻抗、接地阻抗、零序电流、负序电流等。

(2) 输出报告:比较完毕后, 输出保护动作情况报告, 并在电网一次结线图上标明保护动作情况。

4 线路保护及其仿真

4.1 线路保护配置原理

110 k V及以下中性点非直接接地的电网, 主要采用过电流保护, 某些情况下采用距离保护, 甚至是高频保护, 并列运行的平行线路采用横联差动保护作为主保护, 以阶段式电流保护作为后备保护。110～220 k V中性点直接接地电网, 通常采用距离保护作为主保护, 阶段式或反时限零序电流保护、电流速断保护作为后备保护, 有些110 k V线路也装设1套全线速动保护。220 k V线路通常装设2套全线速动保护, 采用接地距离保护、阶段式或反时限零序电流保护、电流速断保护等作为后备保护。

4.2 管理功能

4.2.1 定值单的自动生成功能

当完成系统整定配合后, 进入定值单生成模块。程序可根据保护装置类型自动提供一种装置定值单的模板, 定值项的值自动取自整定出的定值。定值单可以修改、保存。

4.2.2 计算书自动生成功能

定值整定的整个过程都自动记录在计算书中。手工进行整定计算时, 计算书同步显示, 清楚地显示每步操作的情况, 十分方便。计算书可以查看、保存。

4.2.3 定值单管理功能

可以显示所有生成的系统定值单, 也可分别显示正在整定、待执行、已执行、已作废4种状态的定值单。可查阅各定值单对应的装置型号、保护对象、定值单编号等。可以将待执行定值单通过点击转化为已执行定值单, 并自动添加执行日期。可以将已执行定值单通过点击转为已作废定值单, 并自动记录作废日期。对于已作废的定值单可设定保留期限, 到期后自动删除。

5 变压器保护及仿真

5.1 变压器保护的逻辑动作原理

变压器保护主保护的逻辑动作方式比较简单, 不管设置的内部故障还是外部绝缘套管及引出线处故障, 都只要直接跳开变压器两侧或三侧开关。当变压器发生内部故障时, 搜索此变压器上安装的保护, 并根据其动作时延进行排序, 动作时延最短的即为动作的保护, 由于变压器很多保护都是零秒延时, 因此有可能2个保护同时动作。当变压器发生外部绝缘套管及引出线处发生故障时则认为差动保护动作。保护变压器防止出现故障和后备保护的动作情况与线路故障基本相同。

5.2 变压器保护模型仿真流程

系统中的变压器保护是由函数TransformerSimulator () 来实现的, 变压器保护的程序流程框图如图1所示。

6 结语

本文以基于逻辑的保护通用为基础, 并根据实际保护元件的特点, 对各种元件保护原理实行变通和合理的分析, 使其更能满足本课题的快速性及逼真性的要求。分别对线路保护、母线保护、变压器保护及发电机保护中各相具体保护装置明确动作原理及判据, 而后建立相应的数学模型及程序实现, 并对其作必要的解释说明, 根据各类的保护装置的相互配合, 即可仿真实现整个继电保护系统的仿真。

参考文献

[1]钱军, 冯林桥, 张文涛, 等.地区电网继电保护仿真智能系统[J].电力自动化设备, 2007, 27 (4)