研究继电保护仿真与评估系统_科技类论文发表

　　　　摘要：本文对电力系统继电保护仿真校验,进行深入分析，在常用保护装置的基础上，以通用性、方便性为原则，将保护装置划分四层结构，按照保护实际原理，分解若干通用组件，最后形成建立实时仿真系统，在其基础上进行保护校验与评估系统。本文就此系统设计方案及实现功能作详细介绍。该系统模拟实际保护装置，采用面向对象编程技术,提高软件模块化,应用在电力系统继电保护装置进行动作行为分析。
　　关键词：继电保护，DDRTS仿真，仿真校验
　　随着电网容量的扩大和电压等级的提高，对继电保护四性的要求越来越高，使得保护种类繁多，保护装置日益复杂。针对单一保护装置的仿真系统，既无法满足产品开发的需要，也无法满足运行人员培训的需要。随着对保护原理研究的不断深入，在应用中的保护原理的作用范围、保护算法的合理性和实用性、保护在特定故障下动作是否正确，保护的动作区能否满足要求等，都需要对保护进行校验并能给出合理的正确的评价。因而，开发一套通用的继电保护仿真与评估系统有着重要的应用价值。
　　继电保护是一门实践性很强的学科，所研究出来的任何新原理、新算法都必须经过大量的验证，证明其确实可行之后，才允许投放到系统中去。在现阶段，研究人员验证新的保护原理，一般有两种途径：一是利用单片机或者工控机作为核心做出保护装置，采用汇编语言或者C语言编制相应的软件，通过动模实验来验证保护算法的性能；二是利用电力系统故障仿真软件仿真系统的各种故障状态的暂态过程，以其所得的数据去测试、分析原理的正确性。然而，上述做法对于保护新原理的研究而言，却存在这样一个问题：中间过程不清晰，不便于分析、寻找问题。
　　对此，本文提出了将保护平台按4层结构划分的指导原则。并以此为基础，设计开发了一套通用继电保护仿真系统。通过和一次实时数字仿真系统相连可以进行保护闭环校验，也可以采用故障录波数据进行离线校验。对各种装置的保护原理和构成可以做到直观的仿真，还可以模拟实际保护装置的面板,实现对现有继电保护进行校验，对各种保护整定规则进行评估与研究。
　　1. DDRTS实时仿真系统概述
　　DDRTS实时仿真系统已经具备完善的图形建模、电气设备参数设置、稳态与故障实时仿真，其提供的数据可以用于电力系统继电保护校验与评估。
　　DDRTS系统的核心是电力系统电磁暂态仿真软件，利用此软件可在微机上建立数字仿真系统，对所模拟系统进行动态实时仿真，并将待测装置测试所需的电压、电流等信号经高速通信系统输出。通过信号转换及输人输出系统的D/A转换和电压、电流功率放大器送入待测装置以进行装置的实时测试。同时，待测装置的响应信号可通过信号转换及输入输出系统实时反馈回微机形成闭环测试。
　　2. 校验系统的设计方案
　　数据库管理
　　数据库的管理是该系统的核心，大部分功能的实现都是以数据库为核心。本系统从实时数据库中读取数据到模型，或将模型数据传送到实时数据库中，才能实现在线仿真校验。而且对于以往校验所保存的典型模型和报表文件等文档管理所需数据也是来源于数据库。保护仿真系统与数据源的关系如图1：
　　保护的评估
　　通过对保护校验得到的数据以及保护报告进行分析，可以检验保护的动作范围，检测在特定故障情况下保护是否能可靠动作，给出保护动作是否正确，算法是否合理，保护方案是否合理的评估结论。保护校验系统实际上是对保护仿真数据进行分析的专家系统，建立保护动作行为分析的规则库和事实库，实现了知识库管理系统，建立合理的推理机制、解释机制。
　　软保护的分层与构造
　　通过对典型保护的分析，把典型的功能单元分离出来，使之成为通用于多种保护的具有特定功能的独立单元，也就是基本模块。基于上述思想，对保护装置进行分解如下：
　　第一层，各种保护的动作逻辑
　　根据保护装置的类型和要保护的一次设备种类，利用低层相关的元件搭成保护动作逻辑，就能完成具体的保护功能，进而可以组成一套完整的保护装置。例如三段相间距离、三段接地距离、四段零序电流方向、高频相间距离、高频零序方向保护、三相一次重合闸可以构成一套110kV大电流接地的线路保护。用分相式快速虚拟比相式电流突变量保护和比率制动式电流差动保护，可以构成母线保护的主保护。总之，可以利用各种保护功能模块搭建保护装置，并完成保护任务，满足实际应用的不同需要。
　　第二层，动作特性和保护判据层
　　本层是各种具体保护功能的动作特性和动作判据，例如PT断线、CT断线，线路保护中用到的阻抗特性、零序各段动作判据、方向特性等，发电机比率制动式差动保护、不完全纵差保护、标积制动式差动保护、发电机匝间保护、裂相横差保护判据等元件。将本层的模块进行逻辑组合并调用第三层模块就可以实现一定的保护功能。
　　第三层，保护的基本功能元件
　　本层中的各保护元件是按照保护原理中用到的保护功能划分，各元件尽量做到相互独立，互不嵌套。根据保护种类不同，其中包括启动元件、选相元件、阻抗计算元件、差动电流元件、制动电流元件、时间元件、逻辑门、开关量输入、开关量输出及各种其它电气量的计算元件等，其中有些元件根据保护中用到的具体类别有不同子类元件，如：启动元件包括突变量启动和零序辅助启动。
　　第四层，采样数据的预处理
　　(1) 滤波、滤序和电压电流的计算
　　本层包括基波和各次谐波的滤波运算、滤序和电压电流的计算。滤波算法包括傅立叶算法、沃尔希函数算法等[7]，还有一些将电气量的运算与动作判据结合在一起的算法，例如，用离散值直接实现的方向阻抗继电器的算法，利用输电线路的简化模型写成的微分方程直接计算输电线路短路电阻和电感的算法等。根据保护原理和功能的不同选择合适的滤波算法。滤序包括正序、负序、零序分量的求解，可以采用相量法或基于采样值的算法。
　　(2) 数据的采样及模数转换
　　数据采样的作用是将电流互感器二次、电压互感器二次的模拟信号转换为数字信号，供保护微机系统进行分析计算，以确定系统是否发生故障。采样保持模块完成的功能就是在采样时刻把模拟信号的瞬时值记录下来，且在A/D转换期间使被采样的信号保持不变。
　　模数转换实际上可以认为是一种编码电路，它可以实现将模拟的输入量UA相对于参考电压UR经过编码转换成n位二进制数字量D。用二进制表示为
　　D=B12-1+B22-2+…+Bn2-n
　　式中,B1-Bn为二进制数的0或1，n为A/D转换的位数
　　其中D是一个小于1的数，D=UA/UR,从而模拟信号可表示为UA=DUR。模数转换的方法有多种，可以是基于逐次逼近原理的，也可以采用电压频率第五层，由上述模块并按照设计的保护逻辑图搭建保护。
　　3. 继电保护仿真校验与评估系统的界面
　　图形化操作界面，使得保护校验系统的连接方便、直观，参数调整也更加简单，方便。保护模块的连接和参数调整示意图如下图：
　　仿真过程中可以跟监视意模型变量数据的变化情况。既可以以浮点数形式显示在模型边，也可以以曲线的形式跟踪波形变化。
　　4. 结论
　　随着继电保护仿真技术的不断发展和深入，对微机保护仿真的要求也必然会越来越高，本文提出了在微机保护仿真系统中采用模块化的建模思想并利用实时数字仿真技术实现全面、完整、真正闭环测试的计算机仿真校验与评估系统。构建模型时，可以随时切换到运行状态，了解模型的运行情况，而且可以实时修改模型参数和变量数据，干预模型的运行，并可以用曲线监视各模型变量数据的变化情况。
　　现阶段平台的缺点是，许多组件的算法不够齐全，因而针对这些算法的校验还不能进行。由于平台良好的可扩充性，随着平台应用范围的加大和实践的积累，组件算法必将日益丰富。
　　参考文献
　　[1].宋人杰、陆达、徐涛，通用型继电保护及二次回路多媒体仿真培训系统平台，继电器，2001
　　[2].张乃莉、祁在山、贾会荣等，对继电保护仿真实现方法的分析和比较，河北工程技术高等专科学校学报，2004，（2）：11～14
　　[3].郭征、贺家李、杨洪平等，电力系统故障时继电保护装置动态特性的数字仿真，电力系统自动化，2003，27（11）：38～41
　　[4].贺家李、郭征、杨晓军等，继电保护的可靠性与动态性能仿真，电网技术，2004，28（9）18～22
　　[5].胡广书，数字信号处理：理论、算法与实现，北京，清华大学出版社，1997