（电力系统及其自动化专业论文）计及电网模型的继电保护仿真培训系统研究.pdf

声明尸明 1 1 1 11 1 11 1 111 11 1 11 11i il 17 9 6 7 8 5 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文计及电网模型的继电保护仿真培训系 统研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：冯正聋日期：2 盟：主马 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 导师签名：鳖垂生 日期： 二q z 2 ：主：窖 华北电力大学硕士学位论文 摘要 结合电力系统仿真技术的新发展，本文提出并开发了一种基于面向对象技术的 继电保护仿真培训系统。本仿真系统以电网侧d d r t s 系统的电磁暂态计算结果为 保护仿真基础，通过实时数据库交换数据，实现计及电网模型的继电保护仿真；并 采用动态链接库技术建立各种二次设备的模型算法库，通过算法模块组建继电保护 装置的仿真模型。虚拟继电保护装置人机界面的开发则利用了脚本运行加配置文件 的方式进行设计，从而满足了仿真系统的通用性要求。该仿真系统通过友好的可视 化操作界面和基于定值判别法的继电保护仿真，能真实地再现继电保护装置的工作 原理和动作过程，可供继电保护运行人员培训使用。通过对继电保护运行人员特别 是新员工的培训，能大大加强他们的专业技术知识，改善继电保护的运行维护水平。 关键词：继电保护，d d r t s ，脚本程序，实时数据库 a b s t r a c t w i t ht h en e wa c h i e v e m e n t so fp o w e rs y s t e ms i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , as o f t w a r e d e s i g nm e t h o dw a sp r o p o s e dt oi m p l e m e n tt r a i n i n gs y s t e mo fr e l a yp r o t e c t i o nb a s e do n t h eo b je c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y i nt h es y s t e m ，s i m u l a t i o no fp r o t e c t i o ni sb a s e do nr e s u l t s o fe l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tc a l c u l a t i o no fd d r t sa n dt h ee x c h a n g eo fd a t at h r o u g ht h e r e a l t i m ed a t a b a s e ；a n dl i b r a r yo fv a r i o u ss e c o n d a r ye q u i p m e n tm o d e l si se s t a b l i s h e db y u s i n gd y n a m i cl i n kl i b r a r yt e c h n o l o g y , t h es i m u l a t i o nm o d u l e so fp r o t e c t i o ne q u i p m e n a r eb u i l tu pb yt h e s ea l g o r i t h mm o d u l e s a n d ，m a n c o m p u t e ri n t e r f a c eo fv i r t u a lr e l a y p r o t e c t i o nd e v i c ei sd e v e l o p e db yu s i n go p e r a t i o no fs c r i p t sa n dc o n f i g u r a t i o nf i l e s ， w h i c hc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fv e r s a t i l i t y t h r o u g hf r i e n d l yv i s u a lo p e r a t i o n i n t e r f a c ea n ds i m u l m i o no fr e l a yp r o t e c t i o n b a s i n go n d i s c r i m i n a t i o no f s e t t i n g ， t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dw h o l ea c t i o np r o g r e s so fr e l a yp r o t e c t i o ni n s t r u m e n tc a nb e r e p r o d u c e dt r u l yi nt h i ss y s t e mw h i c hi sh e l p f u lf o rt r a i n i n go p e r a t i n gs t a 吒e s p e c i a l l y n e ws t a f f b yt h i sw a y , s t a f f s p r o f e s s i o n a l s k i l l sa n dt h el e v e lo fo p e r m i o na n d m a i n t e n a n c eo ft h er e l a yp r o t e c t i o nc a nb ei m p r o v e dg r e a t l y f e n gz h e n g w e i ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e m & a u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f b it i a n s h u k e yw o r d s ：r e l a yp r o t e c t i o n ，d d r t s ，s c r i p tp r o g r a m ，r e a l - t i m ed a t a b a s e 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 课题背景和意义1 1 2 继电保护仿真的研究现状2 1 3 本文的主要工作3 第二章继电保护仿真系统的总体设计5 2 1 继电保护仿真系统的开发要求5 2 2 继电保护仿真系统的总体设计方案5 2 3 继电保护仿真系统的开发环境7 2 4 本章小结8 第三章继电保护仿真的实现及电网计算的设计9 3 1 继电保护仿真支撑平台的总体结构9 3 2 电力系统一次侧的建模及分析计算1 0 3 2 1 电网一次系统的图形化建模1 0 3 2 2d d r t s 的仿真计算模型1 1 3 2 3d d r t s 中故障电流的计算1 3 3 2 4d d r t s 在本系统中的应用1 5 3 3 继电保护仿真模型算法库的开发1 6 3 3 1 继电保护装置的结构划分1 6 3 3 2 继电保护算法的编写1 7 3 3 3 继电保护算法的管理和操作19 3 3 4 动态链接库及a p i 接口的应用1 9 3 4 电网二次系统模型的构建2 0 3 4 1 继电保护仿真的图形化建模方法2 0 3 4 2 继电保护装置的图形化建模2 l 3 4 2 1 根据模型功能确定保护结构图2 l 3 4 2 2 三段距离保护的结构2 2 3 4 2 3 保护装置的具体建模2 4 3 5 本章小结2 5 第四章虚拟继电保护装置人机界面的设计2 6 4 1 虚拟保护装置人机界面的设计思想2 6 4 2 虚拟保护装置人机界面的具体实现2 7 4 2 1 虚拟保护装置的界面设计2 7 4 2 2 虚拟保护装置的调试菜单设计3 0 4 2 3 虚拟保护装黄的主菜单设计3 2 4 2 4 虚拟保护装置的正常运行与显示3 3 4 3 虚拟保护装置人机界面的运行设计3 4 4 3 1 脚本程序的应用3 4 4 3 2 系统的运行和液晶窗的开发3 4 4 4 虚拟保护装置人机界面的通信3 6 4 5 本章小结3 6 i i 华北电力大学硕士学位论文 第五章仿真系统的数据管理和数据通信3 7 5 1 继电保护仿真系统数据库的总体结构3 7 5 2 继电保护仿真系统数据库的具体实现3 8 5 2 1 实时数据库的设计目标3 8 5 2 2 实时数据库的具体结构3 8 5 2 3 实时数据库与商用数据库的结合4 0 5 2 4 实时数据库管理系统4 0 5 3 数据库的数据接口4 1 5 3 1 开放式数据库连接接口4 l 5 3 2 接口算法定义4 2 5 4 数据库访问的冲突控制4 3 5 5 一次系统与二次系统的连接4 4 5 6 本章小结4 5 第六章结论4 6 6 1 结论4 6 6 2 工作展望。4 7 参考文献4 8 致谤 5 l 在学期间发表的学术论文和参加的科研工作5 2 i i i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 电力是工业生产的主要能源，电力运行的可靠性直接影响着工业生产的经济效 益和安全性。随着电力系统的快速发展，现代电网的规模、容量和覆盖范围越来越 大，对整个系统供电的可靠性要求越来越高，现代化的继电保护及安全装置也越来 越复杂。由于现代电力系统在国民经济和人民生活中占有重要的地位，电力系统故 障停电将给用户造成重大经济损失。因此，保证电力系统安全、可靠、经济运行， 是供用电双方共同的迫切要求。 在电力系统中，继电保护装置具有举足轻重的作用，继电保护装置的正确、可 靠、及时动作是电力系统安全稳定运行的基础。因为电力系统在运行中，由于各种 原因会不可避免的发生各种故障和不正常运行状态，除应采取措施消除或减少发生 故障的可能性外，还必须保证当故障一旦发生时继电保护装置能够快速而有选择性 地切除故障元件，从而最大限度地减小故障的影响，保证电力系统运行的稳定性【l 】。 为保证继电保护装置在各种复杂环境中能正确操作，除应加强对保护设备各项性能 的研究，更也应不断提高继电保护运行人员的素质，加深运行人员对继电保护装置 的认识和了解，以提高继电保护的运行维护水平，最大限度地发挥继电保护装置在 电力系统中的作用。 对于传统的继电保护装置，保护运行人员能从其原理和结构上充分认识，而微 机保护装置对用户来说却只是一个黑匣子，给运行人员对其原理和结构的认识带来 了障碍，从而造成了对保护装置原理和系统构成的认识上的不足【l 】。另外，由于电 力系统在国民经济和人民生活中的特殊地位，不可能在运行的真实系统中进行大量 的操作试验，使得保护人员难以在电力系统的正常操作和事故处理中得到充分的训 练。电力系统仿真培训技术的出现使得这些问题得到了很好的解决，培训系统为电 力系统运行人员提供了一个良好的实践和操作环境，使运行人员在实战模拟中提高 专业技术和运行水平。 电力系统仿真培训技术是计算机技术与电力系统仿真技术相结合的产物，是进 行电力系统知识教学与培训的一种强有力的手段，在实际电力系统中得以广泛的应 用，是电力系统数字仿真领域的一个重要分支和方向【2 弓j 。目前市场上的电力系统仿 真培训软件较多，而专门针对继电保护运行人员开发的仿真培训软件较少，且大多 软件都侧重于对运行人员的正常倒闸操作、运行监视和调整、事故处理及系统运行 恢复等的培训【4 巧】，继电保护的培训仿真也只是作为整个培训内容的一个部分，且存 华北电力大学硕士学位论文 在只偏向于对继电保护动作行为的仿真，不注重对保护装置的工作原理、操作和调 试功能的真实模拟的问题。 针对以上问题，开发一套针对继电保护运行人员的专业仿真培训软件是非常必 要的。通过这样一套直观易用的继电保护仿真分析软件来模拟各种保护装置的功能 元件及其组成系统，通过进行单步或连续的动态校验，从而能详细地观察分析继电 保护装置故障期间的动作行为和工作原理。这就可以使用户清楚地观察保护设备的 内部结构和故障期间的动作逻辑，实现保护动作过程的透明化、可视化，使保护装 置由“黑盒子 变成“白盒子 1 6 】。并且通过逼真模拟实际系统中故障后继电保护 的动作情况及动作后果，把保护调试和保护不正确动作后的原因查找工作变得微机 化、图形化和时序化，这能让培训人员更清楚的了解真实系统故障后的情况，从根 本上提高培训人员的实际操作、运行能力和紧急事故的处理能力。 1 2 继电保护仿真的研究现状 目前电力系统仿真系统中，继电保护仿真主要有两种方法：逻辑判断法和定值 判断法，两者各有优缺点。通常，逻辑判别法只给出电力系统故障后保护装置的动 作信息，而无需或难以得到详细的故障计算数据信息，因此它与电力系统故障计算 无关。且通过设定从故障点向外围的开关逻辑和继电保护装置动作时延的配合来反 映选择性。因此，基于逻辑判别法的继电保护仿真实时性好，易于满足速动性的要 求，但相比基于故障仿真计算结果的定值判别法仿真则不够逼真，某些运行条件下 仿真结果与实际情况有较大差别【7 1 。 而基于定值判断的仿真是以故障计算为基础，以保护仿真模型的计算为依据， 仿真故障后保护装置的动作行为，每个保护装置是否动作由保护的整定值与短路计 算的结果决定，故能比较真实地模拟实际电网的动作情况。当故障时，各c t 和p t 的测量值取自系统故障计算的结果，每套保护装置通过建立相应保护原理的保护仿 真模型来模拟，并以仿真模型具有的定值配合和动作时延配合来反映选择性，通过 设定整定值和延时时间实现保护之间的配合关系，靠自身的模型来反映灵敏性要 求。它更接近实际系统的运行情况，更真实【引。 但是由于定值判断仿真需要建立较准确的继电保护模型，对仿真系统的故障仿 真计算也有较高的要求，并且计算机计算能力的提高以及电网分析计算的实时性得 到保证的前提下，快速保护才按其原理动作。所以在以前的大多数电力仿真系统中， 基于定值判断的继电保护仿真还比较少。而在计算机内存急剧扩大的今天，计算机 计算能力的提高完全能保证电网分析计算的实时性能满足定值判断的继电保护仿 真要求。因此本文基于成熟的仿真条件采用了基于定值判别的继电保护仿真方法。 基于定值判别法的继电保护仿真模型其实现原理与实际保护装置原理有一定的 2正 华北电力大学硕士学位论文 不同，但一般均由三部分组成：测量环节、判断环节以及动作环节。保护装置通过 测量环节得到所需的电量值，将其与整定值相比较判断是否启动，若满足条件则动 作环节动作、保护启动【9 1 。实际的保护装置结构图如下： 图1 - 1 实际保护装置原理图 同样，对于基于定值判别的保护装置仿真也可以由相应的三部分组成，其结构图如 下图1 - 2 所示： 图1 - 2 定值判别法仿真的原理图 由上图可知，实际系统保护装置的第一个环节是测量环节，它通过准确、快速、 可靠地感应外界电力系统的各种状态，为逻辑环节提供信息来源；定值判别法则是 模拟实际系统的测量环节，根据一次系统的电流电压和各序分量以及由它们演变而镶 来的其它物理量，作为定值判别的实时信息来源。第二环节，无论对实际的保护装 置还是保护装置仿真，第二环节都是关键和精髓，它们都是基于各种保护原理实现 逻辑判别功能。第三环节，实际保护装置的第三环节直接开合开关。仿真装置的第 三环节则向一次系统输出故障信息、动作的保护装置信息、动作的开关信息，向教 员台和学员台输出动作的保护装置信息、动作的开关信息等。 。 现行继电保护仿真软件的开发，都采用了模块化的组件思想，即把上述原理图笋 中的每个功能单元通过功能模块逐层搭建出来【l0 1 。因此我们只需构造一些通用模型 组件，当出现新设备时可以尽量不修改现有主程序，完全由用户合理建立新的设备 模型来实现仿真。采用组件思想和图形建模工具将使仿真系统的应用更加灵活、方 便。将继电保护装置中的各功能元件用程序模块加以实现，在仿真时用图形操作将 这些功能元件按被模拟保护装置的实际结构组成保护装置的软件框图即可【l l - 1 2 】。 1 3 本文的主要工作 本文详细分析继电保护仿真培训系统的研究现状，以v c + + 程序为开发工具，应 用面向对象技术开发了一套具有w i n d o w s 图形界面风格的继电保护仿真平台。通过 对仿真系统进行调试，验证了仿真软件的准确性、真实性和可靠性。论文的核，t , , - l - 作内容如下： ( 1 ) 提出继电保护仿真系统的总体设计方案 为保证仿真软件的通用性，并最大限度的简化用户的操作，本文将继电保护仿 3 华北电力大学硕士学位论文 真系统分成仿真系统支撑平台主程序、电力系统数字动态实时仿真系统d d r t s ( d i g i t a ld y n a m i cr e a lt i m es i m u l a t o r ) 的电网计算程序、继电保护人机交互界面程 序和实时数据库四个部分，并分别加以开发、实现。四个部分通过接口互相联系， 共同实现整个继电保护仿真系统的功能。 ( 2 ) 电网一次侧的电磁暂态计算设计 由于本仿真系统是采用基于定值判别法的继电保护仿真方法，其仿真前提是精 确的继电保护仿真模型和准确的故障电流计算。前者可以在s c t 3 0 0 0 仿真支撑平台 上实现，后者则采用d d r t s 的电磁暂态程序作为电网计算的主程序，为继电保护 仿真模型提供精确的电网计算结果，从而实现计及电网侧模型的继电保护仿真。 ( 3 ) 继电保护人机界面程序的设计 由于在s c t 3 0 0 0 仿真支撑平台难以实现继电保护人机界面的灵活设计，所以需 要单独开发方便、实用的保护人机界面仿真程序。本文运用面向对象编程技术，采 用保护装置配置文件结合动态脚本程序的编程思想，开发出了一套高逼真的继电保 护人机交互界面。在继电保护仿真界面上能完全模拟在真实保护装置上的操作，让 培训人员得到更加真实、具体的操作培训。 ( 4 ) 仿真系统的数据通信和管理 本仿真系统采用实时数据库实现电网一次侧和二次侧的数据交换，并以时间标 识来统一整个系统的仿真时间。数据库是整个系统数据交换和管理的核心。本系统 中继电保护仿真系统与外部数据的接口都是通过实时数据库实现的。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章继电保护仿真系统的总体设计 2 1 继电保护仿真系统的开发要求 仿真系统的目的是建立仿真模型模拟真实的保护装置，提供给使用者电网中保护 装置的情况，从而有利于进一步研究。从建立继电保护装置仿真系统的目的出发， 对仿真系统设计提出了一些基本要求：真实性、灵活性、实用性、统一性、易扩展 性等要求1 3 j4 1 。这就使得开发的继电保护仿真系统能根据真实系统的设置，建立仿 真系统的保护模型，通过设置各种故障，校验保护整定值的正确性，并能够正确的 模拟保护装置的动作行为；并且在仿真系统中能很容易地加入新的保护原理、扩展 保护类型，而不需要改变系统的程序主体部分。 根据上述的仿真平台开发的总体目标，按照上述的设计要求开发整个继电保护 仿真培训系统，其开发的技术特点如下： 謦 ( 1 ) 图形建模和图形化管理 平台应具备图形化建模功能，能根据继电保护算法库自动生成算法图标，使用 户可以以图形化操作搭建具体的继电保护模型。图形化管理可以为用户提供友好的 毒 人机界面，实现图形、信息的一体化管理，充分发挥计算机对保护装置仿真准确、 直观、方便、灵活的优势。 ( 2 ) 实现易于扩展的继电保护仿真算法库 在系统中采用了模块化的建模思想，各种保护模型是由保护仿真算法生成的模 块搭建而成。因而，仿真算法的通用性和算法库的完备性是仿真平台通用性的根本 保证。 ( 3 ) 有良好的数据接口 良好的数据接口使系统的配置灵活并能方便地进行功能扩展、二次开发以及第 三方连接，为以后仿真扩展功能提供了有力的技术保障，也是完成保护模型仿真的 先决条件。 ( 4 ) 仿真功能全面 系统应能校验各个保护模块，各种保护原理及模型，而不仅是特定的几套保护 装置，要具有高度的可移植性。这是由仿真平台的开发目的决定的，是保护仿真平 台的基本功能。 2 2 继电保护仿真系统的总体设计方案 根据上述继电保护仿真系统的开发目标，难以简单地用结构化程序来实现整个 5 华北电力大学硕士学位论文 继电保护仿真系统，而必须对仿真系统做出整体的设计方案，在整体方案的指导下 分块加以实现。仿真系统是建立在图模库一体化通用仿真支撑平台系统s c t 3 0 0 0 系 统上，该支撑平台系统提供的最主要功能就是数据共享平台功能以及仿真模型的搭 建及运行平台功能。另外该系统的一个显著特点是其开放性方面，所有仿真系统数 据都是透明的，第三方用户可以非常方便地与本系统实现互联，同时也可以很方便 地进行应用功能扩展。 本仿真系统是采用基于定值判别的继电保护仿真方法，其仿真前提是精确的继 电保护仿真模型和准确的电网故障电流计算。在通用仿真支撑平台s c t 3 0 0 0 系统上 能建立较为精确的继电保护仿真模型，同时在此平台上能实现保护装置仿真模型的 断点和连续的仿真测试。而准确的电网故障电流计算则必须采用仿真实时性较高、 计算精度较好的电网计算程序，本系统中采用d d r t s 的电磁暂态计算程序实现电 网一次侧的精确故障计算。另外，由于在s c t 3 0 0 0 系统上难以实现保护人机界面的 灵活配置，因此本系统单独开发了一套逼真的虚拟继电保护装置人机界面程序，实 现了保护装置界面操作的仿真培训。 在数据通信方面，由于s c t 3 0 0 0 仿真支撑平台、d d r t s 电网计算程序以及继电 保护人机交互界面程序之间没有直接的数据接口，而且各部分之间的仿真步长不 同，若采用一般的通信接口程序则难以实现仿真同步。为保证各个仿真程序之间的 良好数据通信和仿真逻辑顺序的控制，因此本系统开发了实时数据库来作为各部分 直接的数据接口，实现各仿真程序之间的无缝连接。此外，实时数据库还用来保存 继电保护模型的各种参数值和保护定值，以及保护动作报告等运行数据。 综上所述，该仿真系统是以前台的图形界面和后台的数据库为基础，包括图形 编辑系统、潮流计算和短路计算及继电保护模拟系统。具体讲，整个仿真系统主要 由四部分构成：继电保护仿真支撑平台s c t 3 0 0 0 主程序、d d r t s 电磁暂态计算程序、 虚拟继电保护装置人机交互界面程序以及实时数据库系统。 仿真系统的一次侧图形界面采用s c t 的图形系统，而计算采用d d r t s 电磁暂态 计算程序。二次侧保护操作的图形界面采用专门开发的虚拟保护装置人机交互界面 仿真程序来实现，电力系统二次侧软保护仿真模型的搭建以及保护算法库的修改都 在s c t 系统下的电网二次回路建模程序中实现。 其中s c t 系统作为继电保护仿真支撑平台，是仿真平台操作和运行的主体。其 完成的主要功能有：完成与实时数据库的数据连接，对算法库中算法进行管理，模 型运行过程中对相关算法进行调用，对用户图形化操作的支持，以及其它有关用户 工程的操作。继电保护仿真算法库则是继电保护仿真平台的核心组成部分。建立继 电保护仿真算法库的基础则是对保护装置合理地进行功能元件的划分。 计及电网模型的继电保护仿真系统其具体结构如图2 1 所示： 6 华北电力大学硕士学位论文 - l d d r t s 电网 i 电网一次系电网二次回 其他i 虚拟保护人 计算程序 l 统建模程序路建模程序程序 i 机界面程序 i i ，尊 ml l 一争 实时数据库 实时数据库管理系统 e i 外部数据源 刮通信程序i数据l翥览“m x 广r 数生成据文c 件s v 图2 - 1 仿真系统总体结构 2 3 继电保护仿真系统的开发环境 传统的软件设计都是基于面向功能或面向结构图的，在实际应用中存在诸如调 试困难、界面不友好和可维护性差等问题【l5 1 。随着面向对象技术的出现，由于它的 “ 极大的灵活性且易于维护，因而被得到了广泛的应用。面向对象技术是一种新的设 计思想，也是一种新的设计方法，具有灵活性，可扩展性，可维护性和数据完整性 的优点。这种新方法可应用于仿真软件开发的全过程，从分析、设计到实现【1 6 】。 面向对象的程序设计是以支持面向对象特性的语言为基础的，本仿真系统的开 发在v i s u a lc + + 6 0 的编程环境下采用了c + + 语言。c + + 是编写诸如操作系统、设备 驱动程序以及动态链接库( d l l ) 的强大语言，这三种领域代码的开发依然是v i s u a l c + + 的主要优势l l7 。v c + + 最主要的技术特点是可视化编程和支持面向对象的编程技 术，同时通过a c t i v e x 技术，支持o d b c 数据库编程等【墙】。因此本文开发的继电保 护仿真系统是建立在w i n d o w s 平台上，在微软公司的v i s u a lc + + 6 0 编译环境下， 利用面向对象的程序设计技术完成了软件的编写、调试。 本仿真系统的实时数据库则采用结构化查询语言s q l ( s t r u c t u r e dq u e r y l a n g u a g e ) ，它是是i b m 公司开发的数据查询语言，现在已经成为关系数据库查询 语言的标准。a c c e s s 使用符合标准的s q l 语言作为它的数据库语言，从而提供了强 大的数据处理能力和通用性，是一个功能强大且易于使用的关系型数据库管理系统 和应用程序生成器l i 引。 7 华北电力大学硕士学位论文 继电保护仿真算法库中的算法和模块的程序编写独立于继电保护仿真主程序。 因而对其具体的实现语言也没有特别要求，本文采用f o r t r a n ，最终只要满足规 定的接1 ：3 要求，能生成动态链接库( d l l ) 文件即可【2 。 综上，本仿真系统的开发分为三部分：仿真系统的程序编写是以v c + + 6 0 为工 具开发的，实时数据库是以m i c r o s o f ta c c e s s 创建完成的，继电保护仿真算法库则 是以f o r t r a n 语言编写完成各保护算法后，统一生成的动态链接库( d l l ) 文件。 2 4 本章小结 本章主要描述了继电保护仿真系统总体设计思路，在总体设计中提出了整个系 统的设计要求和功能要求，并通过系统结构图明确了系统所应具有的功能模块，并 对每个功能模块部分的设计和实现进行了简要的阐述。 8 华北电力大学硕士学位论文 第三章继电保护仿真的实现及电网计算的设计 在仿真平台的开发设计中，仿真平台的通用性、灵活性和方便性，直接影响着 仿真平台的使用和推广。现行软件的开发都要求有良好的操作界面，而图形化用户 界面( g u i ) 的出现则迎合了这种需求【2 。在电力系统的应用软件中，也出现了大量 的图形系统，它们都较好的满足了特定的要求，取得了良好的效果。因此，本仿真 支撑平台系统采用了图形化的建模设计，方便了用户的使用。 本系统采用的s c t 3 0 0 0 图模库一体化仿真支撑系统，实现了电网一次主接线系 统的图形建模和通用保护和二次回路等逻辑模块的图形化建模，并且可以完成一次 模型和二次回路模型的图形连接，使用户能够方便地完成所有电网动态仿真和变电 站仿真模型的图形化建模工作，并且修改、扩充、升级十分方便。电网的分析计算 部分采用d d r t s 的软件在电磁暂态模式下进行，在该模式下不仅计算系统的工频 电量，而且考虑非周期和高频分量以及快速的动态过程。 3 1 继电保护仿真支撑平台的总体结构 s c t 3 0 0 0 支撑平台系统采用开放式体系结构，基于国际公认标准的网络环境及 分布式客户服务器体系，提供系统设备及功能扩充环境。软件采用v c + + 编程语 言，t c p i p 网络通讯协议以及邮件槽网络通信技术，提供开放式的接口，便于系统 功能的扩充。支撑平台系统包括：实时数据库管理系统、图模库一体化的图形系统、 网络通讯及事件协调管理系统。图模一体化的图形系统又包括：电网一次主接线的 图形建模程序和二次回路的图形化建模程序。 图3 一l 仿真支撑系统程序启动流程 s c t 3 0 0 0 支撑平台系统在w i n d o w s2 0 0 0 或w i n d o w sx p 操作系统上运行， 而且 要求安装有m i c r o s o f ta c c e s s 数据库。由于本系统与实时数据库平台系统有着紧密 9 华北电力大学硕士学位论文 联系，因此只有在实时数据库服务程序( r t d b s r v e x e ) 启动的情况下才能运行图形化 的支撑系统，整个仿真支撑平台系统的启动流程如上图3 1 所示。 当启动系统用户管理程序p s s s t a r t u p e x e 后，在图形对话窗口中输入用户的名称 和密码，然后进入s c t 3 0 0 0 系统，同时主程序会自动的链接并启动实时数据库服务 程序r t d b s r v e x e ，载入工程数据。然后用户自己根据需要分别去启动电网一次动态 图形系统的主程序p s s h m i e k e 、电网二次回路系统图形建模程序g c m e x e 、数据库管 理系统或其他程序。在其他程序中包括了通信协议程序、调试记录程序等，其中调 试记录程序主要是检测和显示系统调试期间各个子程序之间通信变量信息。 s c t 3 0 0 0 系统中所有的子程序之间的数据通信都是通过数据库实现的。特别是 二次系统模型与一次系统模型之间的连接通过建立一个对应表来实现，一次系统模 型数据包括各c t 的二次侧电流、p t 的二次侧电压以及开关状态、变压器分接头位 置等，数据存放在实时数据库中，支撑平台系统的通讯程序周期性地进行二次模型 变量数据与实时数据库中数据的交换。 3 2 电力系统一次侧的建模及分析计算 3 2 1 电网一次系统的图形化建模 随着图形化用户界面( g u i ) 的发展，图形编辑系统越来越成为电力系统仿真软件 中不可或缺的一部分。它直接的好处就是给用户提供了一个方便、易用的图形界面， 还可以使应用程序更直观的实现其分析和操作【2 2 1 。本继电保护仿真图形平台利用最 新的计算机图形技术，开发了图形绘制、图形建模以及图形化调试运行等强大的图 形化功能。 菜单条、霪季缀瀚既戮翟黧飘搦嬲嘲圜嘲嬲嬲嬲嬲嬲嬲嬲粤嬲哆嬲易粤搦爱嬲易嬲翻舞嬲霸嘲嬲嬲麟绷 t 具栏鼍恻兰j 型劐璺i 瞌i tj 判! 倒吲剿昏嘲尉剿ll 图3 - 2 电网一次系统图形建模 1 0 绘图区 状态栏 华北电力大学硕士学位论文 本文设计的继电保护仿真平台的电网一次系统图形建模程序p s s h m i e x c 窗口如 图3 2 所示，包括菜单条、工具栏、图元库，它们为绘制各种电力设备图元提供相 应的工具，在工程建模时通过选择相应的图元就可以直接完成各种设备的绘制【2 3 1 。 p s s h m i e x e 程序其主要完成的功能是电网一次系统的图形化建模，此外为了能直观 反映系统的分析、操作和运行状态，图形界面上还能实现电网潮流显示、设备运行 状态操作和显示以及实现故障设置等功能【2 4 1 。 建模过程中按照电网实际一次接线图建立好电网模型，设置好电网一次设备各 个元件的名称和参数信息。当建模完成后通过编辑菜单中的“生成网络拓扑 工具 生成电网拓扑数据，这些数据及时的存入实时数据库中，后台的d d r t s 电网计算 程序载入这些电网数据进行计算，计算完毕后反馈给实时数据库，并在电网一次系 统的图形化界面上显示出来。 3 2 。2d d r t s 的仿真计算模型 电力系统数字动态实时仿真系统d d r t s 是基于微机开放式的体系结构和自主 开发的全中文图形化电力系统仿真软件，可用于模拟电力系统的电磁暂态过程和机 电暂态过程。一方面是电力系统规划、设计及运行研究的强有力工具；一方面可进 行保护装置、安全自动装置以及测量和控制装置的实时闭环测试【2 5 之6 1 。该系统能进 行电力系统的电磁暂态过程实时仿真计算，电力系统的机电暂态过程实时仿真计算 以及电力系统的潮流计算。 对于计及电网模型的继电保护仿真来说，必须保证电力系统的故障计算精确可。? 二 靠，才能实现二次侧保护模型的正确动作和仿真。因此在电力系统一次侧的电网分 析计算中元件模型的正确性和仿真系统的选择都非常重要。如果元件仿真模型不正 确，则无法反映实际系统的情况，甚至可能得到错误短路计算的结论；如果仿真系 统的选择不合理，则无法全面地对继电保护进行测试，对实际使用也缺乏指导意义。 下面将以电磁暂态计算中的线路模型为例，对继电保护仿真中的元件模型的动静态 特性进行简要的分析。 对基于定值判别的继电保护仿真而言，线路模型的准确性非常关键，对短路计 算的的结果有直接的影响。在d d r t s 中，传输线模型分为分布参数模型和集中参 数模型两种。一般认为，模拟短线路时，两者结果比较接近，随着线路长度的增加， 使用分布参数线路模型的仿真结果更加精确。为进一步讨论d d r t s 线路模型的准 确性，我们先对线路的暂态过程进行分析，然后验证d d r t s 线路模型特性是否与 暂态理论分析的结果一致。实际系统中，在具有分布参数特征的线路上发生短路时， 在短路电流中要出现无穷多频率的自由分量。 华北电力大学硕士学位论文 图3 3 长线路模型 在图3 3 的长线路短路情况下，计算自由分量频率的关系式为： 1 q + 等， = 辔( 厄印q ) ( 3 - 1 ) 其中：x 胂为电源阻抗，x = = x d + x r ； 丘为串联电容器容抗，以= 去； 础黝蝴觚蟊愀撇；磊燃波阻们。= 厝。 ，g o ，厶，c o 分别为线路每单位长度的电阻、e g - 导、电感和电容值； i ( p ) l i ( p ) u ( p ) 图3 - 4 线路自由分量计算网络 图3 4 是以等价运算t 回路表示的线路自由分量计算用运算网络，假定故障点在故 障前的电压是u ( ，) = p 。纠+ 们，口是故障开始时的电压初始角。u ( r ) 是产生自由分量 的电源。p 是运算子符号。对于上式( 3 1 ) m 图解法求解如下图3 - 5 所示： 图3 - 5 求解图 1 2 一缈 以百 一乙 上 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 2 ) 在图3 5 中的是曲线1 ，其渐进线斜率为： 一益 ! ! r 1 孙 z o 厶c o 砌一1 + 当厶 v 叫 露 代表式( 3 1 ) 右侧项留【厶g ，缈。j 的是曲线2 。曲线l 与2 的交点即满足式( 3 1 ) 的解。 如上述可说明，当线路发生短路时，系统要出现无穷级数的自由分量。这些交 变分量的相邻频率值之间相差倍率接近于兀；有串联电容时，将出现低频分量，如 果没有串联电容，将出现直流分量。实际系统中，短路电流除第一自由分量外的其 他频率分量对继电保护装置的影响也常常忽略不计。传统的物理动模一般每5 0 - - 1 0 0 公里线路取一个集中t 回路来模拟，线路长度1 0 0 公里以内通常用两节t 代表， 这种用集中t 回路模拟线路的方式，就基本满足了继电保护仿真对线路模拟的要求。 在d d r t s 系统中，由于直接采用行波的方式对线路电压电流进行计算，因此可以达 到较为理想的分布特性，模拟通过线路的短路电流的各自由分量。如用户需要模拟 短线路或不需考虑分布特性的线路时，也可以使用d d r t s 中的集中参数线路模型。 八：、：八：二一 3 - 65 0 0 k v 模型系统线路短路试验故障波形 根据对实际线路的暂态过程的讨论，用d d r t s 模拟的线路短路的暂态过程如 下：图3 6 为a 相电压过零时发生的a 相对地故障经线路首端c t 及线路末端v t 录取的故障波形图，图中分别表示了故障时的三相电压和三相电流。当短路发生在 故障相电压过零时，短路电流中的高频自由分量最小但不为零，自由分量中的直流 分量为零。从图中可以看到，故障发生时故障电流几乎完全偏移，此试验结果与实 际系统情况吻合。 3 2 3 d d r t s 中故障电流的计算 实际系统中线路发生短路故障时，短路电流中的非周期分量衰减时间常数不小 1 3 华北电力大学硕士学位论文 于9 0 m s ，继电保护试验要求模拟系统能够正确模拟出这一现象。下面以图3 7 为例， 来分析一下简单的三相电路中发生突然对称短路的暂态过程。 3 - 7 简化的三相电路图 短路发生时，短路电流的瞬时值应满足以下微分方程： 三譬+ 尺屯= 虬s i n ( w t + o r ) ( 3 4 ) “l 短路电流的自由分量衰减时间l 可由微分方程( 3 - 4 ) 的特征方程根的负倒数求得： ， 乃= 蚩 ( 3 5 ) 短路电流的自由分量为： ， 乞- - c e ( 3 - 6 ) 短路电流中的自由分量它是不断减小的直流分量，其衰减速度与电路中l r 值 有关。要模拟短路电流中的非周期分量衰减时间不小于9 0 m s ，只需将电源中l r 的值控制在0 0 9 以上即可。 用d d r t s 电磁暂态计算下的系统模型不论是用发电机还是无穷大电源作系统电 源，都可以非常方便地设置电源阻抗r 和l ，因此可以非常容易地模拟短路电流的这种 衰减特性。图3 8 为用d d r t s 模拟的5 0 0 k v 长距离输电系统出口短路电流波形图。 ，、八，、 弧八仁 ，、 一v v 一一 | 一l 、，v 、，一。? 一 - 。- 。_ - _ _ p _ 。- - 。一_ _ - _ - _ _ ，、_ ，、- ，一 图3 85 0 0 k v 长距离输电系统出口短路电流波形图 1 4 华北电力大学硕士学位论文 3 2 4d d r t s 在本系统中的应用 由于基于定值判别法的继电保护仿真其前提条件是要求有精确的电网计算结 果，因此本系统的电力系统潮流计算和故障短路计算采用了d d r t s 系统的电磁暂态 计算软件。在d d r t s 的电磁暂态仿真计算中采用瞬时值方式进行计算，它的数学模 型必须建立元件和系统的代数方程、微分方程和偏微分方程，常见的数值求解方法 为隐式梯形积分方法。它的求解速度比较慢，能够描述的电力系统的规模有限，对 于大型电力系统的研究都要采取不同程度的等值简化。在该模式下不仅计算系统的 工频电量，而且考虑非周期和高频分量以及快速的动态过程【2 7 1 。系统通过优化的计 算方法，在电磁暂态仿真模式下，计算步长1 0 0 微秒，仿真具有三十个以下节点规 模的系统时，计算