（电力系统及其自动化专业论文）电铁负荷对微机保护的影响及对策研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电铁负荷对微机保护的影响及对策研 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。与我周工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文巾作了 明确的说明并表示了谢意。 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t ， ：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：同意学校可阻用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位沦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 逸么：磁 导师签名：伶潞 日 期：翌免 2 ，五 日期： ! 华：! 兰一! ! 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第一章绪论 电气化铁道具有牵引重量大，速度高，节约能量，乘务员劳动条件好，对环境 污染小等优点。因此，电气化铁路成为世界各国铁路牵引动力的主要发展方向。我 国电气化铁路起步较晚，但是发展很快，截止2 0 0 2 年低，共建成电气化铁路干线2 万多公里。电气化铁路的大量建成，电力机车的大量投入，使铁路沿线电网中的 非线性负荷大量增加，这些非线性负荷在系统电压作用下，使供电电流发生畸变， 含有了大量的谐波成分。非线性电流注入电力系统，在系统阻抗上产生谐波电压， 引起电网电压畸变，造成电力系统谐波污染。目前，电力系统谐波问题日益严重， 不但降低电能质量，而且有可能使高压或超高压电网中保护拒动或误动危害电力 系统的安全运行。所以，对电力系统的谐波问题进行计算、分析和研究，进而采用 相应的抑制措旖，是一项非常迫切的任务。 为此，在电力系统、电机、电器、供用电以及所有涉及电力电子应用的工业部 门中，大都把谐波干扰及分析处理作为重要技术课题，一些国际学术组织( 如i e c 、 c i g r e 等) 及许多国家还制定了控制谐波的标准或管理办法。我国在1 9 8 4 年由水利 电力部颁发了电力系统谐波管理暂行规定( s d l 2 6 8 4 ) 。1 ，1 9 9 3 年由能源部组 织制定并经国家技术监督局批准发布了谐波国家标准电能质量公用电网谐波 ( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 。谐波国家标准既为谐波治理提供了政策依据，也为谐波治理提 出了具体要求。另外，供电企业为了创一流的需要，也要对谐波进行治理，并满足 有关指标的要求。但是，仍有些企业，对谐波污染的认识和治理程度不够。 从沧州电网的情况看；沧州境内有多条电气化铁路通过，大量的不对称单相负 荷接入电力系统。破坏了系统的对称运行条件，使系统中出现了大量的负序分量和 谐波分量，对继电保护产生了严重的影响，引起继电保护误动或拒动，严重影晌了 电力系统的安全运行。目前，沧州电网已经开始着手进行有关谐波分析、计算和治 理工作。但缺乏实用、功能全面的分析、计算工具。为此，研制有关谐波分析、系 统仿真、微机保护仿真方面的计算机软件，分析电铁负荷对微机保护的影响，制定 谐波治理的有效措施，进而提高电网运行的安全性，具有较高的理论意义和实用价 值。 本课题针对某地区电网电铁谐波的实际状况，建立了谐波源和微机保护模型， 提出了基于e m t p a t p 数据进行谐波条件下微机保护动态特性仿真的原理，研制了 一套微机保护动态特性数字仿真系统。该系统以通用v b 6 0 功能模块为基础，采用 目前流行的w i n d o w s 人机界面，全中文菜单操作，用于谐波条件下微机保护误动或 1 华北电力大学硕士学位论文 拒动的可能性研究，同时也可以进行谐波源分析和电力系统故障时微机保护装置动 态特性仿真。该软件能详细记录事故中微机保护内部的程序走向。具有成本低、灵 活性好、使用方便等优点。 1 2 电铁谐波问题研究的现状与分析软件 从国内外的情况看，对谐波问题的研究自从上个世纪六十年代初开始就一直相 当活跃，内容涉及有关谐波的基本理论、谐波分析计算、谐波源特性、谐波的危害、 谐波测量方法、谐波的抑制等多个方面内容。从1 9 8 0 年左右开始，我国一些科研 单位、生产部门和高等院校也陆续开展了谐波方面的研究工作，出现了很多研究成 果，并于1 9 9 3 年制定了谐波国家标准( g b t 14 5 4 9 9 3 ) 7 2 1 。 到目前为止国内对电气化铁道谐波电流的研究己作了大量的工作。“，取得了 许多研究成果，归纳起来，研究方法主要有两种，实测法和数学模型法。 实测法即根据实际测试值进行数据分析处理。1 9 8 4 年铁道部科学研究院机车车 辆研究所通过在石板滩、养马河等牵引变电所安装测量装置来得到牵引负荷的功率 因素和谐波特性，并以此为依据投入并补装置。19 8 7 年，铁道部科学研究院和原水 利电力部联合推出了谐波计算程序，以测量结果为主进行数据处理。采用实测法进 行谐波治理投入大、周期长，而且通用性也不太好。 数字仿真法即通过建立数学模型进行分析。 就建立国内主要电力机车谐波电流数学模型而言，8 0 年代山西电力实验研究所 的吕润馀在该领域进行了深入的研究、3 1 ，并用实测法进行了验证。但是他建立的韶 山l 型电力机车谐波电流模型与实际相比还有差异，主要体现在他未考虑因为变压 器副边漏抗而引起的整流回路的换相过程，此外该模型中未考虑串励电动机的特 性，将电动机反电势看成一个常数。安康供电局的许后荣对韶山1 型电力机车的稳 态谐波电流做了分析“1 ，编制了计算韶山1 型电力机车谐波电流的程序。在其建立 的数学模型中考虑了整流变压器的漏抗和机车以外的系统等值阻抗，但也未考虑串 励电动机的励磁特性。西安交大的李建华和夏道止提出了一种求解韶山1 型电力机 车在电力系统中引起谐波的准确计算方法“6 。该方法较全面的考虑了机车整流变 压器原副边的漏抗以及整流回路中各元件的参数，但该方法没有考虑电动车削弱磁 场后对反电势的影响。我校学者建立了比较完善的韶山4 型电力机车模型”1 ，详细 分析了机车四段桥的导通和换相过程，该模型考虑了司机手柄位置与整流回路电压 电流的关系，用牛顿拉夫逊方法迭代求解机车主电路的各段调节过程产生的谐波电 流。此外，西南交大的连级三在研究6 k 型机车谐波电流时提出了考虑平波电抗器 非线性因素的多段桥调压电路的计算方法。 在建立牵引网谐波电流计算模型方面，文献”1 对牵引网谐波阻抗数学模型的确 华北电力大学硕士学位论文 定做了详细的分析和阐述，包括目前对国内普遍使用的单边供电的单行线路普通接 触网，在供电分区末端并联的单边供电的上下行线路接触网，以及国外普遍采用的 a t 供电方式的牵引网谐波阻抗的确定。该方法采用了双端口网络理论，在计算时考 虑线路的分布参数特性，所以模型是比较精确的。但该书只针对了牵引供电臂上有 一辆电力机车运行这一种情况，没有考虑多机情况下的谐波阻抗模型。 国内外对电气化铁道谐波电流的大量研究，为我们研制电力系统谐波分析软件 提供了理论基础。 1 3 继电保护数字仿真 1 3 1 继电保护数字仿真的需求 继电保护是电力系统安全运行的必要保障，对于继电保护运行特性进行分析与 研究具有十分重要的意义。随着电力系统的快速发展，尤其是电压等级的提高，使 继电保护的动作时间加快，必然工作在故障暂态阶段，因此评估快速保护的动态性 能显得非常关键。传统的理论分析方法和物理实验方法具有一定的局限性。为此， 研究功能更完善、更精确的继电保护分析方法对于分析继电保护装置的暂态特性变 得极为迫切。数字仿真所具有的投资小，功耗低，占地规模小，以及使用灵活、复 用性强、自动化程度高的优势，能够满足继电保护工作者对继电保护装置的快速分 析，成为继电保护装置开发和研究的重要方法，受到了广泛的重视与研究。1 。 1 3 2 继电保护数字仿真的主要研究方向 针对不同的特性研究，继电保护数字仿真采用不同仿真手段，形成了下述的几 个主要研究方向“。 ( 1 ) 给实际的保护装置注入一定的模拟信号，用以测定继电保护装置的动作行 为。 由于继电保护装置的实验与设计需要，开发了既有实验功能又有设计功能的电 力系统继电保护辅助分析数字仿真系统。其中以有实物( 继电保护装置) 接入的电力 系统实时数字仿真器( r t d s r e a lt i m ed i g i t a ls i m u l a t o r ) 为代表。为实现数字仿 真系统和被研究实物的连接，才有并行数字计算机、数模转换器和功率放大器产生 单回或双回输电线路的电压、电流，并且含有直流分量、基波分量以及各次谐波分 量。实时数字仿真器( r t d s ) 用于继电保护装置的测试，为继电保护装置的试验提供 了一个一次系统实际运行的仿真环境。如国家电力公司电力自动化研究院引进配备 r 1 d s 就是一种较高水平的电力系统实时仿真器，但是这种给继电保护装置注入一定 华北电力大学硕士学位论文 模拟电子信号大的测试方法，只能对现有的装嚣进行试验。在继电保护装置的开发 阶段，无法协助设计人员分析装置原理设计合理性，不能及早发现问题，此外，测 试装置也比较复杂，在实验样本上发现问题后也会造成一定的经济损失。 ( 2 ) 继电保护装置内部动作行为的仿真分析 这种方法注重分析继电保护装置的暂态性能，譬如对于m h o 距离继电器，利用 状态空间逼近构成十九阶的数学模型，利用数字仿真求解。这个模型关键是推导非 线性电磁转矩，模型接受从p t 平 i c t 的人工波形来计算其暂态响应，从而获得继电器 的暂态性能。 对于继电保护装置的一些组成部分，在相关的文献中也提到了可以通过建立状 态方程进行详细的描述，仿真结果较为精确，但是方法对于模型描述过于具体，工 作量大，难以完成复杂的整套继电保护装置的仿真。 ( 3 ) 把电力系统仿真与继电保护仿真相结合，分析保护装置的动作行为 这种方法从继电保护装置的工作原理出发对保护装置进行仿真且利用交直流 混合系统的数字仿真，分析谐波对继电保护的影响。该保护仿真方法简便易行，目 前，以e m t p ( e 1 e c t r o m a g n e tt r a n s i e n t sp r o g r a m ) 为代表的电磁暂态程序被广 泛的应用，它具有精确模拟大多数电力系统暂态行为的能力，可以为继电保护装置 仿真提供理想的输入信号。 现代计算机技术的高速发展，在硬件上提供高速运算处理和大容量存储的支 持，在软件技术上提供强大的系统、数据管理和可视化技术的支持，在算法上积累 了越来越多成熟的计算机数值算法，都为实现继电保护的动态动作的仿真提供了物 质、技术与理论的支持。尤其是可视化技术的逐渐完善，为仿真的实现提供了一个 图形数据一体化的环境，为仿真的图形信息的灵活组织具备了可行的条件：此外， 面向对象的编程思想与软件技术的支持为仿真数据、功能的封装、移植和交互提供 了实现途径；再次，越来越多的多媒体技术支持，使仿真具有更直观，高效的表现 力，更贴近了实际应用的情景。把电力系统仿真与继电保护仿真相结合，用来分析 保护装置的动作行为已经成为一种可能和发展方向。本文就是采用这种思路来建立 微机保护仿真系统的。 1 4 本文主要工作 为保证电网运行的安全性，提高供电电能质量，电网的谐波治理问题将成为供 电部门一项非常重要的工作，而对电网的谐波状况进行分析、管理、治理并研制相 应的计算软件，具有重要的实用价值。本文以某地区电网为研究背景，主要做了以 下工作： 4 华北电力大学硕十学位论文 ( 1 ) 在大量阅读相关文献的基础上，分析研究了电力机车谐波计算的数学模 型，掌握了谐波分析讨算方法，运用电力系统谐波分析软件包，完成了机年存各种 运行情况下，电流和电压负序和谐波电气量的分布计算。 ( 2 ) 从实际出发，运用e m t p 电磁暂态计算软件建立某地区电力系统输电l 删络 模型，完成了谐波条件下电嘲的电流电压计算。 ( 3 ) 研制了微机保护动态特性仿真系统，此系统主要有3 部分组成：谐波分析 软件包、e m r ) 仿真程序和微机保护仿真模型。这3 部分即能协同工作，也能分别中独1 作。微机保护仿真模型总共分为3 大类：线路保护、变压器保护和母线保护。每一类包 括多个保护模型，例如线路保护包括方向高频、零序方向、高频距离、高频相差等保护 模型。此系统采用菜单和命令按钮相结合的操作方式，操作简单易行，能实现谐波条件 下微机保护误动或拒动的可能性研究，进行谐波源分析和电力系统故障吲微机保护 装置动态特性仿真。 ( 4 ) 通过事例进行实例计算，分析计算结果，并验证了此仿真系统的实用性 和可靠性。 华北电力大学硕士学位论文 第二章谐波源及谐波计算分析软件 沧州境内有多条电气化铁路通过，电铁负荷所占比重较大，破坏了系统的对称 运行条件，使系统中出现了大量的负序分量和谐波分量，对继电保护产生了严重的 影响，引起保护误动或拒动，严重影响了电力系统的安全运行。本文针对沧州电网 电铁谐波的实际状况，提出了用计算机软件建立谐波源和微机保护模型，并用 洲t p a t p 数据进行谐波条件下微机保护动态特性仿真的原理，研制了一套微机保护 动态特性数字仿真系统。此微机保护仿真系统包括3 个部分：谐波分析软件包、e i t p 仿真程序和微机保护仿真模型。本章将对电铁负荷和谐波分析软件包做简要说明。 2 1 电铁负荷 电气化铁道的供电是在铁道沿线建立若干个牵引变电站，由电力系统11 0 k v 双 电源供电，经牵引变压器降压为2 7 5 k v 或5 5 k v 后，向接触网和机车供电。电力机 车采用2 5 k v 单相工频交流电压供电，在架空接触导线和铁轨之间行驶。电力机车 牵引负荷为三相不对称负荷，为减少其不对称性，各牵引变电站高压侧接入系统时 要进行换相，使机车负荷能较均匀地分配在系统各相上。 电铁负荷在电力系统中具有以下特点：( 1 ) 、不对称性，在电力系统中产生负序 分量；( 2 ) 、非线性，在电力系统中产生高次谐波；( 3 ) 、波动性，使电力系统电压波 动：( 4 ) 、功率大，分布广，对电力系统的影响严重。 2 1 1 电力机车产生的谐波电流 电力机车采用单相整流桥，其脉动数只有2 ，特征谐波包括全部奇次谐波，单 台容量相当大。我国的电气化铁道上目前运行的电力机车，主要有国产的韶山1 型、 3 型和4 型，更新型车也在陆续交付使用。韶山1 型是非相控型，韶山3 型和4 型 都是分段。 下面以韶山1 型机车为例来分析一下电力机车的谐波电流，图2 1 是韶山1 型 电力机车整流回路的原理接线图。当略去整流变压器的漏抗时，整流器v 1 ，v 2 在 换流过程中的重叠角为零，两者互不相关，轮换导通。牵引电动机存在反电动势e ， 使整流器的导通延时1 2 角 o r = a r c s i n ( e u2 。) ( 2 - 1 ) u ：。一一整流变压器每一牵引绕组的电压幅值。 把开始导通的瞬间作为时间参考点，则牵引绕组的电压为 1 12 l = u 2 2 = u2 。s i n ( w t + a ) 相控型。 6 华北电力大学硕士学位论文 a v l b v 2 图2 - 1 电力机车的典型结构 设电压正半波时v 1 导通，整流过程中整流回路存在三个电流分量 ( 1 ) 交流电源引起的强制电流分量 卜粤s i n ( w t + c t + q o ) z ( 2 2 ) z 整流回路在电源频率下的总阻抗； 口一阻抗角 z = , r 2 + ( w l ) 2 妒= a r c t g ( w l r ) ( 2 - 3 ) ( 2 ) 直流电动机反电动势引起的反向强制电流分量 r = 一e | r ( 3 ) 换路过程中产生的自由电流分量 ( 2 4 ) l i 一：a e “一r ：a e - 日p ( 2 5 ) a 一待定常数 整流回路中的总电流为i 。= i + f 。+ f ”。平波电抗器的电感足够大，是波形平整， 电流i 。连续，由此确定a 值并得到正半波电压时整流回路中的电流为 訇每 型 ， 1 j f。 2一； t 华北电力大学硕士学位论文 = s i n ( w t + a - q ，) 一1 2 s i n ( 一a - l p ) e 懈一嚣卜w ，口钏。， 负半波电压时整流器v 2 导通，整流回路中的电流为 仁卜等 s i j l “卜i 2 s i n ( 一a - 妒) 叫一啬卜州锄郇纠 ( 27 ) 机车电流即整流变压器的一次侧电流i 。整流回路电流i ，和i ：在整流变压器二二次 绕组中方向相反，铁芯中产生交流磁通，在一次绕组中产生相应的交变电流。如果 变比为k ，可以得到机车电流为 式中 对式( 3 - 8 ) 进行付里叶分析可得到机车电流的基波及各次谐波为 - 急。，( a , , s i n ( 枷，) + b , , c o s ( m 仃) ) b k = c o s ( ) 一i 4 等芸s j n ( ) s i n2 o - 昙恶鼬_ 1 ) 一! 骘。型竺；型； 一兰堕坚。三， ：3 5 。7 万1 一p 一“。9 r 1 t g o ) 2 + h ： c o s ( p h 7 一妒)一=4；三；罢sin(cz-q，cos(口 q ，) s i n 妒c 。s p ，( 一妒j - ；i 丽8 m 妒c 0 8 p ，l “ 一昙土1 罢赫t g 。o ) h 去肋吐s ， 耳一e 一2 t 9 9 i 、 2+i t 9 9 ： 由此即可计算得各次谐波电流的有效值i 。及谐波电流含有率h r i 为 ( 3 一g ) ( 2 1 0 ) 圳 嘶 邮 期矧 薹一 仆 叩 u一一心 华北电力大学硕士学位论文 - 。= 瓦u i 厨面 h r i h = ( ih i i ) 1 0 0 u 、机车外施电压的有效值 表2 1 列出了韶山1 型、3 型和4 型电力机车在满载和半载( 或4 0 负荷) 时 的主要谐波电流( 第3 、5 、7 、9 、11 次) 和基波负序电流 i ) 。 表21 韶山型机车的2 5 k v 侧的1 3 ，1 5 ，1 7 ，1 9 ，1 1 l 和1 1 ( 2 )( a ) 谐波电流 基波负基波 车型 负荷率 序电流电流 1 31 51 7i gi l l i l ( 2 )1 1 韶山1 满载，4 2 m w4 52 lj l5 52 81 2 12 0 6 型 半载，2 1 m w 2 6l384 92 76 0 51 0 3 韶山3 满载，4 8 m w5 02 41 23 63 6 1 3 42 3 0 型半载，2 4 m w2 81 483 23 26 71 1 5 韶山4满载，6 4 m w6 13 217 6 3 61 7 63 0 5 型 半载，2 5 6 m w 2 81 2 一1 87 一1 0 3 6 2 67 01 2 2 宅圭以上数据参考铁道科学研究院( 简称铁科院) 试验资料算出 韶山l 型电力机车全部用二极管整流，靠变压器有载调压来调节负荷。和相控 型电力机车相比，韶山1 型电力机车的谐波电流含有率和谐波电流相角的分散性都 较小。 韶山3 型和韶山4 型电力机车的晶闸管v 1 和v 2 导通时都要增大整流电压和电 流。在每个半工频周期中都是其他管子先导通，然后再触发v l 或v 2 ，故称之为分 段相控型。采用分段相控和常规相控比较，可以减少谐波电流含有率，但与非相控 型机车比，其谐波电流含有率仍较大。此外，分段相控型机车在轻载时的谐波电流 含有率和谐波电流相角的分散性都很大。 2 1 2 电力机车的谐波特征 从前面的分析和计算可以看出，各型电力机车产生的谐波具有以下特征： ( 1 ) 电力机车的牵引力正比于取自系统，经整流后的直流电流，该电流不因系统 外界条件和运行方式而改变，而由机车的非线形特性产生的谐波电流成分与谐波电流具 有一定的比例关系。 ( 2 ) 电力机车采用单相全波不控或半控整流，整流电路在整流过程中交流电压每 9 ” 趵 l l 华北电力人学硕士学位论文 一个周期内直流侧整流电压的脉动数、即整流设备的脉动数p = 2 ，故其产生的特征谐波 次数为h = 2 k 1 ，k ：l ，2 ，3 ，。除h = l 的基波外，特征谐波为全部奇次谐波。 ( 3 )由于电力机车直流回路平波电抗器的电感为有限值，整流电流脉动系数达 2 5 一3 0 ，以及机车变压器存在漏感，其阻抗电压为1 0 5 左右，故其产生的特征谐波电 流含有率h r i 来判断 ( 2 ) 、如何区分单相接地和两相接地? 两相接地时( 。，一，。：) 占 4 3 5 阻抗比较算法 距离保护的阻抗动作特性采用多边形特性，如图4 7 所示， l abx s |麓。 o ? r sr 图4 7 注：z 一测量阻抗 k 、r s 整定电抗、整定电阻 a 整定角 一、四象限的夹角均为1 5 度 可以独立整定的量有三个：艮、x 。和n 。微机距离保护最容易实现的是多边形特 性，因为通过阻抗计算求得r 和x 分量后和这样的动作特性相比较以判断是否在动作区 内较方便。此外，和风可以独立整定的多变形特性也容易满足长线路和短线路的不同 要求，如短线路可以加大r 。x 。值，以增强允许过渡电阻的能力，对长线路则减少瞰x x 值，以避越负荷阻抗。 判断测量阻抗是否落入动作区内的方法是：在多个坐标系下比较测量阻抗相角。其 原理如下： 如图4 7 所示，我们认为在该图中具有三个坐标原点，分别为0 点、b 点和d 点。 华北电力大学硕士学位论文 每个点对应着一个以其为原点的坐标系。 jl 参 p 乃夸 7 ( a ) 0 坐标系 j 、锣 淤 o jl j 卜。寻众。 口 7 k ( b ) b 坐标系( c ) i ) 举标系 图4 - 8 测量阻抗在不同坐标系下的相角分别为a 。、a 。和a 要判断故障测量阻抗是否 落在动作区内需要进行三轮相角比较。第一轮比较用到0 点坐标系，见图48 ( a ) ，只要 a 、落入 10 5 。，3 4 5 。 区问内即认为测量阻抗落在动作区外，且为反方向故障，比较结 束；反之，则测量阻抗有可能落入动作区内，但不能确定。于是应进行第：轮比较，第 二轮比较用到的足b 点坐标系，如图48 ( b ) ，很明显，只要a ：落入 - n 。，1 8 ( ) 。i 区 间内即认为测量阻抗落在动作区外，且为正方向故障，比较结束；反之，则测量阻抗有 町能落入动作区内，但还不能确定。于是应进行第三轮比较，最后一轮比较用到的是d 点坐标系，如图48 ( c ) ，由于这轮的比较是在已进行了的前两轮比较的基础上发生的， 故只要不落在 | 9 0 。，6 0 。 区间内即可认定测量阻抗落在动作区内：反之，则落在 动作区外，且为f 方向故障。 图49 至此刈见，阻抗比较模块只要进行至多三轮的比较就可以确定测量阻抗所处的区 位。而计算n 。、a ：和o ：；所需的三个坐标原点又都是确定的( 0 ( 0 ，0 ) ，b ( 0 ，x s ) ，d ( r s ，0 ) ) ， 3 7 华北电力大学硕士学位论文 因此其实现是比较简单的。阻抗比较的逻辑如图4 - 9 所示。 4 4 本章小结 本章介绍了数字仿真的支撑技术、微机保护仿真系统的设计思想，重点是微机保护 仿真模型部分的设计思想，对仿真中如何用e m t p 离线数据实现动态数据采样，高频保 护如何实现时间配合等问题提出了的解决方法，同时还介绍了微机保护仿真模型部分 中常用的一些算法，其阻抗比较算法具有一定的创新性。以上这些工作为微机保护仿真 系统创建做理论上的支持。 华北电力大学硕士学位论文 第五章谐波条件下微机保护仿真系统的研制 5 1 动态仿真原理 微机保护仿真系统结构如图5 1 所示，本系统主要有3 部分组成：谐波分析软件包、 e m t p 仿真程序和微机保护仿真模型。这3 部分即能协同工作，也能分别单独工作。其简 要的工作过程如下： 图5 一l系统结构图 首先，在电力系统谐波分析软件包中选择要研究的谐波源，如电力机车、电气化铁 牵引沾、整流负荷、电弧炉等，计算出谐波源注入系统的谐波电流大小和相角。然后， 启动e m t p a t p 电磁暂态仿真软件，建立相应的含有谐波电流源的电力系统模型，其谐 波电流源的大小和相角由谐波源分析得到，用e m t p a t p 仿真得到进入保护的电流、电 压电气量。最后，把这些电气量输入要校验的微机保护仿真模型中。分析微机保护在谐 波条件下误动或拒动的可能性，得出结论。 动态仿真有2 种方式，即连续仿真和单步仿真，连续仿真速度是可以调节的； 5 2 微机保护仿真模型 对于谐波分析软件包和e m t p 仿真程序，我们在二、三章已经作了详细的介绍，在 这里不再重复，下面主要阐述微机保护仿真模型部分的功能模块、软件编程及界面设计， 并通过实例对它进行测试。 如第四章所述，微机保护能否正确工作很大程度取决于数据采集、启动元件判断、 故障电气量计算、故障相判别和保护逻辑这五个功能模块，因此微机保护仿真模型主要 围绕这五个功能模块来编写。 5 2 1 继电保护功能元件类 华北电力大学硕士学位论文 为了具有更好的层次性，易扩展性，本软件充分利用了面向对象的编程技巧，借撩 操作系统的做法，将微机保护软件依照功能进行分层设计”“。继电保护程序按功能分为 以下几大类：( 1 ) ，保护功能计算类，主要是指电压、电流及其谐波分量、序分量的幅 值讨算、相位比较、有包括功率、阻抗等计算；( 2 ) 各种关于时间处理的时间类：( 3 ) 各 种必须的数据运算操作的数据操作类：( 4 ) 定值操作类，用来设置各种定值；( 5 ) 包含各 类滤波算法的滤波类；( 6 ) 输入输出处理类；( 7 ) 对电流、电压及阻抗等能进行图形显示 的图形处理类。这些类构成了最基本的保护功能元件。通过对这些功能元件的有序组合， 我们就可以得到不同功能的保护功能模块。 52 2 继电保护功能模块 ( j ) 数据采样模块：实际的保护是接在运行系统中，采样数据取得是实时的，可以 认为是无穷无尽的，仿真程序的数据来自于 讣i t p 离线计算得到的p i 。4 数据文件，由记 时器控制每隔一段时间读一次数据，改变记时器中断时间可以来调节仿真速度。采样数 据取比较常用的每周1 2 点，是通过e m t p 来控制的，即e ”p 数据输出为每周1 2 个点。 程序用6 0 位的数组作为数据缓冲区，保存最近5 个周期的电气量采样值。不同类型的 保护采样点数目是不同的，例如，高频距离保护为1 2 个采样点，距离保护为6 个采样 点，而变压器相差保护为1 8 个采样点。 ( 2 ) 启动元件模块：起动元件是必不可少的功能模块。保护装置对起动元件的一个 基本要求是灵敏度要高，微机保护通常采用突变量元件起动，本系统除了能模拟各类突 变量元件启动外，还能模拟负序电流、零序电流、零序电压等稳态量启动。启动元件定 值通过定值管理对话框设置，如不设置，则采用默认值。 ( 3 ) 数据处理模块：本系统所采用的算法可划分为两类：第一类是求出故障电气量 ( 如傅氏算法、最小二乘方法) ：第二类是直接用采样数据进行保护功能判断( 如解微 分方程法) 。从数据窗看：前者为】2 ，后者仅为7 ；从算法计算结果的使用上看：前者 的计算结果仅为个基础量，它的使用方式取决于保护的种类，适用范围较宽；后者_ l = j 采样值直接完成了保护的分析和判断。正是由于存在以上的差异，所以程序的走向会随 数据算法的选择而不同。第一类算法要与选相元件模块配合工作；第二类算法则把选相 和数据处理合二为一，选择第二类算法，选相元件模块则自动关闭。本系统定义了v j s u ；t b a s i c 语言不支持的复数类型，同时编写了有关复数运算的基础函数。数据处理模块可 吼方便的调用进行复数运算，提高了编程效率和代码清晰度。 ( 4 ) 选相元件模块：选相元件是依据各神故障类型的特征进行判相的，本系统有相 电流差突变量选相、阻抗选相、正负序相角比较选相等多种选相方法供用户选择。用户 可以通过用户界面上的下拉菜单进行选择，同样能选择的还有启动元件，数据处理算法。 ( 5 ) 保护逻辑模块：，保护逻辑主要是针对高频保护闭锁信号的配合问题，当两侧 4 0 华北电力大学硕士学位论文 保护的启动元件定值不同时，保护启动时刻可能不同；采用不同的数据处理算法则所需 的数据窗长度和计算时间也不一样。如何让两侧保护能够恰当地配合工作? 本系统采用 的方法是：如果得到测量阻抗在动作区内，则起动记时器进行延时：延时结束后，若收 到高频闭锁信号，则禁止出口，否则出口跳闸。 ( 6 ) 其他模块：除以上5 个模块外，本系统还有能进行电流、电压图形显示的图形 处理模块；记录程序逻辑走向及类调用情况的全程监视模块；进行定值管理的定值管理 模块等等。 5 2 3 继电保护模型 保护模型是由保护功能模块有序组合而成的，一个保护模块对应一种类型的微机保 护，每个保护模块都拥有独立的用户界面，可以进行启动元件、数据处理算法、选相元 件的选择。保护模型总共分为3 大类：线路保护、变压器保护和母线保护。每一类包括 多个保护模型，例如线路保护包括方向高频、零序方向、高频距离、高频相差等保护模 型。对微机保护仿真模型进行校验就是对选定的具体保护模型进行校验。 5 3 软件编程 5 3 1 编程语言 本文研制的微机保护仿真系统采用v i s u a lb a s i c6 0 作为编程语言。v i s u a lb a s i c 6 0 是基于窗体的可视化应用程序开发平台，其编写程序的经典方法是根据预先设计好 的图形用户界面，用鼠标将工具箱中的各种控件拖放到窗体的指定位置，并将其调整成 所需的大小，设置必要的属性，再加入应用程序代码。v i s u a lb a s i c6 0 的突出特点是 将大量的w i n d o w s 编程细节隐藏起来，通过数据驱动的方式调用不同的程序代码，使得 程序开发者可以将主要精力放在程序的关键处理步骤上，而且其处理方法直观、简单。 v i s u a b a s i c 所以与传统的b a s i c 语言有本质的不同，但是他继承了b a s i c 语言简单、 易用的优点。 与v i s u a b a s i c5 0 相比，v i s u a lb a s i c6 0 除包含了v i s u a b a s i c5 0 的所有 功能外，又增加了不少新的功能，如功能更强大的数据库访问技术、i n t e r n e t 网络编程、 w e b 网页设计等。目前，v i s u a lb a s ic6 0 几乎可以实现其他应用软件开发平台( 如 v is u a c ”、p o w e r b u i l d e r 等) 所能实现的所有功能，逐步成为应用软件开发人员的 首选方案。 5 3 2 错误处理 仿真软件在运行过程中，会由于诸如内存或磁盘空间不够、用户操作错误、数据格 华北电力大学硕士学位论文 式错误、被零除等原因而发生程序中断。当程序发生运行错误时，v is u a b a s ic 6 0 一 般会显示一个消息框，并终止程序运行，用户按下消息框的确定按钮后，程序完全退出 运行，用户要继续使用程序，必须重新启动仿真软件。这种程序终止方式是由w in d o w s 提供的一种最直接最简单的错误处理方式，对用户来说非常不友好，同时影响用户对软 件的信赖程度，所以一般应用程序都必须有自己的错误处理功能，以便为用户提供更多 的程序出错信息，并以友好方式终止当前程序，同时保证尽量不完成退出程序，使用户 在出错问题解决后，继续进行程序使用。 错误处理一般是一段程序代码，其结构如下 s u b 声明 若干语句 o ne r r o r6 0 t o 标号 若干语句 g x ils u b 标号： 错误处理代码 e n ds u b 在“0 ne r r o rg o t o 标号”语句中，标号指向错误处理代码。在一个过程中，若在 “o ne r r o rg o t o 标号”语句以后任何地方发生错误，控制马上会转移到标号指定的错 误处理代码。标号可以是任何标识符，如l 1 0 0 ，m i s t 等等，当用它标识指定的代码位 置时，必须用冒号结尾。 错误处理代码一般是对一些重要变量的测试，这些测试值由错误处理代码保留。例 如，v i s u a lb a s i c 提供了一个e r r 函数，程序一旦执行到错误处理代码，就可以检查 e r r 函数值，e r r 函数返回一个表明错误类型的整数值，如7 表示内存不够，5 3 表州找 不到指定的文件等等。另外，错误处理最终要显示一个信息画面，并把软件对错误类型 的判断和分析显示在画面上，为用户的决策做出辅助。这种错误处理方式能为用户提供 尽量多的信息，并且以友好的方式终止程序，一般情况下并不需要完全退出程序，而只 需退回到出错模块的前一个窗体界面。 5 3 3 软件与w o r d 的数据共享 仿真软件运行时产生大量的有关数据，这些数据可以在软件中通过文本框t e x t 进 行游览查询，但不能直接编辑和打印，而用户往往需要对计算结果进行编辑、打印并用 于撰写报告、说明书、论文等。为解决这一矛盾，软件采用了v i s u a lb a s i c6 0 提供 的o 【。e 控件，o l e 控件可以在当前运行程序中链接由其他应用程序产生的数据文件或图 华北电力大学硕士学位论文 形文件。考虑到目前绝大多数用户的文字编辑软件都采用w o r d ，因此仿真软件借助于 o l ，e 控件把仿真软件和w o r d 连接起来。这样，用户可以在运行软件时利用软件提供的 w o r d 文档按钮实现把计算结果转换成w o r d 文档，用户可以在w o r d 界面下，对计算结果 进行分析、打印、并可另存为其他文件名。 进行o l e 控件与w o r d 文档的链接时，o l e 控件的有关属性按如下设置 o l e l s i z e m o d e - s t r e t c h o l e l v i s b l e - t r u e o l 。e 1 c 1a s s - w o r d d o c u m e n t 0 1 e 1 e n a b l e d = j r u e 另外，在o l e 代码中，还必须加入c r e a t e l i n k 语句，以谐波含量计算结果为例， 语句形式如下 o l e l c r e a t e l i n k ”x b h l j s d a t ” 这一条语句可以默认x b h l j s d a t 在当前的路径。 5 ，4 仿真软件界匿设计 界面设计是仿真软件研制的一项重要工作，界面好坏关系到仿真软件的使用效率及 用户的认可程度，应遵循界面简洁、使用方面等设计原则。本文研制的仿真软件界面设 计包括主界面、功能菜单界面、参数设置界面、结果查询界面、出错信息界面等。 微机保护仿真系统属于专业性较强的应用软件，其功能选项较多，因此，仿真软件 界面设计采用菜单和命令按钮相结合的操作方式，例如，在一些有保护算法选择的窗体 中，挑选具体的算法就采用下拉式菜单来操作，这个方式可以由用户操作简单易行，减 少出错。 为了使界面更加美观，在设计界面时添加了一组外接控件一a c t i v e s k i nv 4 3 ， a c t i v e s k i nv 4 3 是专门用来完善可视化软件外观的，可以替你的软件作“换肤手术”， 可以更换软件的外观，形状、颜色以及看起来的感觉。让软件界面不一定是长方形的， 可以变成圆形、椭圆形或者不规则形状。不只是主窗口画面可以做变化，连软件的其他 设定画面、对话框等也都可以依照你的意思来设计，半透明、阴影等效果。你还可以把 软件设计得像是m a c 、u n i x 等其他操作系统的软件的样子。运用了k c t i v e s k i nv 4 3 控 件后，仿真程序界面上的控件，例如：按钮、菜单、文本框等，不但形状变得更加凹凸 分明，富有三维立体感，而且当鼠标对其进行操作时，还会引起其色彩变化，整个界面 变得更加完美。 5 4 1 主界面设计 华北电力大学硕士学位论文 主界面设计采用f o r m 窗体，外观如图5 2 所示，其特点是简洁明了，给出了仿真 软件名称、研制单位等必要信息。主界而上有“进入”、“帮助”、“退出”二个命令按钮， 用鼠标单击“进入”按钮，进入仿真软件系统的功能主菜单选择界面，用鼠标单击“退 出”按钮，则退出程序，用鼠标单击“帮助”按钮，则超链接软件使用说明的w o r d 文 档。 5 4 2 功能菜单界面设计 图5 - 2 仿真软件包主界面 功能菜单界面设计采用f o r m 窗体，其主要有三部分组成，f o r m 窗体上方的功能菜 单、f o r m 窗体中间的保护类型选择下拉式菜单、f o r m 窗体下方的几个动态链按命令按 钮。其外观如图53 所示。 该界面最上方的功能菜单有7 部分组成，每一部分都对应一定的功能，程序运行时 用鼠标单击相应菜单按钮，即可击活封装在菜单按钮中的程序代码，并完成相应的程序 功能弹出下一级菜单或执行某种命令。例如，用鼠标单击保护类型菜单时，弹出线 路保护、变压器保护、母线保护：j 个二级菜单，再单击线路保护，将弹出高频距离、商 频零序、高频方向、高频负序、高频相差等几个三级菜单。选中其中一个单击将进入此 类保护对应的参数设置窗体。 华北电力大学硕士学位论文 f o f i l l 窗体中间为保护类型选择下拉式菜单，其大多数功能与上面介绍的功能菜单中 的功能是一样的，创建这些保护类型选择下拉式菜单的主要目的是为了方便用户使用， 用户通过上面的功能菜单或这里的下拉式菜单都能进入保护对应的参数设置窗体。使程 序的使用更加灵活、便利。 f o r m 窗体下方的几个动态链接命令按钮把仿真系统的3 个主要组成部分，谐波分析 软件包、i ：i i t p 仿真软件和微机保护仿真软件包紧密联系在一起。通过这里的命令按钮可 以方便的动态链接谐波分析软件包和e m t p 仿真软件。 2 0 0 4 - 1 2 - 1 52 1 ：0 5 ：8 5 图5 - 3 仿真软件包功能菜单界面 5 4 3 参数设置界面设计 由于仿真系统中建立的保护模型较多，各个模型的参数形式又不完全一致，因此， 数据输入窗体很多。下面以高频距离保护的数据输入窗体为例，说明一下参数设置界面 的设计，其界面外观如图5 4 所示。 参数设置界面主要有两部分组成，一是窗体左边的保护数据源输入部分，二是窗体 右边的保护参数设置部分。参数设置界面是使用控件晟多的窗体，包含有l a b e l 控件、 4 e 华北电力大学硕士学位论文 b u t t o n 控件、i is t 控件、f r a m e 控件、t e x t 控件、c o m b e b o x 控件、7 r i m e f 控件和 c o m m o n d i a l o g 控件。 保护数据输入部分主要包括数据输入按钮、显示所有电气量l i s t 列表框、显示每 对保护对应的电气量l i s t 列表框。 保护数据输入部分将完成以下功能：连接e m t p 仿真结果的p l 4 数据文件，把数据 自动保存到仿真系统对应的数组中，在电压l i s t 列表框中显示节点电压对应的节点名 称，在电流l i s t 列表框中显示支路电流对应的支路名称。其操作是非常简单的，单击 数据输入按钮，通过对话框找到e 姗p 仿真结果的p l 4 文件，点击确定按钮即可。 保护参数设置部分主要有算法选择和保护定值设置两个部分。各种算法是通过下拉 式菜单来选择，其包括启动元件算法、数据处理算法、判相元件算法三类。定值设置采 用t e x t 文本框输入，当所有的定值输入完成，可以单击保存定值按钮保存定值，如果 以前已经进行过定值设置并做了保存，可以单击导入定值按钮调入以前的定值。 图5 - 4 仿真系统的参数设置界面 5 4 4 仿真分析结果查询界面设计 华北电力大学硕士学位论文 以谐波含量分析结果查询界面为例，仿真结果查询界面外观如图5 一i 所示。结果显 示采用带垂直滚动条的t e x t 文本框，t e x t 文本上方标明了各列数据的物理意义。 单击窗体界面上的w o r d 文档命令按钮，可以实现分析结果数据文件与w o r d 应用软 件的链接，单击w o r d 文档命令按钮后，一个w o r d 文档图标显示在o l e 控件中，用鼠标 双击( 】i e ，将启动w o r d 应用程序并把分析结果显示在w o r d 界面上。用户可以在w o r d 环境下对仿真分析结果进行处理，并可另存为其他文件名。 图5 - 5 仿真结果查询界面 5 4 5 保护测试结果界面 保护测试结果界面外观如图5 - 6 所示。用带垂直滚动条的t e x t 文本框显示结果， 图中的两个窗体分别记录保护 端和保护2 端的动作情况，能对多组高频保护进行记录 其特点是简洁明了，没有过多的修饰。当仿真程序开始运行时，其自动跳出在屏幕两端 显示保护测试结果。 华北电力大学硕士学位论文 5 5 软件包测试 图5 - 6 保护测试结果界面 为了验证软件包的实用性，我们对软件包的各种功能进行了多种情况下的测试，限 于篇幅，本文只给出了部分的结果。( 1 ) 保护的各类算法测试：( 2 ) 保护的动作情况测 试：( 3 ) 某地区电网实例测试。 5 5 1 保护算法和动作情况测试 虽然保护类型很多，但是一些基本的算法，如启动元件算法、数据处理算法、判相 元件算法等每个类型的保护都是采用的，所以我们对保护算法进行测试时，不用对所有 的保护类型进行算法测试，挑选一个典型的保护类型进行测试即可，下面以高频距离保 护为例，用简单的e m t p 模型对保护算