（电力系统及其自动化专业论文）电力系统继电保护实验教学系统的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力系统继电保护实验教学系统的研 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已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：；墨蠡幽日期：勉121 “ 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：匏蠡掏 导师签名：幽 日 期：2 碰! ：! 日期：丝丝 氛 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电力系统继电保护的发展概况 继电保护技术发展的历史过程一般可以分成四个时代，即从电磁型、晶体管型 ( 又称半导体型或分立元件型) 、集成电路型，到计算机型( 微机型) 。微机继电保 护或“微机保护”就是指以数字式计算机( 包括微处理器) 为基础而构成的继电保 护。 微机继电保护起源于2 0 世纪6 0 年代中后期，在英国、澳大利亚和美国的一些 学者的倡导下开始进行研究。首先进行的是理论方法和程序结构的研究。数值计算 是在所谓“采样值”的基础上进行的，即是将电流、电压的模拟量在恒定时间间隔 的有关时刻的样值进行数字化以后，通过计算机对这些数字量信息进行运算处理， 以实现要求的继电保护功能。以后各国的专家学者围绕算法理论作了大量的工作， 为计算机继电保护的发展奠定了深厚牢固的基础。 继电保护是电力系统重要组成部分，为电力系统的安全稳定运行发挥着极其重 要的作用。1 9 世纪末，熔断器首次被用来防止发生断路时损坏电力设备，在此基础 上建立了过流保护原理。1 9 0 1 年第一台感应式过流继电器问世，标志着继电保护技 术的开始。1 9 0 8 年初研制出电流差动保护，1 9 1 0 年出现了快速动作的高频保护， 至此，基本建立了继电保护的基本原理。纵观继电保护技术近1 0 0 年的发展史，其 发展经历了三个阶段、二次飞跃。三个阶段是：机电式、半导体式、微机式。第一 次飞跃是从机电式到半导体式，主要体现在无触点化、小型化、低功耗。第二次飞 跃是从半导体式到微机式，主要体现在数字化和智能化。在2 0 世纪6 0 年代计算机 硬件的制造成本很高，难以规模化应用。1 9 7 2 年出现的世界上第一台计算机保护样 机一一p r o d a r 一7 0 虽然投入了试运行，但距商业应用还相差甚远。在2 0 世纪7 0 年 代初、中期出现了微处理器一一微型计算机后，情况迅速改观。由于微型计算机的 性能不断增强，价格不断降低，因此在这个阶段计算机继电保护取得了飞速的发展。 在我国，计算机继电保护技术的研究和开发起步比较晚，但由于我国继电保护工作 者的努力，到2 0 世纪8 0 年代末，计算机继电保护特别是输电线路的微机保护已达 到了大量采用的程度。目前我国的电力系统中，各个电压等级的输电线路保护和电 力主设备保护都有一系列成套实用的微机保护装置。2 2 0 千伏及以上线路微机保护 应用率达8 6 。随着微机保护智能化研究工作的全面展开，微机保护的软件、算法 取得了长足的进展，可以说，从2 0 世纪9 0 年代开始，我国继电保护技术进入了微 机保护时代。随着计算机硬件、网络、通讯技术的发展，继电保护“计算机化、网 华北电力大学硕士学位论文 络化，保护、控制、测量、数据通讯一体化和人工智能化”成为国内外继电保护技 术的发展趋势。 我国对继电保护的研究从7 0 年代后半期，开始是几个高等学校和水电部南京 自动化研究所的一些继电保护工作者对国外计算机继电保护的发展作了广泛地介 绍和综述分析。7 0 年代末至8 0 年代初则广泛地开展各种算法以至样机的研制。1 9 8 4 年上半年原华北电力学院( 今华北电力大学) 研制的第一套以6 8 0 9 c p u 为基础的距 离保护样机投入试运行。与此同时，也有一些其他原理方案、算法以至样机陆续在 研制，包括变压器保护和发电机的某些保护在内。 继电保护的设备、参数及定值管理工作关系到电网的安全稳定运行，其责任重 大、技术性强，要求极为严格，而目前电力行业的继保专职的工作强度又相当大， 他们要对电网结构、保护配置、设备投退等众多信息进行正确地分析、处理、统计， 工作十分繁重、复杂。 近年来，高压电网新增保护装置基本上都是微机型的。随着全国联网的事实， 超高压长距离重负荷线路、串联电容补偿线路、同杆并架线路、紧凑型线路，以及 交直流混合电网线路逐步建设投运，一批高技术性能的保护相继投运。目前，全国 3 5 k v 及以上微机型继电保护约占总装置数的7 0 。全国高压电网使用的微机型保护， 大多数是我国南瑞公司r c s - 9 0 系列( l f p - 9 0 0 系列) 和四方公司的c s l - 1 0 0 系列、 南京自动化设备厂w x b 系列以及许继的w x h 系列等产品。运行实践表明，这些产品 功能适应了我国电网运行和电磁兼容等方面的要求，国产微机保护性能和运行业绩 已优于进口保护。 在各种计算机保护装置发展的同时，利用计算机的特有的优势，还发展了许多 新的保护原理，特别是故障分量原理和自适应式保护原理。这些保护原理的引入， 使继电保护的性能得到很大的完善和提高。据统计，到2 0 0 2 年我国电力系统中的 2 2 0 k v 及以上线路保护总体的正确动作率达9 9 0 9 ，发电机保护达到9 8 2 。近1 0 年我国没有发生过大电网稳定破坏、大面积停电事故，这标志着我国微机保护运行 已达到国际先进水平。 随着电力工业的迅速发展，电力系统的规模不断扩大，系统的运行方式也越来 越复杂，对自动化程度提出了越来越高的要求，从而促进了电力系统自动化技术的 不断发展。微机保护、故障录波器、计算机监控系统、计算机调度自动化等都已成 功运用到电力系统中。与自动化程度相适应，对电力系统继电保护装置的要求也随 之提高。到2 0 世纪9 0 年代中期，在我国的电力系统中已有几千套微机线路保护在 运行。在保护的原理类型上除已能覆盖常规保护的各种类型外，还有新的发展，能 满足各种输电线结构、各种电压等级的输电线的需要。事实上，在2 0 世纪8 0 年代 华北电力大学硕士学位论文 初期和中期，我国的一些高等学校即已开展变压器和发电机的微机保护的研究。首 先是对一些较特殊或最适于用微型计算机实现的保护，例如：变压器的差动保护， 发电机的匝间保护、失磁保护以及后来的发电机定子1 0 0 接地保护等等，有一些 相应的样机在电力系统中试运行。到2 0 世纪8 0 年代后期陆续有一些变压器保护正 式应用于较低电压的变压器。从2 0 世纪9 0 年代初开始，陆续有一些正式的产品用 于高电压、在容量的变压器和发电机一变压器组。我国在微机母线保护的研究方面， 始于2 0 世纪8 0 年代下半期，到2 0 世纪9 0 年代中，已形成一些正式产品，可以满 足电力系统的需要。到2 0 世纪9 0 年代，我国的计算机继电保护除个别品种外，基 本能满足各级电压的各种电力设备队继电保护的要求。 1 2 继电保护实验教学装置的研制背景、目的和意义 从上世纪9 0 年代开始我国的继电保护技术就已经进入了微机继电保护的时代， 现在我国无论是输电线路的保护还是电力主设备保护都有一系列成套实用的微机 保护装置，新建的变电站也均采用了以微机保护为核心的变电站综合自动化设备与 技术。微机保护的大量投运，给测试技术也带来了新的影响，研制部门积极采用了 数字控制、数字显示、微机可编程和实时仿真等技术，实验装置向数字化、微机化 和专业化方向发展。微机保护利用嵌入式单片机技术，用软件程序控制硬件实现常 规保护功能，具有集成度高，功能完善，可靠性高，调试维护方便等优点，符合数 字化、信息化的发展趋势，但微机保护性能增强的同时也增加了学习和掌握的难度。 然而目前国内现有的微机保护实验和培训装置种类很多，功能单一，要配齐所有的 保护功能需要昂贵的投资，并占据大量的空间。目前计算机继电保护也是电力系统 及其自动化领域的最新也是最重要的研究方向之一，因此，各院校也相应开设了微 机保护课程，但是微机保护的教学工作以及保护装置无论是在教学或实验室建设还 是保护具体装置方面都明显滞后于微机保护在现场的应用保护工作。这一现象如果 不能得到及时的改变，必将影响微机保护的运行维护管理及进一步的开发完善工 作，从而将影响到微机保护的推广应用工作。开发一种具有智能化的微机继电保护 多功能实验系统的软硬件结合技术已经成为一种趋势。 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。在 华北电力大学硕士学位论文 实验过程中保护装置只是一个黑匣子，通过相关设备给它输入一定的交流信号，装 置经过定时采样、a d 转换、启动判别，通过由保护算法决定的数学运算和逻辑判 断，最终输出能够看到的开关量。由此知道保护装置是否正确动作，但具体的软件 执行过程并不知道，中间变量的具体值也不清楚。 传统的继电保护装置与继电保护原理是一一对应的，不同的保护原理必须用不 同的硬件电路实现。这种设计方法受到当时集成电路发展水平的限制，所带来的问 题是每开发一种新原理的继电保护装置都要重要进行硬件电路的设计，开发周期较 长。微机继电保护的诞生与应用彻底改变了这一状况。微机继电保护硬件的通用性 和软件可重构性，使得在一套通用的硬件平台上就可以实现多种性能更加完善，功 能更加复杂的继电保护原理。微机继电保护利用嵌入式单片机技术，用软件程序控 制硬件实现常规保护功能，具有集成度高，功能完善，可靠性高，调试维护方便等 优点，符合数字化、信息化的发展趋势。近年来，芯片的更新换代和新的微机保护 原理的涌现为微机保护注入了新的活力。 继电保护是电力类专业很重要的一门课程，该课程的理论教学与实验教学在课 程设置上是很紧密的，但是由于条件所限，许多学校无法完全开设出课程要求的实 验来。有些即使能开设出相应的教学实验，但设备都很陈旧、零散。每次实验，设 备都需搬进搬出，很不方便。在教学上难以规范操作，教学效果很不直观，误差因 素也较多，另外还缺乏安全性。因而实验课教师带得很难，学生学得吃力，导致学 生队实验不够重视，实验时马马虎虎、草草了事，似的继电保护实验流于形式，难 以达到应有得教学目的。为了让继电保护实验能真正跟上理论教学得要求，达到理 论与实际相结合得水平，而且能适应新得形势要求，我们有必要队继电保护实验教 学环节进行改革和创新，从而使学生能较好地掌握本课程的基本概念，基本原理、 基本知识和基本方法，并具有较好的动手能力及解决问题的能力，以达到应有的实 验教学目的。 由此可见，开发一套通用性强、技术水平与现场相当，原理结构清晰易懂的继 电保护试验教学系统是很有必要的。开发本系统的目的在于使学生了解继电保护的 实际动作运行过程，形象地学习继电保护装置地硬件结构和软件算法，加强学生实 验调试的技能，加深学生对继电保护原理的理解。基于这种实际需要，在采用了d s p 和p c 1 0 4 总线工控机构成的硬件的同时，选择运用了高级语言的集成开发环境 v b 6 0 ，开发出了这一套电力系统微机继电保护实验教学系统。在本系统设计上突 破了传统的一种保护装置实现一种保护功能的局限，实现了多种保护功能集于一套 试验装置中，试验者可分别选择试验内容、保护算法、编制程序，从而完成相应的 保护功能实验。我们在开发这一通用的继电保护实验平台时，考虑到了装置的通用 性和可扩展性，使其既可以作为一个实验平台，验证现有的保护原理和算法；又可 4 华北电力大学硕士学位论文 以作为一个科研仿真调试的平台，对新的算法和原理进行测试。 1 3 继电保护实验教学装置的国内外研究状况 微机型继电保护装置的出现，使原有继电保护装置的工作性能有了显著的改 善，大大提高了电力系统运行的安全性和稳定性。然而，新型继电保护装置的大量 出现也对相应的继电保护测试装置提出了更高的要求，原有的模拟式继电保护测试 台除了在价格上尚占有一定的优势外，在性能和测试手段上己很难满足新型继电保 护装置的需要。 随着微机保护在国内电力系统的广泛应用，微机保护教学实验装置的研制也引 起了一定重视。文献 1 中介绍了一种平面组合式的微机保护实验系统，该系统由 p c 机、单片机开发系统和微机保护实验装置三部分组成。能完成电压形成、电压电 流变换器的非线性特性造成的误差分析、补偿；低通滤波器测试：采样保持波形观 察；a d 转换速度和精度的关系及三段方向过电流保护、距离保护原理的验证等实 验内容。该实验系统结构清晰合理，功能较为完善，提供了一个很好的继电保护实 验装置的设计思路。但受当时软件水平的限制，缺少一个友好的人机界面，即一个 完善的教学图文支持系统。另外，随着微机保护和微处理器技术的更新换代，其硬 件水平也落后于目前的微机保护产品。 另外，文献 2 等介绍了一种继电保护装置的仿真培训软件，该仿真系统由图 纸绘制、元件制作、动画制作、仿真编辑、图纸管理和教学培训等组成，应用计算 机的多媒体技术，把继电保护和自动装置的具体动作过程以形象、生动的方式表现 出来。但此系统针对工作人员比较适用，不适用于教学。文献 3 中介绍了一种微 机保护装置的仿真软件，能够模拟微机保护装置正常、异常、检修等各种工作状态。 该软件界面为一个仿真操作面板，面板上有压板投切开关和信号灯指示，用户可以 操作各个开关来控制保护投切、修改定值，操作结果可以通过信号灯、显示屏、模 拟继电器动作情况反映出来。该系统用运行在p c 上的软件模拟微机保护装置的动 作行为，由于p c 机与单片机在总线结构、指令处理等方面的差异，动作时间就无 法与真实的保护相一致，这是一点不足；第二点不足是该软件主要面向工作人员的 培训，对保护的原理、算法没有直观的展示，还不能用于高校继电保护教学。 目前，国外也有较先进的微机保护实验室用于教学，典型的是加拿大 s a s k a t c h e w a n 大学用于教学和科研的电力系统微机保护实验室。该实验室有3 个工 作站和1 4 台p c 机，每个工作站通过以太网与大学计算机连接，每台微机都配有一 个或多个高速数字信号处理( d s p ) 板、用c 预言编写程序并将其交叉编译为d s p 板中汇编预言的设备。可完成输电线路保护、算法与分析、变压器保护、发电机保 护、频率继电器、故障定位和自适应继电器的研究，大大提高了教学和科研力量。 5 华北电力大学硕上学位论文 其实验设备分为设计设备、开发设备、执行设备和测试设备。该装置包括了e m t d c 和e m t p 电力系统动态及暂态仿真，硬件包括数字采集模块，动作判断模块和p c 机 等三个部分，其中动作判断模块由d s p 板完成。插入微机扩充口的d s p 板实现了继 电保护算法并处理获取的信号。p c 机为在d s p 板中改变保护设置提供人机界面。该 实验室可完成以下研究：( 1 ) 输电线路保护( 2 ) 微机保护算法的设计与测试( 3 ) 卡尔曼滤波器在数字保护中的应用( 4 ) 变压器保护( 5 ) 发电机保护( 6 ) 自适应 继电器和故障定位等等。由此，目前的微机型继电保护测试装置在功能和测试的技 术方面仍然存在不足和缺陷，仍然需要进一步去改善和提高。 我国高校针对微机保护实验教学，研制开发的这类产品各具特色，功能也各有 不同和侧重。目前高校典型的微机保护实验产品主要有： ( 1 ) 山东工业大学电力学院研制的微机保护实验系统。该系统由p c 机、m c s - 9 6 系列开发系统和微机保护装置三部分构成。通过该实验系统学生可以观察到微机保 护的各个构成部分及各个部分之间的联系，可以编写程序进行调试，进行保护动作 特性实验，可用于微机保护实验教学的三段式方向过电流保护和距离保护实验。该 实验系统实际上是一个硬件开发环境，需要提供硬件开发环境，需要提供硬件开发 系统，显然成本较高。另外，学生对软、硬件资源熟悉需要一段时间，无法在较短 时间内完成实验任务。 ( 2 ) 吉林电气化高等专科学校自控系研制的微机继电保护实验装置。可同时 实现- - n 线路的电流速断保护、反时限过流保护、过负荷报警、自动重合闸、断路 器故障预警和断相指示，正常工作时三相电流大小显示等功能。各种保护动作电流 值可通过键盘进行整定。该实验装置只在硬件上实现了微机保护的一般功能，不能 完成微机保护的基本实验要求。 ( 3 ) 华中理工大学电力自动化研究所研制的w l b 一工工型微机线路保护教学实验 台。该实验台由三相调压器、滑线变阻器、系统电阻箱、三段式微机电流保护装置、 三段式微机电压保护装置、三段式阻抗保护装置、接触器、台架、电流表、电压表 等组成。可进行电流、电压保护实验和阻抗保护实验。该实验台每种装置都具有自 己的特点和实验范围，不能完成综合的实验，而且占地面积大，不利于携带和移动。 目前，国内外针对微机保护实验教学研制的同类产品很多，功能各异也各有侧 重。总的来说有以下不足： ( 1 ) 同一种装置不能够完成高校微机保护的基本实验要求。 ( 2 ) 国外的继电保护实验室虽然功能齐全，但结构庞大，成本昂贵，不适合 本科生实验。 1 4 本文的任务和论文的介绍 6 华北电力大学硕二i ：学位论文 本文研究的对象是电力系统继电保护实验教学系统软件，要解决的是如何通过 继电保护实验教学系统使学生更深入的了解了各种保护实验原理和动作特性，将学 生培养成电力系统运行、调试和专业的设计人才。此教学系统软件囊括了继电保护 各种保护原理的实验及动作特性等功能，并且可以添加新的保护原理进行实验。 本文的主要内容包括以下几个方面： 1 、本文广泛收集和分析了国内外微机继电保护资料，阐述了本课题的研究意 义。在综述了国内外继电保护之后，提出了本文研究的主要内容。 2 、简要阐述了这套电力系统继电保护实验教学系统的总体设计思路、总体结 构等，提出了基于d s p 和应用p c 1 0 4 总线工控机以及利用集成开发环境v b 6 0 的 软硬件结合的设计方案，并对系统的原理框图，主要硬件构成和软件的设计部分进 行了详细的介绍。 3 、在软件设计方面，提出并简要介绍了软件计算功能模块的开发以及设计过 程，即图形建模模块、故障分析模块、定值计算模块、组合逻辑的设计模块，并且 分析了各模块的功能特点。 4 、着重研究了数据库技术在实验教学软件中的应用，详细论述了软件综合数 据库管理模块的开发方法，介绍了数据库总体结构设计、各种不同类型参数表的具 体实现以及图形化参数的管理，使软件实现了高水平的信息存贮、查询、统计和综 合分析。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力系统继电保护实验教学装置的总体设计方案 2 1 继电保护实验教学装置的总体设计目标 厂 继电保护实验装置 、 i 开入i 实验 交 h 以 八 微机 l 继电保护测试仪 流 a d 型 d s p 嵌入式工 | 太 、 l 物理实验系统 q 。 变 单元 控机 操作 矿 网 y y v f c 型 p c i 0 4 平台 换 触摸屏 ， 测试点开出 图2 1 继电保护实验装置的整体结构图 如图2 1 所示，为继电保护实验装置的整体结构图；按照功能的需要，整个装 置系统由三部分构成第一部分为一个目前应用较为广泛的微机型继电保护测试装 置，用来产生实验所需的电压电流等信号，具有数字控制数字显示微机可编程和 仿真的特点。在实验中，我们要求它能正确模拟电力系统各种类型的瞬时、永久以 及转换性故障；能仿真现场实际断路器的动作；具有系统振荡仿真功能；具有故障 录波再现功能；能采用卫星定位系统( g p s ) 对测试装置的输出量进行远程同步， 实现对高频功率方向和高频相差保护的整组试验。 第二部分类似于一个继电保护装置，它具有实际继电保护装置的所有功能，并 可以对每个环节进行单独的测试。通用的继电保护试验装置采用d s p 和嵌入式 p c 1 0 4 构成，包含了微机式继电保护装置构成的各个要素：数据采集、输入、输出、 人机交互、网络通讯及各种保护程序。能够演示各种继电保护原理的动作情况、测 试装置主要环节的电路工作原理、通过网络和多媒体教学系统相连实现形象教学、 可在线编制保护程序并下载实现高级试验和科学研究。该系统和电力系统信号发生 器通过信号线相连，接入信号发生器提供的电压和电流，经信号变换、低通滤波、 a d 采样变换成数字信号，进行静模测试。通过以太网和计算机控制系统相连，实 现以下功能：( 1 ) 将试验结果上送，并通过多媒体教学系统实现保护动作过程再现， 并对保护原理进行祥解；( 2 ) 接收计算机系统下达的命令，实现类似远方操作的命 令( 如远方跳合闸、修改定值等) ，另外可随时上传采样数据，完成微机保护数字 华北电力大学硕士学位论文 滤波、保护算法、整组保护试验仿真等功能；( 3 ) 从上位机中下载编译好的可执行 程序，实现新保护原理程序的在线运行与测试。 这部分包括交流变换插件、数据采集及预处理插件、开入开出插件合网络通讯 及人机对话插件等五部分组成。每部分之间的连接处设置有测试点，通过万用表和 示波器观察各个插件的输入输出情况，可以了解其工作原理。相应的电路工作原理 的学习通过计算机多媒体教学进行。 第三部分为上位机继电保护辅助分析软件，辅助分析软件采用多媒体技术，把 采样数据处理成表单或曲线图的形式，将动作过程处理成动作报告，可以帮助实验 人员获得直观、形象的感性认识。同时内部的信号分析工具，还可以显示电气量的 向量关系、信号的频谱等，便于研究人员进行深入的离线分析。 2 2 继电保护实验教学装置的总体设计思想 本教学系统总体上采用软件模块设计的方法。软件模块是与实现某一相对独立 子功能相关的若干数据说明与程序段的有名集合，典型的模块可以是过程、函数、 子程序、宏。模块化就是将软件系统划分为若干个模块，每个模块完成一个相对独 立的子功能，把这些模块集成起来构成一个整体，就可以完成指定的功能满足相应 的教学实验软件的各种要求。在软件开发过程中，人们发现如果一个大的软件仅由 一个模块组成，它将很难被人所理解。 本软件要由以下几大部分组成，它们分别为：人机接口及图形界面、图形操作、 整定计算、故障分析计算、组合逻辑图的设计模块、网络参数信息管理、定值及中 间结果管理模块、保护原理的学习模块。各部分均采用了模块化编程技术，使得软 件的升级与维护变得方便可行。 1 、人机接口及图形界面 提供了具有标准w i n d o w s 风格的图形用户界面，简洁、友好、直观，鼠标操作 即可完成软件的所有功能的实现。 2 、图形操作 这一模块与用户关系密切，本程序力求作出对用户友好，给用户提供最大的方 便。用户还可以利用图形功能快速绘制系统主接线图、各序网阻抗图和保护配置图。 3 、整定计算部分 这一模块要根据数据库管理部分的数据，依据一定的整定规则，按继电保护功 能分类拟定短路计算的运行方式，选择短路类型，进行故障计算分析，得到计算结 果。它按保护的功能分为多个功能子模块，这种模块化的结构，可按用户要求继续 华北电力大学硕士学位论文 开发新的功能，扩展十分方便。在此模块中，通过建立一系列的数学模型，完善了 许多保护的功能。 4 、故障分析计算部分 故障分析和定值计算是软件的两大计算功能模块，故障分析是继电保护实验定 值计算的基础。在电力系统继电保护工作中，需要反复进行大量简单故障与复杂故 障的计算，这是分析研究继电保护的动作行为的基础。本软件的故障分析模块可以 自动完成指定方式下各种故障类型，各种故障方式的计算。该模块的主要功能有： 形成网络的数学模型，即分别建立网络的正序导纳和零序导纳；运行方式改变时对 网络数学模型的修正；根据故障条件进行有关的故障计算及计算故障时保护安装处 的各种电气参量、向量图等。 5 、组合逻辑图 对于每种保护原理，该模块都可以针对性的绘制出相应的组合逻辑图。即可以 通过该模块的建立与故障计算、整定计算模块的配合就可以判断某种特定的保护实 验在设置故障进行整定计算之后的动作过程以及动作正确与否。 6 、参数数据库管理 参数数据库是指计算所需原始数据，这一模块要解决保护整定计算所需原始数 据的收集整理，完成保护整定计算的准备工作。本程序采用s q ls e r v e r2 0 0 0 数据 库管理系统进行管理，采用数据库的二维表格形式，将各种计算所需的各种数据分 区放置，与程序接口方便，方便用户通过人机交互界面进行数据的输入、修改、查 询及管理等。参数可以在图形上输入及修改，实现了文本、图形数据的可视化统一。 7 、定值及中间结果数据库管理 这一部分为软件的输出模块，主要以数据库形式管理整定计算及故障计算结 果。整定计算结果以及故障计算结果都可以在相应窗口中显示，保存到s q l s e r v e r 2 0 0 0 数据库，或者输出到e x c e l ，以各种定值报表的形式灵活打印输出。 8 、保护原理的学习 该模块即是通过文本的格式让学生对各种保护实验有一个原理性的认识，更清 楚明了的认识各种保护实验。 2 3 继电保护实验教学装置的特点 本软件系统主要是用于教学。包括继电保护整定计算、故障计算以及各项数据 信息管理的综合使用，目前具有以下功能。各功能及其特点简述如下： 1 、绘制电力系统接线图以及正序、零序网络拓扑图。 l o 华北电力大学硕士学位论文 2 、建立电力系统元件设备参数基础数据库( 包括发电机、变压器、输电线路、 母线等) ，并在图形上实现了其可视化输入。 3 、继电保护数据科学、有效的数据库管理。 4 、故障分析计算 该系统能够在建立了电气模型及输入参数后，即可以进行计算工作。可以进行 简单故障、复杂故障、网络等值、短路电流、各序电流等的计算；灵活、方便地实 现各种运行方式；故障点、故障类型、过渡电阻大小、线路上各点等可以任意设定； 将计算结果到数据库相应的位置，结果可以通过查看单个量或查看全部量来查看各 支路各序量、相电流值或节点相电压值等，并且按有名值和标么值两种方式显示。 能够完成一些中间变量的向量图的显示。 5 、整定计算 该功能可以完成各种保护原理的整定计算。并且可以通过添加功能添加新的保 护原理及整定原则进行新的保护原理的整定计算。 6 、组合逻辑图 通过对组合逻辑图的学习，使学生更加深刻的了解到每种保护实验的动作过 程，直观明了。当选中某种保护后，就可以从数据库中调出相应的组合逻辑图；对 于新添加的保护配置，则可以通过添加功能，建立配置出新的组合逻辑图，通过保 存功能就可以将新添加的组合逻辑图以相应的名称保存到新建的数据表中。 7 、保护原理学习 在对某种保护原理性的知识不是很清楚的情况下，可以通过保护原理学习使学 生更加深刻的学习和认识了各种保护原理知识。 2 4 继电保护实验教学装置的软件开发环境 本系统采用面向对象的软件开发工具一v is u a l b a s ic6 0 。原因如下1 ： 1 、v i s u a lb a s i c 采用可视化应用程序环境和可重用性的面向对象的编程预言， 具有很好的w i n d o w s 界面功能； 2 、v i s u a lb a s i c 控件使用方便，且支持a c t i v e x 、动态链接与嵌入( o l e ) 和 多线程( m u l t i t h r e a d ) 编程等。这样软件就可以方便地使用其它应用程序提供的 功能( 例如m i c r o s o f tw o r d 字处理器，m i c r o s o f te x c e l 电子数据表及其它w i n d o w s 应用程序) ； 3 、代码编译速度快，执行效率高； 华北电力大学硕士学位论文 4 、v i s u a lb a s i c 在图形处理方面具有较强的功能，可以很容易地实现图形、 动画方面地功能： 5 、由于v i s u a lb a s i c 将许多数据库地通用功能都结合在其数据库组件中，因 此v i s u a lb a s i c 具有极其强大的数据库操作能力，其数据库应用程序的设计和操 作十分简捷方便； 6 、i n t e r n e t 功能强大，能够很容易在应用程序内通过i n t e r n e t 或i n t r a n e t 访问文档和应用程序，或者创建i n t e r n e t 服务器应用程序； 7 、完成的应用程序是使用v i s u a lb a s i c 虚拟机的真正e x e 文件，可以自由 发布。 由于本系统涉及到界面设计、图形处理、数据库、等多方面的操作，同时考虑 到代码编译速度要快，而v i s u a lb a s i c 提供了开发m i c r o s o f tw i n d o w s 应用程序 最迅速、最简捷的方法，所以本系统选用v i s u a lb a s i c6 0 作为软件开发工具。 数据库是指一系列存在关系的数据组成的集合。v i s u a lb a s i c 的数据访问特性 允许对包括m i c r o s o f ts q ls e r v e r 和其它企业数据库( m i c r o s o f ta c c e s s 9 7 2 0 0 0 、 o r a c l e 、d b a s e 等) 在内的大部分数据库格式建立数据库和前端应用程序以及可调 整的服务器端部件。就本系统而言，因为s q ls e r v e r 2 0 0 0 可以满足本系统数据容 量的需要，对资源的占用率小，使用方便快捷，故决定采用选用s q ls e r v e r 2 0 0 0 为系统提供数据库支持。 华：l l ：l 乜力人学硕士学位论文 第三章可视化图形建模设计 3 1 系统图的绘制以及参数的编辑 图3 1 图形操作界面 图形建模是可视化编程的一种体现。它通过图形操作界面输入电力网络拓扑和 网络参数，由计算机自动识别网络结构，并根据需要建立相应的电力系统网络数学 模型。图形建模是实现可视化的故障分析和保护整定计算的基础。 图形操作包括图元的绘制、编辑、修改、保存和打印等。图形处理功能的实现 关键在于坐标的定位与图元的绘制方法。最终使用户只需执行用鼠标点击工具栏按 钮的简单操作就可以绘制出需要的元件图形，极大的解决了以往人工绘制的繁琐。 在绘制图元时特别要注意两点：一是要灵活运用v b 6 0 提供的各种图形方法。二是 要注意颜色和绘图模式的使用。 在图形建模中实现的功能有： 8 移6o - lo - 一o = 二牛喜弗品喜ft 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 提供设备工具箱：这些设备几乎涵盖了所有的电力设备，有双绕组变压 器、三绕组变压器、发电机、外接系统、断路器、熔断器、电动机、电缆、母线和 文本框。用户用鼠标在工具箱中选择标注文本，在适当的位置按下鼠标左键，这时 会弹出文本输入对话框，输入完文本后，按“确定”按钮，则可以在图形界面上标 注文本。用户通过使用工具箱里的工具就可以绘制或修改系统图的电网结构图，界 面美观整齐。 ( 2 ) 系统图全局操作，包括系统图的新建、保存、另存为、另存为模板、删 除系统图、系统图基本属性编辑等。整个系统图能方便的流动，并能缩小放大。 ( 3 ) 图形设备一般编辑操作，包括图形的选中、新建、剪切、复制、粘贴、 删除、移动、缩放、排列等常规编辑操作、 ( 4 ) 对设备能输入或修改参数和保护配置，输入或修改完毕，数据就进入相 应的数据库，并对设备参数进行标么值计算。 睡孺豁豳 名称l 线路1 电压等级w1 2 2 0 二j 编号厂 线路长度h 1 1 0 0 ；基本琴颤硝髫值) i 计簋阻抗簖幺值) 1 正序单位电阻q h 1 4 正序单位电抗q h 1 0 零序单 立电阻q h 8 零序单位电抗q h i 0 塑塞i娶塑i 图3 - 3 设备参数设置 ( 5 ) 设备连接功能，设备之间连接有友好的操作提示，符合电力系统接线的 1 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 5 ) 设备连接功能，设备之间连接有友好的操作提示，符合电力系统接线的 连接规范，如两点连接电压等级是否一致的检测，避免错误或无效的连接。根据设 备之间的连接关系，可以建立接线系统的网络拓扑结构，为自动形成节点导纳矩阵 及短路计算做准备。 ( 6 ) 设置运行方式允许用户通过设置外接系统阻抗的大小和断路器的分、 合状态来设置系统的运行方式。 图形建模使得系统结构中的元件“活”起来，代表真实的设备，前景色和背景 色的搭配，再结合绘图的异或模式与复制模式灵活转换可以实现对图元的各种高级 操作，如平移、放大、缩小、旋转等，为实现可视化的故障分析打下基础。如图3 4 所示： 属性 复制 剪切判切】 粘贴 删除 旋转 图3 4 图元高级操作 如果选中某图元，则在图元类上捕捉到鼠标按下事件发生，将该图元设置为焦 点，在鼠标弹起时将会调用p a i n t 方法重画图元，此时在图元周围会出现几个小方 块，表明该图元被选中。当焦点发生转移时，则不被选中，同时选中标示消失。 如下图所示的三卷变压器图元： 图3 - 5 选中时的发电机与未选中时发电机的比较 当图元处于选中状态时，可以任意对其进行放大或缩小操作。当鼠标放在矩形 小方块中时，光标编程双箭头，此时按下鼠标即可随意进行缩放编辑。图元也可以 华北电力大学硕士学位论文 当系统图处于编辑状态时，可以改变图元的摆放位置，以此适应画图的需要， 本软件中设计了顺时针与逆时针两种操作方式。 3 2 系统图的全局操作 为以能得到多张接线图，必须能进行系统图的新建、保存、另存、打开等基本 操作。 3 2 1 新建 用户在绘制电气接线图时首先要新建一个图形文件。在本系统中有两个数据库 备份文件，一个是系统参数数据库s y s t e m d b 的初始备份文件s y s d a t a b a s e ，在图形 程序中对系统参数进行显示和修改的操作，实际上就是对系统数据库文件中相应表 格的读写过程：另一个是图元参数数据库w o r k d b 的初始备份文件i n i t d a t a b a s e ， 它包含了所有的元件参数表和计算参数表，是生成新的图形数据库的文件模板。本 系统包含一个用户数据文件夹，用来保存用户绘制的电气接线图。当用户在主应用 程序的界面中调用“新建”功能时，系统要求用户输入一个新图形文件的名称，然 后程序就将i n it d a t a b a s e 文件复制到用户数据子目录下，并将文件名称更改为用 户指定的名称，这个文件只包含数据库的结构而不包含任何数据。之后主程序利用 这个用户新创建的数据库备份文件对本机上的s q ls e r v e r 数据库进行还原，这样 就为图形程序的运行提供了相应的底层数据库平台。 3 2 2 保存与另存 为了能在以后能继续使用，有必要对建好的图进行保存：有时，为了方便做图 可以用一张可以完成了的图为基础，通过对其新增或删减一些东西而得到所需要的 新图，所以还必须具有另存功能。所以在程序中定义了用于保存的s a v e 方法与用 于另存的s a v e a s 方法。s a v e a s 与s a v e 的都是调用同一段程序进行保存操作，区别 之处在于前者会更改图形文件名称。 3 2 3 打开 打开操作与保存操作的过程相反，它就是从数据库中把文件读出。 3 3 系统设置 系统设置可以分为基准值设置与颜色设置两种。 3 3 1 基准值设置 为了能对系统进行故障分析，必须对系统设置的阻抗参数按统一的基准值进行 1 6 华北电力大学硕士学位论文 折算，但是系统的基准值是不确定的，它根据实际情况来定，因此要能对基准值进 行设置。 基准值可以分为基准容量、基准电压及基准电流等，一般取基准电压为平均电 压( 即约为额定电压的1 0 5 倍) ，而其他基准值可以根据基准容量与基准电压进行 计算，所以实际上只用对基准容量进行设置。 3 3 2 颜色设置 在画电气接线图时，常常会在用不同的颜色来标示电压等级，比如如果用红色 来表示2 2 0 k v ，那么如果某条线路是属于2 2 0 k v 电压等级，它在图形上表现出来的 应该是红色。采用这种将颜色与电压等级联系起来的方法，能够在图像上直观地看 出该图有几个电压等级，它们的电压各是多少；或是某种元件工作在什么电压等级 下：或是变压器的高、低压侧各是什么电压等级：而不用去查图形的内部属性。 为了能够实现这种设置，先将电力元件按下列标准进行分类： 一、非变压器元件：这种元件包括母线、线路、开关、刀闸、电缆、外接系统、 电动机、发电机等，它们的特点是都只有一个电压等级，因而只须用一种标示颜色 即可。 二、变压器元件：包括两卷变，三卷变等，它们因为有变电压功能，具有二个 或是多个电压等级，因此必须用二种或多种对应的颜色来标示各个电压等级。虽然 电压等级数目存在差别，但是在实现方法上原理相同，所以可以归为同一类。 为了能够实现电压等级颜色的设置，要先将电压等级与颜色一一对应起来。 一、颜色变量：本软件中定义了l o 个全局颜色变量：c o l o r 5 0 0 、c o l o r 3 3 0 、 c o l o r 2 2 0 、c 0 1 0 r l l 0 、c o l o r 6 6 、c 0 1 0 r 3 5 、c o l o f l 0 、c 0 1 0 r 6 、c o l o r 3 、c o l o r o 3 8 ， 这些定义分别对应从5 5 0 v 到3 8 0 v 的各级电压。 二、变量赋值：各个使用者的习惯可能不一样，所以对同一个电压等级，它对 应的颜色应该是允许改变的，所以上述变量的值不能固定，要能随着使用者的需求 进行不断地改变，重新赋值。 华北电力大学硕士学位论文 4 1 故障分析 第四章计算功能模块的设计 4 1 1 故障分析的计算机算法 随着电力工业地飞速发展，电力系统故障计算作为电力系统分析计算的重要分 支，在电器设备的选择、电网规划、继电保护、自动装置的合理配置和参数整定中 占据着非常突出的地位，特别是继电保护的定值计算对其计算规模、计算速度和处 理各种复杂故障的能力都有较高要求。电子数字计算机的发展和普及为其提供了现 实性和可能性。因此，故障分析计算对提高继电保护整定计算的准确性、保障实验 准确动作具有重要的意义。 应用计算机进行电力系统的故障分析计算，首先必须建立电力系统故障状态下 的足够精确的数学模型：根据所建立的数学模型确定适当的计算方法。该方法应能 快速和准确的给出计算结果，同时在计算过程中占用内存小；然后选用适当的编程 方法与编程语言实现程序设计。显然，程序设计的技巧，对提高程序的质量有很大 的影响，它会在很大程度上影响计算速度和计算能力。 传统的利用计算机求解电力系统故障的方法是利用对称分量法、节点电压法及 口网络理论来进行的n 引。简单故障的计算归结为单口网络的计算：由节点阻抗矩阵 求出口网络阻抗参数，根据故障边界条件方程求出故障口注入电流，然后由节点阻 抗方程求出系统各点电压，进而可求出各支路电流。多重复杂故障的计算可归结为 多口网络的计算：通常的做法是根据序网的连接类型，把故障分为串联型故障和并 联型故障两大类，选定一相作为基准相，列出故障口电压、口电流序分量边界条件 方程，然后与口序网络方程联立求解未知量。对于两重及两重以上的复故障计算必 须考虑故障特殊相与基准相不一致的情况，因此需要利用理想变压器的转角因子来 建立通用型边界条件方程，用以反映故障类型和相别的变化。 近十几年来，对故障计算的算法、特别是计算机算法进行了多方面的深入研究， 研究内容覆盖了各种等级的电网、各种类型故障、网络操作以及继电保护整定计算 中的一些特殊问题；结点优化编号技术和稀疏矩阵技术被广泛用于提高计算速度、 节约计算机内存。通常的故障分析方法在故障端口处把电力系统和故障电路分开， 故障前的电力系统用在故障端口处的戴维南和诺顿等值代替，再和故障电路( 故障 部分电路用序分量的形式表示出来) 连接，计算出故障端口处的电量，然后利用叠 加定理计算全电流。电流一部分是故障电路开路时由电力网内部电源作用的结果， 由故障前运行状态决定，是已知的；另一部分是原网电压源短路电流源开路，由故 1 r 华北电力大学硕士学位论文 障电流单独作用的结果。故障后网络内部各节点电压由这两部分电压的叠加求和。 对于横向故障，此方法是无可挑剔的。但对于纵向故障，因为故障前正常分量 的求取需要考虑支路破口的影响( 包括对节点电压的影响和对网络节点导纳矩阵或 节点阻抗矩阵的影响) ，而且在故障计算中对构造故障端口有时要对原网络修正， 增加节点。在线路中间发生故障时，处理起来仍然很麻烦。因此破坏了计算机算法 的统一性。 任何故障都可看作是一种网络结构的变更。电力系统是有源的，故障电路本身 是无源的，故障电流是由电力系统中的电源提供的。我们可以想象把故障影响的元 件划分为一组，把这组元件从电力系统网络中分离出来。为了保持原电力系统网络 不变，我们可以通过并联负阻抗支路的办法模拟这组元件的移出。 应用电子数字计算机进行电力系统故障分析计算，需要掌握电力系统故障计算 用的数学模型和计算方法，以及程序设计三方面的知识1 。 首先，必须建立电力系统故障状态下的足够精确的数学表达式，这种数学表达 式通常叫做数学模型。数学模型必须是能满足要求，而且是可以求解的。我们用计 算机通过对数学模型的解算，即可得出所需要的解答。 其次，根据所建立的数学模型，确定适当的计算方法。所选用的计算方法，应 当是能快速地和可靠地得出正确解答。同时，还要求在解算过程中需用的内存量小。 这一点将直接影响计算机解题的规模。在电力系统故障计算中，根据节点导纳方程 的系数矩阵对称不变，而对常数项变化时进行多次求解的特