（电力系统及其自动化专业论文）开放式的继电保护动态特性仿真系统.pdf

a b s t ra c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mi nr e s e n ty e a r s ，t h eg r a d eo f t h en o m i n a l v o l t a g eb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e ra n dt h ep o w e rn e t s s c a l eb e c o m em o r ea n dm o r el a r g e t h e i n t e r c o n a e c t i o n s o ft h en e t sa r em o r ea n dm o r e c o m p l i c a t e d ，t h ea p p l i c a t i o n s o fs e r i e s c o m p e n s a t i n gc a p a c i t o ra n ds h u n tc o m p e n s a t i n gr e a c t a n c ea l s ob e c o m em o r ea n dm o r e a l lo f t h e s em a k et h ef a u l tp m b a b i l i t yi n c r e a s ea n dt h ef a u l tm o d e sm o l ec o m p l i c a l e d ，s ot h a it h ea c t i o n s o fr e l a yp r o t e c t i o nd u d n gf a u l t sw i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l l t yo ft h ep o w e r s y s t e m d i s t a n c ep r o t e c t i o nh a sb e e na p p l i e di nh i c av o l t a g ea n de x t r ah i g hv o l t a g el i n e sw i d e l y u s u a l l yt h e ya r e u s e da sl o c a tb a c k u pp r o t e c t i o n , b u ta l s ou s e da sp r i m a r yp r o t e c t i o nw h e n c o o p e r a t e sw i t hc o m m u n i c a t i o n c h a n n e l s t h e r ea r em a n yt y p e so fd i s t a n c ep r o t e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec o n f i g u r a t i o no ft h e mi n t h ew h o l ep r o t e c t i o ns y s t e mi sc o m p l i c a t e d ；m a n yf a c t o r sc a na f f e c tt h ec o r r e c t n e s so fd i s t a n c e p r o t e c t i o no p e r a t i o n s or e l a yp r o t e c t i o nt e c h n i c i a n se x p e c tt h a tt h ef a u l tp r o c e s sc a n b ec o r r e c t l y a n dr e p e a t e d l yr e p r o d u c e di nt h el a b o r a t o r yc o n d i t i o n ，t h u st h e yc a ns t u d yh o wa l lk i n d so ft h e d i s t a n c ep r o t e c t i o n so p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n da l lk i n d so ft h eo p e r a t i n ge q u a t i o n sa f f e c tt h e p r o t e c t i o no p e r a t i o n h o w e v e rt h e r ea r en o tg o o da p p a r a t u sa n dc o m p u t e rp r o g r a m sc a ns i m u l a t e t h ed y n a m i cp r o c e s so ft h em e a s u r e di m p e d a n c ed u r i n gt h ef a u l t sa tt h ep r e s e n tt i m e ，d y n a m i c p e r f o r m a n c ec h e c k i n g m e t h o d o f p r o t e c t i v er e l a y i n gd e v i c e sd u r i n gf a u l t su s i n gd y n a m i cm o d e l o f e l e c t r i cp o w e rs y s t e mo rs oc a l l e df a u l t - r e p r o d u c i n gd e v i c e si sv e r ye x p e n s i v e ，l e s sf l e x i b l ea n d t o i l s o m e t h ea p p m a c hp r e s e n t e db yt h i s p a p e ri st od e v e l o pd e t a i l e ds i m u l a t i o ns o f t w a r ea n d s i m u l a t ef u n c t i o ne l e m e n t so fa n yp r o t e c t i v er e l a y i n gd e v i c eo rt h es y s t e mc o m p o s e do f t h e mw i t h t h er e c o r d e dr e a lf a u l tc u r r e n ta n dv o l t a g ed a t ao rs i m u l a t i n gr e s u l tf r o me m t rt h i s p a p e r p r o p o s e sa na p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，w h i c hi s b a s e do no p e n i n gs i m u l a t i n gs y s t e mo fd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fr e l a yp r o t e c t i o n ，m a i n l yu s i n ga d v a n c e dc o m p u t e rl a n g u a g e ss u c ha so p f v i s u a lc + + 6 0 c + + a n df o r t r a n t h es i m u l a t i n gs y s t e mw a sp r o g r a m m e db ym o d u l ed e s i g n i n gm e t h o d ，a n dt h ep r o g r a mi s t r a n s p l a n t a b l e a n de x p a n d a b l e t h es o f i w a r ei n c l u d e sf a u l td a t a i n p u t t i n g a n d t r a n s f o r m i n g m o d u l e ，f i l t e rm o d u l e ，s e l f - d e f i n e do p e r a t i n ge q u a t i o nm o d u l e ，s e l f - d e f i n e d o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i cm o d u l ea n di n t e l l i g e n t g r a p h i c m o d u l e e a c hm o d u l ew o r k s i n d e p e n d e n t l y , t r a n s f o r m st h ed a t af r o ms e l f - d e f i n e ds t a n d a r di n t e r f a c e ，t h u st h e yc a nm a k et h es y s t e ms e c u r ea n d f a s t i nt h i ss i m u l a t i n gs y s t e m ，t h ed a t ao fi e e es t a n d a r dc o m m o nf o r m a t f o ，t r a n s i e n td a t a e x c h a n g e ( c o m t r a d e ) f o rp o w e rs y s t e mi s u s e da si n p u ts i g n a l s t h i sp a p e rp r o p o s eaf o r m u l a e d i t o rt h a tc a nr e a l i z ea n yo p e r a t i n ge q u a t i o no fr e l a yp r o t e c t i o n ，a tt h es a m et i m et h eu s e r sc a n d e f i n et h ep r o t e c t i o n s o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s f i n a l l y t h e e m u l a t i n gr e s u l t a n dp r o t e c t i o n o p e r a t i n gp r o c e s s w i l lb e e ns h o w n b yg r a p h i c sv i s u a l l y i ti sp r o v e dt h a tt h i ss y s t e mi sc o n v e n i e n t a n d w i d e l ya p p l i c a b l e ，a n dt h eu s e r sc a nc h a n g ef r e et h es t r u c t u r eo f t h ep r o t e c t i o nd e v i c e ，f a i l u r e t y p e s ，f a u l tt i m e ，a n df a u l tr e s i s t a n c e i tc a na n a l y z et h ee x i s t i n gd i s t a n c ep r o t e c t i o na n dc h e c k o u t t h en e wp r o t e c t i o n p r i n c i p l eb e i n gd e v e l o p e d t h es o f t w a r e i s e c o n o m i c a l ，c o n v e n i e n ta n d e f f i c i e n t t h ef o r m u l ae d i t o ra n dt h ew h o l es i m u l a t i n gs y s t e mp r o p o s e di nt h i sp a p e rc a na l s ob e u s e di na n y p r o t e c t i o np r i n c i p l e k e y w o r d s ：r e l a yp r o t e c t i o n 。d i g i t a ls i m u l a t i o n ，e l e c t r i cp o w e rs y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得墨盗盘堂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傲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：粞螗签字目期：加严年厂月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鎏盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁凄盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲枸黼 签字日期：加1 矽年月孑日 别憷名：镬毫丧 签字日期：蛐中年(月i 矿f 第一章概述 第一章概述 第一节引言 当代电网的规模越来越大，对电力系统可靠性和安全性的要求不断提高。 而电力系统在运行中不可避免的会发生各种故障或不正常的运行状态，使整个供 电系统的正常运行遭到破坏，造成对用户供电的中断或供电质量的下降，甚至损 坏电器设备，给国民经济的发展带来极其不利的影响。因此，电力系统在各电气 元件上装设了继电保护装置，这些装置是保障电力系统能够安全稳定运行的哨 兵。故障一旦发生，要求继电保护能够迅速而有选择的切除故障，防止故障对电 力系统造成的影响进一步扩大。因此性能优良，功能齐全的继电保护装罨是电力 系统安全、经济、可靠供电的主要保证。而研制性能优良的继电保护装置并保证 其可靠工作又是我们继电保护工作者肩负的重要职责。 从六十年代以前机电式继电器到六、七十年代在我国得到大量采用的整流 型和晶体管型继电保护装置，再到八十年代的集成电路保护，直至九十年代以后 的微机保护，我国继电保护装置取得了长足的进步，全体电力科研工作者为此付 出了巨大的努力。微机保护具有维护调试方便，可靠性高，灵活性大，易于获得 附加功能的优点【1 】嘲。目前，微机保护装置因其优异的性能正在全面取代传统的 模拟式保护装置。 随着我国改革开放的深入进彳亍，国民经济飞速发展，对电力的需求与日俱 增，所有这些使得电力系统得到了一日千里的发展，主要表现为： i 电网规模迅速扩大 为了合理地利用动力资源并充分发挥电网各个组成部分的作用，为了电网 各部分相互协调并提高其经济指标，建造大电网、复杂电网已经成为当今电力系 统发展必然方向。大电网的出现带来了新的问题，即电网联系紧密，故障几率增 加，如果处理不当则有可能令局部的小事故波及全网，酿成全局性的重大事故， 出现大面积停电，造成巨大的经济损失和不良的社会影响。前些年的美国纽约大 停电和法国全国大停电事故以及今年美国和加拿大大面积停电事故已经充分说 明了这一问题的严重性。 第一章概述 2 电压等级的不断提高 随着电力系统发展和大电网的建设，我国现已拥有大量的高压和超高压输 电线路，这些线路在系统中所占比例越来越大，担负着输送巨大功率的任务，在 电力系统中占有举足轻重的地位，对整个系统的安全运行影响极大。 为了保证整个电力系统的安全运行，高压和超高压输电线路上的各种保护装 置都应在故障情况下准确快速的动作。目前，距离保护作为重要的保护配置在线 路中有着极其广泛的应用。l l o k v 中距离保护被用作相间故障的主保护，而在微 机保护中也作为单相接地故障的主保护。在2 2 0 k v 以上直到超高压、特高压线 路上，距离保护用作近后备保护，也与通信通道配合作为主保护。得到广泛使用。 因而如何提高距离保护的性能是继电保护工作者一个重要的研究方向。 提高距离保护性能的主要方法是改善保护动作特性和改进保护动作方程。如 前所述，微机保护装置有着高度的灵活性，可用来实现任何性能完善和任意复杂 性的保护原理。无论怎样复杂的动作特性，也无论怎样复杂的动作方程，都可以 采用通用的硬件，使用不同的软件编程来实现。因此，提高距离保护性能最关键 的工作便落在校验已有保护特性和动作方程以及发展薪原理上。 如果利用电力系统动态模拟或其它故障再现设备来再现故障期间继电保护 的动态特性，则成本太高，灵活性差( 每次校验前都需要改变保护结构或重新编 程) ，模拟系统的接线也相对复杂并且非常费时。针对于此，本文提出研制一种 开放式的继电保护性能动态仿真系统，在计算机上进行距离保护的动态仿真。该 系统可以实现任意动作特性，采用现场c o m t r a d e 格式的录波数据作为输入信号， 按照“公式编辑器”所自定义的动作方程计算出测量阻抗及其变化过程，然后 以图形界面的方式直观的呈现给保护工作者。这种方法灵活方便，可以任意改变 距离保护的动作特性和动作方程，对于一个故障可以反复比较不同特性不同方程 下保护的可靠性、灵敏性，实现起来菲常简单，不需要动态模拟或其他故障再现 设备即可完成分析校验。本系统可以用于继电保护装置的研究设计阶段，也可以 用于运行中保护装置的事故分析和校验，具有效率高、费用低等诸多优点。 2 第一章概述 第二节动态仿真软件发展的现状 自1 9 8 4 年国内第一套微机型高压输电线路保护装置投入运行以来，微机继 电保护的发展十分迅速。与之相适应，微机继电保护测试、仿真设备也取得了长 足的进步，已完成了由传统的模拟式继电保护测试设备向微机继电保护测试、仿 真设备的发展过程。 i e e e 电力系统继电保护专委会的一个工作组1 9 9 8 年发表的一份专业报告 也阐述了继电保护测试的数字仿真性能要求“3 ，强调了继电保护测试将从常规的 稳态测试过渡到实时数字仿真测试的重要性。实时数字仿真技术用于继电保护装 置全面、完整、真正闭环的测试将是一种发展趋势，必将得到广大继电保护工作 者认同，有着良好的应用前景。 目前国外两种主要的实时数字仿真设备是r t d s 和d s f 一2 。r t d s 是加拿大 r t d s 公司生产的实时数字仿真系统，其技术水平在电力系统仿真领域处于国际 领先地位，在国内外的一些著名公司如a b b 、西门子等都得到了很好的应用。r t d s 数字仿真系统在电力系统研究、继电保护新原理的前期开发及验证、继电保护产 品的测试等方面具有良好的应用前景。 d s f 一2 是一种基于d s p 的继电保护测试仿真装置，它除覆盖了一般继电保 护试验装置的所有功能外( 继电器测试、系统振荡、谐波分析、故障再现、短路 模拟、整组试验) ，其突出的特点是能够对一个完整的单回线、双电源系统进行 实时仿真。 作为同属数字仿真的两种设备，r t d s 和d s f 一2 又各有自己的优势。如d s f 一2 型数字仿真设备所建模型真实、简单、实用且有较高的性能价格比。而r t d s 具有建模方便、构造灵活、重复性好、短路水平高等特点。特别是r t d s 可构造 复杂的系统模型，如构造同杆并架双回线的系统模型，其作用是现有的其它试验 手段所不能完成的m ，。 国内的测试仪采用微机产生数字信号，经过i o ( 输入输出) 扩展接口电 路、d a ( 数模) 转换电路、波形平滑( 滤波) 电路、电压源功率放大器，产生 模拟输出给保护装雹的硬件结构。数字信号的产生有如下两种方法“”1 ：1 、采 用数据回放式，即仿真之前预先用e m t p 把要考虑的各种故障进行计算，并把计 3 第一章概述 算的结果保存在数据库中，仿真时直接调用这些数据。这种方法的优点是可以对 比较复杂的系统作各种故障，比较全面。缺点是实现闭环测试有困难，使用不方 便，让用户使用e m t p 先作各种仿真不现实。2 、采用建立电力系统简单数学模型 进行实时求解。这种方法可以方便的实现闭环测试，但是如果要做到实时性，就 只能建立一个很小的典型系统并且仿真用的数学模型好坏直接影响其精度。 以上国内外继电保护测试仪都可以测试继电保护装置在电力系统故障时的 动态特性，但其共有的缺点是都只能反映出保护在特定的系统故障情况下是否动 作，而不能反映出保护装置的各个环节究竟是如何动作，如何配合的，更不能在 保护装置未制造成形时对保护的动态特性和动作方程的设计方案给以指导和验 证。 另一种继电保护仿真系统以继电保护定值校核和岗位培训为主要目的进行 开发，如文献 7 、 8 所提及的“变电站保护仿真系统”和“电力系统继电 保护动作逻辑仿真”等。还有一种保护仿真系统就是文献c 9 、l o 、 1 1 中提 出的使用计算机软件模拟继电保护装置的具体结构并用真实的故障数据进行故 障期间继电保护动态性能仿真。这些都是针对特定目的开发出的特定系统，有着 各自的应用场合和使用范围。本文提出的仿真系统与后者相近，但灵活性更高， 扩展更加灵活，功能更为强大。可以将故障后各变量的变化过程准确、清晰、直 观的显示给保护工作者，再通过改变动作特性形状以及动作方程找出最合适的配 置。本文所提出的思路和方法在国内外文献中尚未见到。因此研究和开发这样一 套仿真软件具有创新性。 利用电力系统动态模拟或其它故障再现设备来再现故障期间继电保护的动 态特性不仅成本高、灵活性差、接线复杂和费时，而且不能观察在特定的故障或 运行情况下系统参数与保护配置之间的关系；出现故障以后无法得知故障如何进 入到保护动作范围：一旦保护出现误动、拒动等情况，只能凭借经验进行定制调 整或者由经验丰富的保护开发人员通过装置的外在表现来判断保护的内部逻辑 错误。有时不得不反复试验，加大了继电保护工作者的劳动强度与难度。同时也 增加了保护新产品开发的难度。因此这套软件的开发有巨大的必要性与实际意 义。 4 第一章概述 第三节本课题所完成的主要工作 1 3 1 提出了继电保护仿真的原理 本文提出的仿真方法是事先由用户自定义保护的动作特性和动作方程，再 以故障录波器记录的c o m t r a d e 格式的实际故障量为输入，按照动作方程进行仿 真计算，得出的结果与动作特性显示在同一个界面里。这种方法简单可靠，灵活 性强，可以仿真各种已知类型的保护装置又可以用来研制新型的保护，极大地减 少了保护设计工作者的劳动量，缩短了研究设计周期。 1 3 2 开发完成这套软件 本文以先进的面向对象的开发工具v i s a u a l c + + 6 0 为主，辅以c + + 、f o r t r a n 等高级编程语言完成了这套软件的开发工作。v c 6 0 属于微软开发工具套件 v i s u a ls t u d i o6 0 之一。v c 6 0 功能强大，支持面向对象编程、模块化、代码 可重用、组件等功能。整个软件开发过程中严格遵循了大型软件的正规开发方法 n 2 ，软件工程的思想5 1 贯穿于软件开发的始终。实现了模块化管理，有着良 好的可移植性和扩展性。 1 3 3 开发许多灵活实用的功能 为了使该系统更加实用化，在软件的开发过程中提出并实现了许多有用的 功能。1 、c o m t r a d e 格式。1 数据的自动处理：为了使所开发的软件具有更好的通 用性，本软件实现了按照国际标准的故障录波数据格式自动输入数据。用户只要 输入相应量的编号以及自定义的名称，程序会自动处理该数据文件。2 、自定义 动作特性：为了适应继电保护灵活的动作特性，该软件充分发挥计算机的强大功 能实现了阻抗元件的自定义特性。也就是说用户只要给出几条直线和圆弧就可以 形成任何种类的动作特性，具有最大的灵活性。再以图形方式灵活的显示出动作 区的范围，形象生动。3 、公式编辑器：本系统最大的创新点便在于公式编辑器 部分。用户可以任意定义动作方程，包括解微分方程法和复数计算法。用户只需 第一章概述 要按照日常公式的书写习惯输入动作方程即可，软件会自动按照输入的公式对输 入的故障数据进行处理，极其灵活。实际上任何保护原理都可归结为对某一动作 方程的求解，因此本文所开发的公式编辑器不只是适用于距离保护，而是可适用 于任何保护原理，例如方向电流保护、反时限电流保护、变压器差动保护、发电 机差动保护和失磁保护以及发电机定子接地保护等；4 、图形显示：本系统的智 能图形显示部分功能非常强大，可以将最终的计算结果清晰直观的呈现给保护工 作者，为故障分析和保护新原理的开发带来极大的便利。 1 3 4 应用本系统对华东电网实际故障数据进行分析 本系统开发出来以后，已经对部分华东电网的实际故障数据进行了分析， 分析结果与实际情况完全符合，并且清晰的揭示了故障变化的详细过程。同时也 验证了本系统强大的功能及其优越的开放性。 6 第二章仿真系统设计的整体原理 第二章仿真系统设计的整体原理 第一节引言 长期以来，继电保护科技工作者通过不断努力使保护的硬件装置开发技术 有了很大的进步，但是配套的高级应用软件一直滞后于硬件装置的发展。随着计 算机技术的进步，特别是w i n d o w s 操作系统平台的诞生，以及随后各种高级开发 工具的出现，开发具有w i n d o w s 风格界面的电力系统软件也成为当前的主流趋势， 有关继电保护的软件也象雨后春笋一般发展起来。但功能大多集中于继电保护定 值的计算与管理“6 “”儿珀1 、继电保护教学课件的制作。、故障录波数据的波形再现 。”等功能。 故障期间电力系统继电保护的动态性能极大地影响着电力系统运行的安全 性和可靠性，但是它不能在实验室里准确地表现出来。保护动作特性的校验目前 常用的有两种方法，一是利用电力系统动态模拟装置模拟故障对保护进行校验， 还有一种是用故障再现设备把故障期间纪录的真实数据转化为模拟量并输入到 真实的保护装置中观察其动作行为。这两种方法的缺点都是费用很高、费时费力、 灵活性差，尤其是后一种方法只适用于已有的保护装置。为此，本文提出了一种 可以在实验室中利用计算机对保护装置进行分析校验的新方法。利用此方法开发 的软件采用i e e e 标准的c o m r a d e 录波数据格式作为输入信号，对各种常见的 保护装置进行仿真，还可以用来对正在设计中的保护装置原理和工作逻辑进行试 验和方案比较，具有广泛的适用性。该软件可以由用户根据需要选择或者自定义 编辑形成所需的各种动作方程和动作特性，可给使用者提供一个开放的、可扩展 的研究试验平台，非常灵活方便。 本软件采用的开发工具是先进的面向对象的v i s u a lc + + 6 o 语言，辅以c + 十 和f o r t r a n 高级编程语言。v i s u a lc 十+ 6 0 是微软1 9 9 8 年年底研制成功的开发工 具套件v i s u a ls t u d i o6 o 企业版中众多工具之一。该工具套件包括了微软基于 w i n d o w s 和w e b 的“全面解决方案”：所有可视化开发工具、企业数据访问工具、 生命周期开发工具和团队开发工具等。特别是其中的v i s u a lc + + 6 0 ，功能非常 7 第二章仿真系统设计的整体原理 强大，支持面向对象编程、模块化、代码可重用、组件共享等技术，可以大大提 高软件系统的设计、管理和开发的速度。“。 由于本软件是一个规模庞大的系统，因此从最初的开发过程中本文就注意 使用了软件工程的方法。随着计算机系统的迅速发展和应用范围的同益广泛，计 算机软件的规模越来越大，复杂程度不断增加。进入6 0 年代以来，人们开始逐 渐认识到了确实存在“软件危机”的事实”“。存在以下问题：1 、软件开发进度 估计不准确；2 、软件开发人员和用户之间交流信息不充分，用户对完成的软件 满意率低；3 、软件质量难以保证：4 、软件可维护性差。为了克服软件危机，促 使人们开始考虑采用工程化方法和工程途径来研制和维护软件。从7 0 年代初开 始，逐渐发展起一组总称为“软件工程”的技术。这些技术把软件作为个工程 产品来处理。它需要计划、分析、设计、实现、测试以及维护。继电保护的软件 既有一般软件的通用特点，也有其特殊之处如：1 、可靠性要求高。软件给出的 分析结果常被用来测试保护性能，分析事故，因此对结果的正确性和可重复性的 要求极高；2 、可继承性。大型软件不是一个人能够完成的，需要几个人分工合 作，在高校有时需要几届研究生才能最终完成，因此软件代码必须规范，可读性 强，相关的文档必须齐备；3 、易扩展性。随着保护新原理的出现，以及对软件 功能的新的需求，软件可能随时需要扩展。因此开发出的软件必须模块化，设计 时尽可能为可预见的扩展留出接口。本软件的开发中应用了软件工程的方法，注 意了以上几个问题。 第二节系统整体设计 图2 1 系统的主操作界面 8 第二章仿真系统设计的整体原理 图2 1 中给出的是系统的主操作界面，这里为显示方便，将多个菜单的弹出 内容放在一幅图中。 2 2 1 系统整体关系 为了实现上述功能，本软件设计了故障数据输入模块、滤波模块、动作方 程模块、动作特性模块以及智能图形显示模块，这些模块的关系如图2 2 所示： c o r n c o r n 图2 2 开放式的继电保护动态仿真软件结构示意图 首先，用户通过故障数据录入模块读取c o m t r a d e 格式文件，再由该模块将 读取的数据转化为实际的采样值。如果仿真的是基于工频量的保护则用户可以选 择由滤波模块提供的几种常用滤波方式进行二次数据处理，然后选择动作方程模 块提供的“复数公式编辑器”；如果仿真的保护是基于采样值或解微分方程法计 算阻抗则无需选择任何滤波方式，可以直接选取动作方程模块提供的“微分方程 编辑器”或采样值公式编辑器( 本文中未包括此部分) 。动作方程模块中最关键 的部分就是前面提到的“公式编辑器”部分。“公式编辑器”的思想以前也有人 提出过。“3 ，但是实现起来非常困难，只能预先设定好一些公式，用户使用的时候 进行套用而已。本系统设计的“公式编辑器”真正做到了由用户自定义编辑公式， 再按照用户定义的公式计算测量阻抗。最后的计算结果将会传递给智能图形显示 模块，以直观的图形方式将最后的计算结果呈现给用户。动作特性模块则是由用 户给出围成闭合区域的几条线段，然后程序自动计算出闭合区域，再将结果传递 给智能图形显示模块，后者将测量阻抗计算结果、变化轨迹和自定义动作特性显 示在一幅图上进行比较以验证保护动作的正确性。 整个动态仿真系统的应用流程如图2 3 所示： 9 第二章仿真系统设计的整体原理 剖瓣燃l 喜羞葑 选择。一。i 用 督 图形 墼劂。阿一 显示 动态 仿真 户 童哺鬃黥 j目 结果 图2 3 程序j ： ；| 用流释 2 2 2 故障数据输入模块 故障录波器或微机保护装置的录波数据，接口都遵从国际上的暂态数据交 换通用格式c o m t r a d e 文件，由于目前各厂家的故障录波器都采用c o m t r a d e 格式 的录波数据，因而这样设计可以保证该软件具有广泛的通用性。 首先由用户选择某一时刻的c o r a t r a d c 配置文件，系统会将所有的模拟通道 量列出来。为了使用方便，提取配置文件既可以选择主菜单中“提取c o m t r a d e 文件”一项，也可以直接点击工具栏中“打开配置文件”按钮。然后由用户选择 需仿真的通道，系统将自动提取c o m t r a d c 数据文件处理数据。 故障数据输入模块还有一个功能就是用户可以对所选通道量自行命名，这 样在编辑公式的时候可以使用自定义的名称进行公式的输入。 2 2 3 滤波模块 由于线路故障的初期，电流、电压中含有大量高次谐波和非周期分量，对 于基于工频量的保护而吉他们都为干扰信号，因此本软件包含个滤波模块，可 以滤掉这些不需要的分量以提取工频量。各种滤波算法实现的效果不同，各厂家 的保护装置所用的滤波算法也不相同，所以滤波模块包含了各种常见的典型滤波 算法( 如全波差分傅氏算法、半波差分傅氏算法等。1 ) 供用户选择。 滤波模块的编程与微机保护中的滤波程序有所区别，这是因为出于运算速 l o 第二章仿真系统设计的整体服理 度以及源代码等的考虑。 2 2 4 动作方程模块 软件中已经预定义了一些常用保护的动作方程，如a b b 、s e l 、阿尔斯通等 公司的一系列产品。用户可以方便的选择所要校验的保护。同时，用户也可以在 这些已有保护动作方程的基础上应用本模块中最重要的部分“公式编辑器” 进行修改。 公式编辑器是整个模块中最重要的部分，是一个灵活的工具，用户可以编 辑形成所需的各种测量阻抗表达式，也可根据需要形成各种新的保护动作量、制 动量和动作判据表达式，验证新的保护原理。 公式编辑器目前由两部分组成，部分是解复数方程方法计算测量阻抗， 另一部分使用的是解微分方程的方法。 2 2 5 动作特性模块 继电保护的动作特性种类繁多，各种保护如各种距离保护都有其各自的特 点，使用场合也不尽相同，所以会在装置中形成不同的动作特性，即使是同一种 保护，不同的时间段保护的动作特性也有可能不同。 同时，微机保护的应用使得各种复杂的动作特性实现起来都变得容易。为 了充分考虑仿真中可能遇到的各种动作特性，软件实现了自定义特性，即用户只 要输入直线和圆弧，程序就可以自动找到由这些直线和圆弧围成的封闭图形。 因此本软件允许用户对距离保护的动作特性进行自定义，即用户通过简单 操作输入圆弧和直线，然后软件自动形成用户定义的动作特性。 与动作方程模块相同，软件中同样预定义了一些常用保护的动作特性，用 户只要根据整定值设置相应的参数即可。 2 2 6 智能图形显示模块 本系统的图形输出部分采用智能图形显示模块设计，功能众多而且强大。 第二章仿真系统设计的整体原理 能够将测量阻抗在阻抗复平面中显示，也能够分别显示出测量阻抗幅值i z 和相 角口随时间f 的变化轨迹，可以根据需要将显示结果放大、缩小、拖动以及分段 显示等。 用户在确定输入数据、滤波算法、动作方程以及动作特性以后，就可以开 始仿真。为了方便既可以选择主菜单中“动态仿真”里的“开始仿真”一项，也 可以直接点击右边工具栏中“动态仿真”按钮运行仿真程序。仿真结果则由智能 图形显示模块根据用户的要求分别显示各种轨迹。 第三节小结 本软件的设计采用了模块化设计方案，包括故障数据输入模块、滤波模块、 动作方程模块、动作特性模块以及智能图形显示模块五大部分，整体实现的功能 实用、强大。每一模块都留出与外部联系的接口，各模块内部间工作相互不影响， 可靠性高，扩展性好，完全符合软件工程的要求。整体设计思路有独到之处。 第三章故障数据录入模块与滤波模块 第三章故障数据录入模块与滤波模块 在介绍了开放式继电保护动态性能仿真系统整体设计结构以及简单操作以 后，从本章开始，将详细介绍各个模块内部的工作原理以及模块与外部的接口是 立玎何实现的。本章要介绍的两个模块是故障数据录入摸块与滤波模块，这是整个 仿真过程中最基本的部分，数据处理的好坏直接关系到仿真结果的准确性、真实 性。 第一节故障数据录入模块 3 1 1c o m t r a d e 数据格式简介 为了使所开发的仿真软件具有更好的通用性，因此本软件系统所采用输入 量的数据格式满足我国电力行业标准d l t 5 5 3 9 4 。该技术准则选择了美国国家标准p c 3 7 1 1 i d 6i e e es t a n d a r d c o m m o nf o r m a tf o rt r a n s i e n td a t ae x c h a n g e ( c o m t r a d e ) f o rp o w e rs y s t e m 作 为我国故障动态记录设备的暂态数据交换的标准格式。这样就实现了输入量的通 用性，任何录波装雹纪录的故障录波数据都可以作为本系统的输入，使本软件具 有更广泛的实用性。 标准的c o m t r a d e 为a s c i i 文件。每个事件有与之相关的三个文件：头文件 ( h d r ) ，配置文件( 。c f g ) ，数据文件( d a t ) 。头文件由故障数据的记录装置 使用字处理程序产生，数据可被用户读出和打印出，包含一些直接可以阅读的信 息如：站名、故障线路长度、正序和零序电阻电抗、变压器绕组的额定电压等。 头文件没有特定格式，对暂态量的提取和动态仿真没有用处，因此本程序不予处 理。 配置文件和数据文件都有特定的格式，包含与暂态量相关的所有信息。本 仿真程序首先要读取的是配置文件。配置文件包含以下各项： 1 ) 变电站名称和标识； 1 3 第三章故障数据录入模块与滤波模块 2 ) 采样通道数量和类型( 数字通道，模拟通道) ； 3 ) 采样通道信息； 4 ) 系统频率； 5 ) 采样频率的个数； 6 ) 采样频率数值和在此采样率下采样值数量： 7 ) 第一个采样数据的周期和时间； 8 ) 数字量信息的日期和时间； 9 ) 文件类型； 仿真中只会用到模拟量，因此再呈现给用户的对话框中只开列模拟通道信 息。每一组模拟通道的信息又包括通道标号、通道名称、通道相别、通道单位( k v 、 刈、y 、a ) 、转换因子口和b 、通道延时等。 数据文件包含各个时刻所有模拟输入通道的每个采样值信息和数字通道的 状态信息。数据文件中，第一列为每组通道信息量的标号，第二列为信息的采样 时间( 第一个采样时间设为0 ，单位是m s 级) ，然后是通道的信息量，每个通道 的信息占一列，其顺序与配置文件( e 如) 中通道的顺序保持一致。模拟通道的 信息量乘以转换因子口后再加上b 就是该通道的实际采样值。数字通道的状态信 息在数据文件中以数字0 或l 表示，0 代表开断，1 代表闭合。 3 1 2 配置文件的读取 在运行本系统时，首先要进行的工作就是提取故障录波数据，程序提供的 接口有两个- 即可以选择主菜单中“提取c o m z r a d e 文件”一项，也可以直接点 击工具栏中“打开配置文件”按钮，如图3 i 所示： 图3 1 录波数据的提取方式 1 4 第三章故障数据录入模块与滤波模块 选择“提取c o m t r a d e 文件”命令以后，系统会弹出一个“打开文件”提示 框，与通用的w i n d o w s 操作系统提供的相类似文件提取模式保持致。考虑到 用户使用时的方便，“打开文件”对话框将文件的类型锁定在配置文件( c t g ) ， 不会显示其它类型的文件，这样用户可以非常方便的我到将要仿真数据的配置文 件。在用户选择好配置文件以后，系统会弹出一个“模拟通道列表”对话框，给 出所有模拟通道详尽的信息供用户选择。如图3 2 所示： 咧3 2 “模拟遭遇，0 表”对话框 在信息框内，第一行给出的是录波地点以及设备号，这样使得用户可以确定 是否选择了正确的文件。后面各行给出的是模拟通道的信息，包括各通道标号、 名称、相别以及单位，非常清晰直观。用户下面需要进行的工作是将需要仿真的 线路编号输入对话框中“线路编号”栏，同时对该线路自己定义一个变量名称输 入对话框中“变量名称”栏。这样。在后匿的公式编辑器中即可直接使用自定义 的变量名称编辑公式。考虑到实际应用以及新保护原理对电气量的新要求，本系 统允许同时有八个通道的输入，在最大限度上满足保护发展的要求。 图3 2 显示的是一个实际例子，提取的是株洲云田变电站6 5 号设备录取的一 组录波数据。需要仿真的是“岗云线”a 相线路，其电流、电压分别记录在1 、 1 3 两个模拟通道里。我们在对话框中将线路编号输入，然后在“变量名称，栏 第三章故障数据录入模块与滤波模块 中输入缸、u a ( 可以任意定义变量名称，如、u 等亦可，只要后面公式编辑 器中的名称与此保持一致即可) ， 用户在此处所需进行的工作就是以上这些简单的操作，下面的工作都由系统 进行。 3 1 3 数据的预处理 在用户选定好线路以后，系统先要进行下面的工作。首先在配置文件( c f g ) 中读取电力系统频率，采样率个数，采样频率数值和在此采样率下采样值数量， 然后根据输入的编号，读取相应通道的信息包括每个选定通道的单位( 确定是 女矿、削、还是v 、a ) 、转换因子等。 当以上信息全部读取完毕并记录以后、读取数据文件( d 。t ) 之前，还要做 一些预处理： i 、在c o m t r a d e 数据文件( d a t ) 里记录的每一个通道的数据在不同的盯洄 可能是按照几个不同的采样率进行采样的。这些都随着录波设备的不同设定而发 生变化。例如从第l 到第1 2 5 5 2 个数据是按照1 0 0 0 0 胁的频率进行采样，从第 1 2 5 5 3 到第1 2 6 5 3 这百个数据是按照5 0 0 胁的频率进行采样。余下的数据可能 又是以1 0 0 0 0 h z 的频率进行采样所得到的。这样的数据无法用来进行统一的滤 波和阻抗计算。为了解决这个问题，我们采用插值的方法，将低采样率的数据归 算到高采样率。首先找到最大的采样频率，再根据电力系统频率计算出在此采样 率下一周波里可以得到多少个采样点，然后再计算出其它采撵率下一周波里可以 得到采样点的个数。这样我们就得到低采样率下每两点之间应该插值的个数。 2 、在c o m t r a d e 数据文件( d a ) 里记录的每一个通道的数据有着不同龄单 位，可能是t 矿、削，也可能是v 、a ，这些也都是随着录波设备的不同设定而 发生变化。因此在读取数据以前需要确定其单位究竟是什么以便做