电气工程专业外文翻译-继电保护的评估与测试的虚拟环境（含外文原文）.doc

毕业设计说明书英文文献及中文翻译学生姓名： 学号： 学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2015 年 6 月中北大学2015届毕业设计说明书外文文献为PDF格式，下载后双击即可打开另存继电保护的评估与测试的虚拟环境摘要继电保护是力学系统共层的基础原则，我们提供了三种继电保护课程：一个是研究生课程，三分之一学期来学名为电网保护的继电保护，还有短暂的三天半的职业工程师课程。为了使学生最大限度的理解和训练他们有关继电的概念，理论，技术，我们发明了一些教育工具，全部都存在于一个虚拟的环境中。这样的虚拟环境包括一个模拟电网送电器、一个可视化的动画模组的继电保护的模拟器仪表、特定的可视化的动画模组式的继电气保护的模型和用来测试实际的继电气设备可以运行的硬件接口。我们称这种软件为虚拟电网。虚拟电网让学生在最短的时间内最大限度的理解继电保护的纵向概念的范围。这种工具不是被动的使用的。真实情况是，学生积极地的参与设计好的项目，例如多功能几点起的设计和实施和特定干扰的继电测试等。这篇论文描述了虚拟电网组织，例如解算器，继电保护的可视化和动画等，也讨论了这种工具通过特定的应用例子和学生作业的课程中的实用性。关键词：代数的同伴形式，动画，继电保护，时域模拟，可视化1 引言继电保护在电力系统的安全性和可靠性中一直都扮演了非常重要的角色。由于技术进步，继电保护变得更加复杂， 有太多不同的改善了的系统保护可以选择。 无可争议的是继电保护有非常显著的进步。在系统安全性和设备的保护上有戏剧性的益处。然而，由于系统的复杂性和竞争因素的多样性，继电保护是一项富有挑战性的学科。除了在此领域所有的进步外，误操作也时有发生。许多运行中断和停电的事故都可以归结于不恰当的继电保护设置，意料之外的系统状况以及对仪器变压器不合适的选择继电保护的设计方案力争考虑到所有可能的情况来避免误操作。实用继电保护工程师使用两步程序来最小化这样误操作的可能性。2 虚拟电力系统虚拟电力系统集成在多任务环境中的多个应用软件，通过一个统一的图形用户界面。应用软件包括：1. 动态的电网模拟器2. 继电保护对象3. 继电保护仪器对象4. 对象的自动化和可视化上述特性的虚拟环境用于继电保护的研究是根本。第一，属性能够保证系统的不间断运行在研究中以同样的方式在物理实验室：一旦一个系统被安装，它将继续运行。第二，性能保证连接和断开设备到系统不中断系统的仿真和应用如故障扰动的能力。此属性复制能力的物理实验室，一个可以连接组件的物理系统，观察反应迅速(例如，连接新的继电器系统对继电保护的运行逻辑，应用扰动观测瞬变以及继电器逻辑过渡，等)。第三财产重复观察模拟系统操作的能力，以类似的方式在物理实验室。不像物理实验室，一个无法观察继电器电机，等内部操作，虚拟电源系统有能力提供一个内部运作的可视化和动画继电器电机，等能力，动画和可视化的内部运作的一个继电器，一个通道，或任何其他设备具有重要的教育价值。图1网络求解对象是基本的工具，提供装置操作情况的时域解决办法。为了保持对象倾向性，每个装置都和某一特定的结构，ACF的普遍的数学模型一起呈现。代数的同伴形式将在下一节阐述。网络求解是一个独立的计算机后台线程，运行结构编辑和可视化视图在模拟过程中具有主动地位。网络解算器持续的更新装置的操作阶段，养育了其他所有的应用，如可视化视图等。网络解算器的速度是由用户选择的，这样就允许将加快或减慢可视化和动画速度。多任务环境在模拟过程中让系统结构图产生变化，装置参数变化或者新装置(发动机，误操作)到系统的连接变化。这样，用户就可以立即在可视化视图中观测到系统的反应。图1 虚拟电源系统架构和组织模式网络解算器连接到装置对象上。这种连接最低要求三项虚拟功能初始化: 解算器在模拟一开始便要求这项功能。在模拟中所有依附装置的参数和模型将会被初始化。重新初始化，解算器在用户监测任何装置参数时都需要用到这项功能。功能和初始化虚拟函数的功能是相似的。时间步长，解算器在时域模拟的所有时间都需要。它能将前一时间段的解决方案转换到装置对象上，并且为下一时间段更新装置的代数同伴形式。除了上述功能，一个装置对象有一系列的虚拟功能包括原理图模块接口。这些功能运行用户在图形编辑用户界面操作装置。具体而言，用鼠标可以将装置图形移动，调整，复制。这一系列功能中还有一种功能可以实施装置参数来编辑对话窗口。只需双击装置图标。 再者，原理图模块接口允许装置图标反映装置地位。比如，可是实施一个断路器图形标志来指示断路器地位。最后，每一装置分类(或者一组装置分类)也许选择性的包括可视化模块，包括一系列虚拟函数来处理可视化和动画输出。可视化模块界面支持2D和3D图形。目前，2D输出是通过窗口图像装置界面标准来实现的。3D输出是以开放式图形界面来实现的。2D和3D 都可以生成动画效果，是以网络解算器来动态更新来反映最近的装置状态。2D和3D潜在的可视化动画对象只受开发者的想象力的限制。这些对象可以生成机电元件的逼真效果图，可以清楚地说明机电元件内部运行，可以从任意需要的角度来观测或为了更好地观察暂停。3 网络求解电力系统设备是一种积分方程描述。直接从设备的物理结构得到这些方程。它总是可以写成以下这些方程的一般形式：I(t)终端电流矢量V(t)终端电压矢量y(t)设备内部状态变量矢量u(t)独立控制矢量请注意，这种形式包括两套方程，即外部和内部方程方程，分别。终端电流只出现在外部方程。同样，该装置包括两组：端电压，Vt和内部状态即Yt。这套是一致的这个意义上，外州的数量和内部状态的数目等于外部和内部的方程的个数。 (1)注意：(1)可能包含线性和非线性项。方程(1)是通过引入一系列的中间变量，在一系列的二次术语表达的非线性元件转换成一组二次方程。方程集成使用一个合适的数值积分方法。假设一个积分时间步长，整合的结果是一个方程式(2)是指装置模型的代数同步形式。注意这种形式是是EMTP使用的电阻同步形式的概括。不同之处在于RCF是一个线性模型代表了装置的线性等价，而ACF是二次的，代表的是装置的精细模型。网络解决方案获自的目前关于每个节点系统法则的应用。这一过程产生了(3)。对于这些方程式，内部方程式附加于以下方程式的结果。 (2)注意(3)一对一与外部系统状况一致而(4)与内部系统状况一一对应。元件终端电压矢量与节点电压矢量相关。就替代装置(2)，(3)和(4)变成一组二次方程，x(t)是所有外部内部系统状况的矢量。这些方程式用牛顿的方法解决。具体地说，解决方法有以下的表达来提供，继电器仪表建模。普遍来说，继电器使用仪表变压器系统来测量电网电压和进入仪表的电流和电压。标准仪器的电压和电流分别为67V或115V和5A。这些标准是很多年以前设立的来容纳机电式继电器。如今，仪表变压器仍然在使用中，但是因为现代继电器在一个低得多的电压上运行，需要加入另外10或20v的电压。这意味着现代仪表使用渠道包括典型的两个变压器和额外的布线和可能的负荷。 (3)哪里AK是一个组件关联矩阵。注意：(3)一一对应与外部系统的状况，一对一的内部系统状态对应。组件的K端电压矢量与节点电压向量 (4)在替代装置（2），该组（3）和成为一个二次方程： (5)其中x（t）是所有外部和内部的系统状态向量。这些方程用牛顿法求解。具体，该解决方案由以下表达式给出： (6)4 继电器仪表建模继电器和，在一般情况下，简易爆炸装置使用互感器系统规模的电力系统的电压和电流为设备层的电压和电流。标准仪表等级的电压和电流67 V或115 V和5个，分别为。这些标准的建立是很多年前为了适应机电式继电器。今天，该互感器仍在使用，但因为现代继电器(简易爆炸装置)在较低的电压下操作，它是必要的申请额外的转换到新的标准电压为10或2，这意味着现代仪器通道由典型的两个转变和额外的布线和可能的负担。图2显示了典型的仪器通道，电压通道和电流通道。注意通道的每个部分将引入误差。重要的是，净误差通过所有的通道组件介绍。图2阐释了典型的仪表渠道，一个电压渠道和一个电流渠道。注意每一仪表渠道都将引入一个错误。重要的是所有的仪表渠道元件引入的净误差。总体误差定义如下。让电压或电流分别在电网vat和iat中。一个理想的仪表渠道将会在输出时生成波形，将会是电网中精确的波形副本。如果额定变换率是Kv和Ki分别为电压和电流仪表渠道。图2 继电器仪表及建模在这里，下标指的是仪表渠道的实际输出。错误的波形可以分析来提供均方根植误差，相位误差等。任一继电器课程都应包括仪表渠道的学习。虚拟电网用来学习仪表错误，包括整合仪表渠道的合适模型。模型化CT和PT的饱和特性和CCVT等的共振电路。(见6) 在虚拟电网中，仪表渠道元件的模型已经研发出来。结果的综合模型精确地提供仪表渠道错误。用动画方法，在瞬间课通常的操作中可以学习仪表错误的演变。5 继电保护建模如今所有新的继电器都是数字式的。这些型号的继电器在虚拟电网中很容易建模。比如，试想一个定向继电器。这个继电器的操作是建立在极化电压和电流之间的相位角上的。建立这样的继电器模型要求在极化电压和电流之间的相位角是可以计算的。为了达到这个要求，由于电网仿真的进步，继电器模型检索出极化电压和电流的瞬间值。傅里叶变换应用于检索的数据。(在用户指定的时间窗口里运行时间的傅里叶变换)结果得到的是检索出相位的极化电压和电流的向量。如果相位差在操作区域内，继电器的方向元件就会跳闸。同样也需要知道的是如果建模的继电器有过滤器，这些过滤器也需要包括在模型中。重要的是学生也需要参与到数字继电器的设计中。一个典型的学期项目是确定某一具体的继电器的功能性和一组测试案例。学生的任务是开发可以模拟继电器运行的代码，测试案例来证明其正确性。虚拟电网的新技术支持另外一种更实际的方法来建模继电器。虚拟电网使用面向对象的程序设计。像这样，是一个开放式的简直，可以接纳第三方的动态链接库。论文中的虚拟电网的一种自然的延伸是以这样的特点来与商用数字“继电器”连接。引号中的继电器一词指的是继电器仅仅是一个数字程序，输入电压和电流，分析这些数据，应用于逻辑，解决问题。这个程序是一个对象，可以被转化到动态链接库。如果DDL和虚拟电网连接起来，就从虚拟电网输入来说，特定的继电器可以在虚拟环境中得到评估。这种方法现在是可行的。然而，继电器制造商现在是不愿意把他们的继电器变成像DLL一样可以和第三方软件连接。6 应用描述虚拟环境已被用于各种教育的任务。可能的用途只限于由教育者的想象力。在本节中，我们描述了一小部分的教育应用实例。图3和4 阐明了仪表通道运行的练习。图3例证了一个简单电网的整体模型和仪表通道(电压)的模型。仪表通道包括一个PT,控制电缆的长度，一个衰减器，一个A/D转换器。(图3阐释了这些元件的图标和他们之间的互联)。图4阐释了两种波形：当处于故障时的电网A阶段的电压和仪表通道的错误。上部的图形阐释了A阶段的实际电压和仪表通道的输出(乘以名义转换比率)。这两种路径是非常相近的。下部的图形阐释的是上部图形中两种波形之间的错误。两个曲线阐释的是A/D转换器的输入输出的通常化的错误。图形是一目了然的，是故障瞬间的发生的持续错误。当瞬间故障减弱时，仪表通道的错误相对较小。这项练习是为了学习仪表通道不同参数的影响。图3 一个通道可视化和动画的电力系统图4 故障后的信道性能的一个周期快照图5阐释了一个实例应用基础，一个修正组抗继电器可视化，动画的虚拟电网的实例应用的基础。例子里包括一个发电机，传输线，降压变压器，被动电子负载(恒阻抗负荷)，感应电机和电机的机械负荷。一种改进的距离继电器(继电器)监测传输线。这种继电器的操作是基于继电器看见的明显的阻抗和这种阻抗的轨道。这种继电器的可视化对象呈现了继电器在系统干扰中所监测到的并且将这一信息叠加到继电器设置上。图示6和7阐释了典型的例子。继电器监控三阶段的在其应用点上的电压和电流。动画模型取回继电器监控模拟器在每一时间步的信息。接着，将计算电压，电流的相量以及这些电压电流的系列组件的相量。图示6例释了这一继电器2D可视化的操作，在一段包括了一个感应电机启动以及随后的在转换器高电压部分的单阶段故障这样一起发生的事故中。2D可视化的左侧表明了电压和电流会被继电器监测。(故障后的快照已经被清除了)。图表也表明了阻抗的轨道(历史)可以被继电器监测。图形表示了在当前运行时间用户特定的时间间隙的轨道。这种继电器的特点便是阻抗轨道叠加到失误上。在这种情况下，阻抗轨道并不涉及到继电器的失误领域。图示7提供了一个记录的复合事故中的阻抗轨道。此复合事故包括感应电器启动及随后的靠近转换器的低压总线的三阶段故障。这种继电器的特点是将阻抗轨道叠加到失误上。在这种情况下，阻抗轨道并不涉及继电器故障的部分。这个例子可以并扩大到更为进步的课题上。例如，动画式显示可能呀包含生成器稳定极限的摆动。为此，某一特定状况的稳定极限必须计算呈现出来。这项练习可以作为一学期课题项目。图5 继电器动画实例测试系统图6 线对地的阻抗继电器演示图7 13.8-kV总线一三相故障继电器演示另外一个重要的保护继电器例子是差动继电器。在这个例子中，我们呈现了一个为有载变换分接头连接的转换器的差动继电器的动画操作。例子在图示8中展示了。包括一个等效源，传输线，一个30-MVA连接转化器，分配线和电力负荷。转换差动继电器是保护转换器的，差动继电器有像终端电流式的输入。差动继电器可视化的特定实施在图示9中呈现。差动继电器是建立于机电等效继电器基础上的。注意2D可视化表示的是操作线圈和抑制线圈，以及在任一瞬时流过这些线圈的电流。显示的是瞬间值，有效值和相量。图示9阐释的是一个系统的快照。事实上，随着系统的操作进行，这一图示是持续更新的，展示一种动画效果。这一系统运行在稳定或瞬间的情况下。证明了分接头切换对于继电器操作的影响。这一动画模块的重要之处在于可以学习多种的参数影响和继电器操作的现象。例子如下：a分接头设置的影响。差动继电器是特别为分接头装置筛选的。由于分接头设置变化，在操作线圈变化中的电流在普遍的操作情况下也可能成为非零的。可以很容易的改变分接口设置来观测在动画中的继电器操作。同样也很容易在不同分接口设置值得故障中观测继电气操作。因此，这项工具就决定继于低压配电线路，更多的使用木质电线杆，而不是铁塔。在城市和一些地区，明线存在安全危险或者被认为影响美观，所以使用绝缘地下电缆进行配电。一些电缆内核中空，供低压油循环。油可以为防止水对封闭线路的破坏提供临时保护。通常使用管式电缆，三根电缆放入线管中，并填满高压油。这些电缆用于传输高达345KV的电流。图8 变压器差动继电器动画实例测试系统图9 对变压器差动保护的演示虚拟电网也用于测试物理继电器。这项应用非常简单。虚拟电网可以输出任一事件或任何用户选择时间段内以暂态数据转换标准中的电压和电流波形。接着档案被输入到商业设备中，生成实际的电压和电流并将他们输入到物理继电器中。继电器的实际反映就可以观测到了。这项应用运行在实际程序的前提下，对学生有所限制。最近，一个主要的继电器制造商捐赠了设备到佐治亚理工学院，我们拥有建立实验室的权利，学生就可以定期使用这项功能。就提议的虚拟电网还有很多其他的应用。教学目标是在一学期内较短时间内灌输保护继电器概念和问题的深入理解。由于新例子的生成和在数据库中储存的增加，提议方案的效力在增加。一个证明虚拟电网有效性的经典例子是交感跳闸的问题。通常这个问题需要一些讲座和长期的例子。在虚拟电网中，一堂讲座就可以彻底地教授交感跳闸的概念。 例如，一个简单的可以准备互感线路的系统，在所有线的末端装有继电器，一条线上有故障，正常线路上的继电器可以可视化和动画。学生可以观察到正常线路上的继