（电力系统及其自动化专业论文）基于微机实时仿真的继电保护闭环试验技术研究.pdf

第一章引言 第 一 章 引言 1 . 1概述 随着电力系统的迅速发展，新型的继电保护装置尤其是微机保护等得以大面积 推广使用， 从而对继电保护装置 试验技术提出了更高的要求【 1 1 。 要保证电 力系统内 的继电保护装置既不拒动也不误动，就需要将其放置于电力系统中进行全面的分析 和试验。而继电保护装置动作后，电力系统所受的影响也更加复杂，简单系统中采 用的保护和控制手段有可能在复杂系统中引起意想不到的问题，装置整定、测试、 校验的难度也随之加大。因此迫切需要功能强大、水平更高的研究和试验手段。 与之同时，随着计算机、微电子技术、电力系统仿真技术的飞速发展，继电保 护装置试验由常规的稳态试验过渡到实时数字仿真试验。实时数字仿真技术用于装 置全面、完整、真正闭环的试验己成为一种趋势。真正的实时闭环试验系统正往功 能强大、实时仿真、轻巧便携、专业实用的方向不断发展，己成为保护装置动态试 验的强有力工具12 ) 保护装置试验包括静态模拟试验和动态模拟试验。目前微机型继电保护测试仪 得以 广泛使用，可静态地输出故障电 压和电 流信号，完全可以胜任静模试验要求， 并可通过简化的数学模型计算得到只考虑基波及较低频率分量的电压电流信号，完 成一些简单的动模试验2 - 3 1 。 但要全面、完整、 真实地模拟系统的稳态、暂态和动 态过程，并返回装置动作信号形成真正意义的闭环试验，就需要基于系统仿真的实 时闭环试验系统。 由于在真实电网中不允许进行事故试验，电力系统仿真得以发展，并一直发挥 着积极的作用。它根据原始电力系统建立模型，在模型上进行试验，研究系统在规 定时间内的工作行为和特征。 电力系统实时仿真是指实时模拟电力系统各类过程，并能接入实际物理装置进 行试验的电力系统仿真方式。实时仿真依据仿真模型的不同又可分为物理模拟仿真 和数字实时仿真。如果仿真是实时的，通过接口与实际装置相连后，装置就像置身 于真实系统中一样，就可以进行装置的闭环试验。 1 . 2 继电保护试验装里的发展历程 继电保护试验装置可分为开环试验装置和闭环试验装置。开环试验装置以目前 主流的微机型继电保护测试仪为代表。闭环试验装置则包括基于物理仿真的动态模 第一章引言 拟实验室和基于实时数字仿真的试验装置。 1 . 2 . 1 开环试验装1发展历程 2 0 世纪8 0 年代后期出现了内置c p u、无后台计算机控制的试验装置。由于单 片机计算能力的限制，该类装置存在一些局限性:1 、人机界面不够友好; 2 、 数学 模型简化、 故障数据产生方式简单: 3 , 输出精度不高; 4 、 输出信号频率带宽不宽。 随后出现了基于后台微机控制的试验装置。试验装置和后台微机通过并口连 接，采用 “ 微机十 智能控制放大电路”的整体设计方案，故障数据的产生、控制由 后台微机完成。软件方面具备手动、自动试验各种类型继电器的定值和特性，还可 进行高压线路保护装置的整组试验，模拟各种类型的瞬时、永久及转换性故障的暂 态过程和模拟开关跳闸及重合全过程的功能，另外还具有模拟系统振荡功能。功率 放大器的输出端都没有变压器，可模拟突然短路时的非周期电流，放大各种暂态波 形，考验保护装置在短路暂态过程中的工作性能。但是由于并口传输速率的限制， 试验装置的精度和暂态特性受到一定影响，并且这种设计方案只能被限制在 d o s 操作系统下运行。 之后又出现了由单 c p u 和有后台微机构成的试验装置。它们通常采用 wi n d o ws 操作系统，人机界面较为友好。前端试验装置和后台微机之间通过串口 或网络连接。采用简化模型，故障数据的产生方式简单，输出精度较高，输出信号 频率带宽指标较高，开放性好、功能较强。 后来又出 现了 基于高性能数字信号处理器( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r . 简称d s p ) 和后台微机的继电保护试验装置4 1 。两者构成主从式计算机系统，微机作为人机界 面，控制仿真运行及实时数据处理等:d s p实时解算系统模型和输入输出处理等。 装置可以实现简单系统的实时仿真，通过保护装置、自动重合闸、操作箱、模拟断 路器的完全闭环，实现保护装置的简单动态试验。 1 . 2 . 2闭环试验装x发展历程 闭环试验装置主要包括基于物理仿真的动态模拟实验室和基于实时数字仿真 的试验装置。 动态模拟实验仿真是最早出现的进行电力系统研究的实时仿真工具，对电力系 统的发展起到了举足轻重的作用。电力系统动模实验室的硬件通常由若千台按比例 缩小的电机、一定数量的n型线路模型、电源、负荷、开关模型以及相应的监测、 控制系统组成。 动模实验室是按相似性原理建立的缩小的物理模型， 保留了实际系统的所有物 理特征，试验结果得到广泛认可。但动模试验也存在以下局限性:1 、模拟电 机各 第一章引言 种参数的变化范围有限，很难匹配各种不同厂家、容量、种类的电机模拟的需要， 参数的调整和匹配较为困难; 2 、 动模的r i 型线路模型品质因数 ( q值) 较低， 进行 长线路的电磁暂态过程研究某些性能指标不太准确;3 、实验准各时间较长、实验 花费较高。 数字仿真具有安全、经济、方便的优点，随着实时数字仿真技术的发展，基于 实时数字仿真的试验装置近年来有了长足的发展。 9 0 年代初，加拿大的r t d s 公司 推出了国际上第一套商业化的电力系统实时数字仿真系统一一r t d s ( r e a l t i m e o i g it a l s im u l at o r ) ， - 6 1d i g it a l s im u l a t o r ) 5 . r t d s 采用 并 行处 理的 硬 件结 构 和高 速d s p 芯 片， 利 用 数 学上可分割子系统的概念在各运算芯片或芯片组之间分配计算任务。各子系统之间 的联结使用传输线模型或换流器模型。r t d s的设计充分考虑了接口问题，提供数 字、模拟信号的输入输出接口，增加了仿真系统在建立和使用上的灵活性。 r t d s基于多 d s p并行处理技术，由系统仿真时分配到 d s p的代码来决定该 d s p模拟什么电力系统元件。这种基于硬件扩展的系统也有其局限性:1 、造价高， 在普通用户中难以推广，如 r t d s的一个运算单元 ( r a c k )的售价即为数十万美 金，投资和维护费用都较高;2 , d s p并不是标准的微处理器，无法充分利用微处 理芯片的 最新成果， 升级和 扩展的 难度和 代价比 较大。 1 . 2 . 3继电保护试验装盆的性能要求 不同用户在不同场合对继电保护试验装置的要求是不同的。 保护装置的试验主 要包括静态模拟试验和动态模拟试验，两者对保护试验装置的性能要求是不同的。 静态模试验要求静态地输出故障电压、故障电流等故障信号，目前的微机型继 电保护测试仪均可胜任。 动态模拟试验则以故障暂态过程模拟的真实程度、是否引入保护装置的动作信 号形成闭环作为其性能指标。 1 、故障暂态过程模拟的真实程度 ( 1 )只考虑基波及较低频率分量。可通过简化的数学模型计算得到。 ( 2 )考虑较高次频率分量、发电机和负荷动态特性、输电线路分布参数等 因素。系统建模仿真较为复杂，对模型和算法的要求都很高。 2 、保护装置动作信号的返回 ( 1 )开环试验。 模拟仿真系统的结构不随 保护装置动作情况的变化而相应 变化。这种试验对实时性要求不高，可利用故障录波或e mt p 等高级 离线仿真软件产生故障数据进行回放。 ( 2 )闭环试验。模拟仿真系统的结构必须随保护装置动作情况的变化而相 第一章引言 应变化。必须能够真实模拟实际电力系统的运行状况，全面地测试继 电保护装置的动作特性。 1 . 3 本文的选题背景及目的 在我国，继电保护的应用己有 8 0多年的历史，但就其试验和测试来说，长期 采用经典的电气测量方法和常规电工仪表，试验繁琐，精度较低。 近年来，随着我国电力工业的快速发展，新型继电保护装置特别是微机型继电 保护得到了广泛推广使用，对试验技术提出了更高的要求，逐渐形成了有别于一般 电气测量的专门技术领域继电保护试验技术。国内外相继研制出了微机型的继 电保护测试装置，尽管相对于传统的电磁式测量从准确性、灵活性、方便性等多个 方面有了很大的进步，但都是静态的开环试验装置，仍存在如下不足: i 、 无法全面真实地模拟实际电力系统的运行状况和暂态过程，全面地测试继 电保护装置的动作特性。 2 、 无法测试多重故障和多个继电保护装置相互作用的情况，无法达到动态交 互的效果，完整测试 自 动重合闸装置的全过程。 为全面、真实地测试继电保护装置的动态特性，必须进行闭环试验。而如何利 用普通微机来完成继电保护装置的闭环试验，从而极大地降低闭环试验成本，正是 本文所要解决的主要问题。 目 前对于精度要求较高、 保护装置信号闭 环返回的继电 保护装置试验要求， 必 须采用动模试验和r t d s 等先进的实时数字仿真器进行试验。 上文提到，相对于数字仿真，动模存在一定的局限性。而且筹建动模实验室投 资较大，目前国内为数不多的动模实验室担负着电力系统众多的试验任务，很难满 足系统内大量保护装置实时试验工作的需要。而加拿大r t d s购买和维护费用比较 高，升级扩展的难度和代价比较大。因此，迫切需要研究和开发更经济的实时闭环 试验装置，提高试验效率，降低试验成本。 计算机技术和微处理器技术的飞速发展为开发更经济的实时闭环试验装置提 供了可能。近年来微处理器的速度一直精确地按照摩尔定律在发展，普通微机的计 算速度已有了大幅度提高。英特尔奔腾n处理器的主频目 前己达到 3 g h z ，英特尔 的专家估计， 2 0 0 5 年微处理器的主频将达到 i o g h z , 2 0 0 7 年将达到2 0 g h z 7 1 。目 前普通微机已具备利用现有仿真程序完成较小规模系统实时仿真的计算能力。再通 过输入输出接口与实际继电保护装置相连，完全可以进行装置的实时试验。相对于 动模和r t d s 而言， 此类装置的造价是很低廉的。 因此， 基于微机和现有仿真程序， 研发性能优越并且造价低廉的实时数字闭环试验装置是很有意义的。 第一章引言 闭环试验的前提是数字仿真必须达到实时。如图 1 -1所示，微机利用电磁暂 态仿真软件建立数字仿真系统， 进行实时仿真， 并将被测继电保护装置所需的电压、 电流等信号经数模信号转换输出。 换输入微机，形成完整的闭环试验 同时被测继电保护装置的响应信号可通过信号转 数字仿真系统中的数字断路器将跳开 继续进行仿真，从而形成闭环交互。 如继电保护装置发出跳闸信号后，其所控制的 ，数字仿真系统将按照变化后的电力系统结构 微机 信号转换及输入输出系统 图 一1基于微机的实时闭环试验示意图 目前基于微机，利用仿真计算软件进行离线仿真，将计算结果事先存储下来， 然后通过输出接口和功率放大器将信号送入待测设备进行实时回放试验的做法比 较常见 8 .9 1 。 但由 于试验过程中受试验的保护装置的响应信号无法实时反馈回计算 机，观察不到动态交互的效果;也无法进行类似于自动重合闸这样的要视系统的反 应而装置可再次动作的试验:同时也无法研究几个装置在系统中相互影响、共同作 用于系统的情况。 荃于微机的实时闭环试验装置具有造价低、一次实验基本没有额外花费、实验 准备和系统维护简单等特点，可进行保护装置的实时闭环试验。随着微处理器速度 的不断提高，装置所能实时仿真的系统规模也将不断扩大，有很好的发展前景。 数字仿真在变结构点处 ( 如系统发生故障或操作时) ，需修正节点导纳矩阵并 重新 进行三角分解【 。 一 川 。 因 此采用小步长的 数字 仿真在变结构点一 般无 法做到 严格 实时这是数字仿真用于实时试验的一个瓶颈。普通微机计算能力较并行仿真系统 仍显不足，因此对微机而言，这个瓶颈更加不易突破。 文献 1 2 提出了 仿真前预存节点导纳矩阵的方法。但此方法存在局限性。如果 系统中存在非线性元件，计算过程中其参数和结构会随工作点不同而产生变化，在 仿真前基于稳态工作点生成的节点导纳矩阵在仿真过程中不一定准确。本文利用断 路器的死区，提出了数据缓存方法，扩展了实时数字试验的步长选择范围。应用数 据缓存方法，采用满足全局实时性要求的较小步长就可进行实时试验，不必为达到 变结构点的严格实时性要求而采用大步长，可以充分发挥微机的计算能力。 第一章引言 研制基于微机的实时闭环试验系统， 关键在于两个方面:一是实现电 磁暂态过 程的实时仿真:二是实现数字仿真与被测装置的实时接口。 本文的主要目的是研究利用微机进行继电保护装置闭环试验时，如何设计和开 发有效的实时接口，以提高闭环试验的速度和精度。同时设计更加轻巧便携的试验 装置，以用于现场试验。另外，对设计开发的试验装置进行大量闭环试验，以验证 装置试验的正确性和有效性。 1 . 4 本文的主要工作 本文研究和开发了基于微机的新型实时闭环试验装置，主要工作概括如下: 1 .如何克服数字仿真在变结构点的速度瓶颈问题，提出有效的方法，提高闭 环试验的速度，使基于微机的实时闭环试验装置可以采用较小的步长进行 继电保护装置的闭环试验。 2 _如何解决仿真计算和通信处理串行进行， 使得微机c p u的时间被通信事务 大量占据的问题。专门设计开发负责通信处理的通讯卡，以解放 c p u ,提 高闭环试验的计算和通信速度。 3 设计开发基于微机的实时数字试验装置之后，如何利用该装置进行实际继 电保护装置的闭环试验，并如何验证闭环试验结果的正确性。因此利用本 装置在东北电力调度通信中心进行大量继电保护装置的闭环试验，并与 r t d s装置的试验结果进行对比。 4 .目前的实时闭环仿真系统体积较大，无法带往现场进行试验。如何解决体 积缩小、重量降低的技术问题，设计开发轻型便携的实时数字试验装置， 以扩展装置的使用范围，解决现场试验的问题。 第二章 数据缓存方法及其应用 第 二 章 数据缓存方法及其应用 2 . 1电磁暂态仿真概述 在电力系统发生故障或操作时，将产生复杂的电磁暂态过程和机电暂态过程。 前者指各元件中电场和磁场以及相应的电压和电流的变化过程，后者指由于发电机 和电动机电磁转矩的变化所引起电机转子机械运动的变化过程 1 3 1 。 因此数字仿真在 时域范围内根据所仿真的这两个物理过程分为两种不同的仿真模式:电磁暂态模式 和机电暂态模式。 在电磁暂态模式下，电机、网络和控制系统都通过微分方程进行描述，系统采 用瞬时值方式进行计算。 在计算机上进行电磁暂态仿真通常利用 e mt p 类仿真程序 ( 包括e mt p . e mt d c , d d r t s 等) 。这类仿真程序均基于h . w.d o m m e l 提出的算 法( l o ) ，可以用于研究电力系统的各类暂态现象。 e mt p 算法中将网络微分方程通过差分化得到暂态等值计算电路。 对于集中参数元件 ( 如电阻、电感、电容等) ，应用隐式梯形积分法将微分方 程化为离散化差分方程，并得到一个等值电阻和等值电流源并联的暂态等值计算模 型。根据给定参数元件的微分方程，可以得到相应的电流源一电阻模型，其等值电 路如图2 - 1 所示。若描述元件的微分方程为: ( 2 一1 ) 应用隐式梯形积分法化为差分方程: at 一 t ) =y ( t ) 一 -=-(x(t) + x ( t 一 t ) 2 ( 2 一2 ) 式( 2 -2 ) a t 化为: at y ( t ) =at 一 t ) + - 乙 t x ( t 一t ) +-. x( t ) 2 ( 2 一3 ) 对于最简单的情况，状态变量y ( t ) 代表电流，则: y ( 一 “ 卜 a t x (t - t,t) ( 2 一4 ) 式( 2 -3 ) 可表示为电流源和电阻并联的诺顿等值电路的形式 上一步长计算结果得到的电流值，即隐式梯形积分中的历史项， ，其中找 t ) 是根据 r为根据原微分方 第二章数据缓存方法及其应用 程关系得到的网络电阻值，与元件参数和仿真步长有关。 图2 -1等值电流源一电阻电路 对于输电线路这样的分布参数元件，采用无损线的贝瑞隆模型也可导出仅包含 电阻和电流源的线路暂态等值计算模型，其等值电路如图 2 -2所示。贝瑞隆模型 将分布参数线路的波过程转化成仅含电阻和电流源的集中参数电路，线路两端的电 磁联系由反映卜t 时刻两端电压、电流的等值电流源来实现，两端无直接的拓扑联 系。考虑线路损耗时可采用贝瑞隆无损线路加纵向电阻的模型。 了 , . c，) 廿 (1) i 一 门 y, (r 2 /it ;zc l “ 一” 了，(!一 “ (了 图2 -2无损线的贝瑞隆模型等值电路 这样在任意t 时刻，这些集中参数和分布参数网络元件离散化之后得到的一系 列等值电阻和等值电流源构成了暂态等值计算电路。以此暂态等值计算电路为基础 得到节点导纳矩阵，形成节点方程，即: g u二1 ( 2 - 5 ) 其中: g:暂态等值电路的纯电阻节点导纳矩阵; u: t 时刻各节点电压组成的列向量: 1 : 各节点注入电流组成的列向量 每一节点的注入电流为t 时刻暂态等值计算 电路中与该节点相连的等值电流源以及外施电流源的代数和) 。 根据网络节点方程，对对称的节点导纳矩阵进行三角分解，通过前代和回代运 算求解下一步长点t 十 t 时刻的各节点电压。然后得到t + t 时刻的各支路电流，重 新计算t 十 t 时刻的暂态等值计算电路，如此反复以固定步长 t 向前在每一个步长 点对系统进行求解。在此过程中，节点导纳矩阵保持不变。但如果在仿真过程中系 第二章 数据缓存方法及其应用 统发生了故障或进行了操作，须修正节点导纳矩阵并重新进行三角分解。 需要注意的是，以上方法只能用于求解线性网络。对于非线性或时变的电力系 统元件，此类元件的参数与工作点相关，即随着其电压、电流和频率等运行参数的 变化而变化。 此时通常采取分段线性化方法或补偿法进行处理 1 4 1 。 如果采用分段线 性化方法，元件从一个线性分段越过分界点到达另一个线性分段的时候，必须修正 节点导纳矩阵并重新进行三角分解。 我们将系统发生故障或进行操作时的步长点和非线性元件的线性分段越过分 界点时的步长点统称为变结构点。 e m t p算法采用的隐式梯形积分法具有良 好的数值稳定性，积分过程也比较简 单，因而在暂态仿真计算中得到广泛应用。可以证明对于线性网络而言隐式梯形积 分法总是稳定的。但有时在变结构点处，特别是在开关操作时，非状态变量可能产 生不正常的摆动，即数值振荡现象。目前有几种方法可以消除数值振荡，最常用的 是采用阻尼法【 和在发生数值振荡时在变结构点处采用其它数值积分方法 ( 如后退 欧拉法)进行计算 1 6 1 电磁暂态计算中电机采用经典派克方程描述的微分方程，其数值求解仍可采用 梯形法。由于电 机在d - q 旋转坐标系下进行计算， 而网络则在a - b - c三相静止坐标 系下进行计算，因此在电机和网络连接时要有机网接口，对相应的端口交换量进行 坐标系转换。 仿真中经常需要进行控制系统的动态仿真，如发电机的励磁调节系统、调速系 统、h v d c和 f a c t s的控制和保护系统等。通常控制系统由不同的控制模块相互 连接构成，控制模块有可能是传递函数、f o r t r a n 函数、逻辑表达式等，这些都 可以转换为相应的控制系统方程，也可通过梯形法求解。在仿真中通常分开求解网 络方程和控制系统方程。先对网络方程进行求解，控制部分根据网络方程的计算结 果确定的边界条件进行求解，然后向网络部分返回控制反馈。 2 .2 变结构点的速度瓶颈问题 设仿真步长为 t ， 仿真总时间为t ，而计算设备仿真花费的总时间为兀。 如果几 一 一 一 - 一 -一 一 一 一 寸111 七_ _ 上_ _. _ _ _ _ _ _ _ u ( t ) x(t) 坡洲 维电保护簇， 图2 -4试验系统闭环交互过程 断路器从接到保护装置跳闸命令到断路器跳开的时间称为断路器分闸时间，该 时间一般为 2 0 -6 0 m s 。可以利用断路器分闸时间，在正式闭环仿真前先进行 t时 间的仿真，将数据缓存下来，然后再进行实时闭环试验。 如图 2 -5所示，在正式闭环仿真前，先进入数据缓存阶段。数据缓存的时间 为 t，将这段时间的仿真数据存储在一个先进先出的数据缓冲区内。然后开始进 入正式的闭环交互仿真阶段。此时按照步长a t 的时间间隔，定时通过输出接口将数 据缓冲区内的数据送往保护装置。微机的仿真时标在一开始比保护装置的实际物理 时标领先 t时间。如果统一到仿真时标上看，以数据缓存开始为时间零点，在任 意t 时刻， 保护装置接受到的是微机在t - o t 时刻的输出信号x ( 1 - a t ) ， 其产生的控 制信号 应是u ( t - a t ) a呻一 t ) 反馈回数字系统作用于断路器模型，断路器向 系统 的作用输出 应是y ( t - 4 t ) 。 而数字仿真t 时刻必须采用断路器t 时刻的输出 量y ( t ) , 而不是y ( t - 4 t ) a引入数据缓存后如此不加处理的闭环仿真结果显然是错误的。 !.1|一一曰 微机 ( t 时刻) 厂!|! 刁1月 曰f o 盈撼透冲协u ( t - 4 x (1- (;吸 _ _ _ _ _ 坡侧 组电保护婉t 图2 -5引入数据缓存后不加处理时的闭环交互过程 ，1 1 - 第二章数据缓存方法及其应用 假定断路器在: 域传递函数为: y ( s ) 二 f ( s ) u ( s ) ( 2 - 7 ) 如何使断路器从保护装置的输出u ( t - o t ) 得到y ( t ) 呢?u ( t 一 t ) 的拉普拉斯变 换为e - n rr u ( s ) ，可得到: y ( s ) = f ( s ) * u ( s ) = f ( s ) e e t e - o r u ( s ) 二 f i ( s ) e - t u ( s )( 2 - 8 ) 其中 可见 f l ( s ) = f ( s ) e 0 t ( 2 - 9 ) ，只要在仿真程序中将断路器的传递函数模型由f ( s ) 修正为f ( s ) ，则断 路器输入为。 ( t - a t ) ，而其输出正好为y ( t ) ，如图2 -6 所示。 微机 ( t 时刻) 叮.!。、| 寸习1-i f l f o q招妞冲区u ( t - 么 x t - a 叹- 彼侧 诬电保护玻妞 图2 -6引入数据缓存后加以处理时的闭环交互过程 引入数据缓存之后，当系统遇到变结构点时，虽然无法做到严格实时，但由于 数据缓冲区内存储有 t时段长的数据，因此输往被测装置的数据不会受到影响。 只要该点的计算时间不超过数据缓存时间 t，被测装置接收到的数据将是完全实 时的，感受不到断点的影响。通过数据缓存可顺利实现仿真的全局实时性向严格实 时性的转换。即如果在某步长下仿真满足全局实时性要求，则仿真也可满足严格实 时性要求，可进行实时闭环试验，充分利用了微机的计算能力。 2 . 4 数据缓存方法的应用 设断路器分闸时间为不，则: y ( 1 ) = u ( t 一 不 ) ( 2 - 1 0 ) 这相当于存在一个死区，其传递函数为: f ( s ) = e - 7 ,.v ( 2 - 1 1 ) 因此: f ( s ) = f ( s ) e a t i = e - (t i一 t )s ( 2 - 1 2 ) 如果 t t ， 则f ( s ) 为 一个 纯 超 前 环节， 其 对应一个 非因 果系 统， 在物 理 上 是不可实现的。 2 . 5 数据缓存实现过程 在数据缓存阶段采用先进先出数据缓冲区对数据进行存储。 在正式闭环交互仿 真开始后微机一边写，通讯卡一边同步往外送。仿真过程中缓冲区的数据长度变化 1 3- 第二章数据缓存方法及其应用 如图2 -8 所示。 首先，在正常点仿真所花时间o f _ 应小于或至少等于步长o f 。要真正完成闭环 试验， 与接口通信要占用 c p u一点时间，因此a t _ 须小于 t 。 启动仿真后微机先仿 真4 t 时间，将数据缓冲区填满 ( 认为存储 t 时段数据为满) 。然后启动闭环试验， 开始与被测装置进行实时交互。 通讯卡 d s p负责通信控制。 其定时器时钟周期设置 为步长 t ，在此时钟周期内完成一次输入输出。之后在每一步长中，微机向数据缓 冲区写一组当前时步的输出数据。但前提是通讯卡已送出一组数据，数据缓冲区不 满，否则微机需要等待。这样仿真计算和通信送数实现了同步，周期都变为a t 。 此 时微机计算完一步写一组数据， 通讯卡送一组数据，缓冲区始终维持满的水平，不 会出现溢出的问题。 在t , 时刻遇到变结构点，计算时间变为以十 ，比步长 t 要长许多。 而通讯卡却 始终保持间隔a t 时间向外输出缓冲区中的数据。缓冲区的数据量开始下降。 开份多时贾互 .口.存阶脸 产产尸 r七1 图2 一8数据缓冲区变化示意图 变结构点过后，由于缓冲区为不满状态，微机每步计算时间又只需 l侧开 g i , g 2 , g 3和 g 4 ;合s k i , s k 2 , s k 3 和s k 4 ;被保护线路潮流为i , 0 0 0 mw. 故障点选取:k 0 , k1 , k 2 , k 3 和k 5 。故障类型分别为:a n, b n , c n, a b , b c , c a , a b n, b c n, c a n, a b c , a b c n。保护配置及整定:采用高频闭锁式 距离保护，使用综合重合闸，距离一段整定值为线路全长的9 0 %. 实验结果为:在被保护线路区内各点发生单相金属性瞬时故障时，保护装置均 能正确选择故障相跳闸 ( 图 4 -5 ) :发生两相及以上故障时保护装置均能发出三相 跳闸命令 ( 图4 -6 、图4 -7 、图4 -8 ) . t1你tci训 图4 -5发电机侧出口处 ( k o ) a相短路接地故障，保护单跳，重合闸成功 发电机侧线路电压电流 第四章继电保护装置的实时闭环试验 ) d 一 ! r ! ul侧 11一 一 一 一 - j ， 一一 . 一 -一 目 一 - 一- 一一- 一 一 - 一- 一 n 1 匕， 下 c ， 一 一 - 一 - 一 一 j - 匕 - - - 一 一 一 - - - 一 一 -一 - .一 一 一 一网 一- 一叫 一卜 - - 一- - 卜州一 图4 -6发电机侧出口处 ( k o ) a b两相接地故障，保护三跳，发电机侧线路电压电流 u1rr i p i i i c r u r im 1 a 111 111u a l一一一一一 - 一 u b 7 f 粉 n o a s p w w a 一一 - u c l 麟 1 4 0 o ft n o一一 一一一一一一一一一一 . 1 -翎卜一一一 一 一 一 ,a ,一一一一一一-州卜一一一一一一一 i c1一 t a i一 一一 一 一 一 一 一 一 习爪.-一 -一一 一一- 一一- 一一一- - 一-一 - 一 一一 一 叫 -响 一一 - 一一 下 日 1一一 - 一. 习 匕 一 一 一 - 一 一 一 一 一 一 - - 一一 下 c 1一 一 一 一 一 - - 一 了 七 一 - ch1 一 一 图4 -7线路中点 ( k l ) a b两相相间故障，保护三跳，发电机侧线路电压电流 _2 7 第四章继电保护装置的实时闭环试验 图4 -8系统侧出口处 ( k 2 )三相接地短路故障，保护三跳，系统侧线路电压电流 4 . 3 . 2转换性故障 在被保护线路内部的同一故障点模拟经不同时限的转换性故障;在被保护线路 与相邻线路之间模拟相近故障点之间的异名相转换性故障;在被保护线路与相邻线 路之间模拟跨线相间故障。 故障转换时间为 1 0 -3 0 0 ms . 系统的要求为:r侧无穷大系统分别为 1 0 , 0 0 0 m v a ; l侧开 g 1 , g 2 , g 3和 g 4 ;双回线运行;合s k 3 , s k i , s k 4 和s k 2 ;被保护线路潮流为1 , 0 0 0 m w. 故障点: k o -k o , k 2 -k 2 , k o -k 3 , k 3 -k o , k 2 -k 5 , k 5 -k 2 。故障类型: a n -b n, a n -c n, b n - - r c n 、b n -a n 、c n - -s a n 、c n -b n。转换时i j 2 0 m s , 6 0 m s . 2 0 0 m s 。保护配置及整定:采用高频闭锁式距离保护，使用综合重合 闸，距离一段整定值为线路全长的9 0 %. 实验结果为: 在被保护线路区内同一点发生单相接地故障后，经不同时限又发生另一相接地 的发展性故障中，保护装置均能跳开三相切除故障 ( 图4 -9 ) . 在被保护线路出口 区内)与相邻线路出口 ( 区外)经 2 0 m s 相继发生不同相 别的单相接地故障时，该保护装置均能正确动作( 图4 -1 0 ) . 在相邻线路出口 ( 区外)和被保护线路出口 ( 区内)模拟跨线短路故障，保护 装置能正确动作 ( 图 4 -1 1 ) . 第四章 继电 保护装置的实时闭环试验 一 撇 一 酬 一 姗 11 月 - 认m八 w j州 甲 沪 一 一衍 .一 一一一一 一 一 l o w m m m m m w ni-一一一一一 # wm w w w aw - 一一一一一一 一 ! 淤 7 n i一 一 一 1 一 一 一一- 一一一一一一 .一一一 一 下 日 ，- 一 - 一 一 一 了 - l - 一 -一一 了 m - 一 - 一 一 一 丁 七 - 一 一 - 一 一 - c m ，一一， 一一. - 一一- 图4 -9发电机侧出口处( k o ) a相接地故障经2 0 m s 转为b相接地故障，保护二跳，发电机侧 线路电压电流 图4 -1 0发电机侧出口处 ( k o ) a相接地故障经2 0 m s 转为相邻线路出口处 ( k 3 ) b相接地短 路故障，保护三跳，发电机侧线路电压电流 第四章继电保护装置的实时闭环试验 图4 -1 1 发电 机侧出口 处( k o ) 与相邻线路出口 处( k 3 ) 发生跨线故障， 保护三跳， 发电 机侧线路 电压电流 4 .3 . 3区内外带电阻故障 在被保护线路内部两端及中点模拟各种带电阻的单一故障;在相邻线路两端及 两侧母线上模拟各种带电阻的单一故障。单相接地故障电阻为 0 -3 0 0 0; 相间故 障的故障电阻为0 -2 5 0. 系统的要求为:r侧无穷大系统分别为 1 0 , 0 0 0 mv a ; l侧开 g 1 , g 2 , g 3和 g 4 :双回线运行;合s k 1 , s k 2 , s k 3 和s k 4 ;被保护线路潮流为1 , 0 0 0 m w. 故障点:k 0 , k 1 , k 2 , k 3 和k 5 。过渡电阻:接地0 -3 0 0 0;相ra l 0 -2 5 0 . 故障类型:a n, b n, c n, a b , b c , c a , a b n, b c n, c a n , a b c , a b c n。保 护配置及整定:采用高频闭锁式距离保护，使用综合重合闸，距离一段整定值为线 路全长的9 0 %. 实验结果为: 在模拟保护区内经2 5。过渡电阻发生b c两相相间短路故障时， 保护均能可靠发出三相跳闸命令 ( 图 4 -1 2 ) 。在模拟保护区内经 5。 过渡电阻发 生三相相ie j 短路故障时，保护均能可靠发出三相跳闸命令 ( 图4 -1 3 ) . 第四章继电保护装置的实时闭环试验 幽4 一i l 发i 乜机侧出口处( k o ) 与相邻线路出口处( k 3 ) 发生跨线故障，保护三跳，发电机侧线路 电压电流 4 3 3 区内外带电阻故障 在被保护线路内部两端及中点模拟各种带电阻的单一故障；在相邻线路两端及 两侧母线上模拟各种带电阻的单一故障。单相接地故障电阻为0 3 0 0 q ；相间故 障的故障电阻为o 一2 5 q 。 系统的要求为：r 侧无穷大系统分别为1 0 ，0 0 0 m v a ；l 侧开g 1 、g 2 、g 3 和 g 4 ：双回线运行；合s k l 、s k 2 、s k 3 和s k 4 ：被保护线路潮流为l ，0 0 0 m w 。 故障点：k 0 、k 1 、k 2 、k 3 和k 5 。过渡电隰：接地o 一3 0 0q ；相间o 2 5q 。 故障类型：a n 、b n 、c n 、a b 、b c 、c a 、a b n 、b c n 、c a n 、a b c 、a b c n 。保 护配置及整定：采用高频闭锁式距离保护，使用综合重合闸，距离一段整定值为线 路全长的9 0 。 实验结果为：在模拟保护区内经2 5q 过渡电阻发生b c 两相相间短路故障时， 保护均能可靠发出三相跳闸命令( 图4 1 2 ) 。在模拟保护区内经5q 过渡电阻发 生三相相问短路故障时，保护均能可靠发出三相跳闸命令( 图4 一1 3 ) 。 3 0 第四章继电保护装置的实时闭环试验 蚓4 一1 2 发电机侧出口处( k o ) b c 相间经2 5 0 电阻短路故障，保护三跳，发电机侧线路电压 电流 剀4 13 系统侧出1 ：3 处( k 2 ) 二相经5q 电阻接地短路故障保护三跳，系统侧电压电流 3 1 - 第四章继电保护装置的实时闭环试验 4 .4 四机5 0 0 k v短线环网系统实验 4 . 4 . 1 四机5 0 0 k v 短线环网实验系统模型 5 0 0 k v短线环网系统如图4 -1 4 所示。 l端有 3台发电机， 分别为g 1 m端有 1 台发电机 g 4 o r端系统是一个区域等值系统， 有三种运行方式: 、 g2 , g3 e 最大短路 容量2 0 , 0 0 0 mv a :中f a t 短路容量1 0 , 0 0 0 m v a ;最小短路容量3 , 0 0 0 m v a o l r间线路长度为 7 5 k m, r m间线路长度为4 5 k m, l m 间线路长度为 4 2 k m 保护装置安装在线路r m的两端，即图中p 1和 p 2的位置。在线路上选取 5 个故 障点k 0 , k 1 , k 2 , k 3 和k 4 ，模拟各种金属性和带电阻性的故障。 望 _ 了，卜月_ 口3 奋 . . . . . . . . . . 目 图4 -1 4 5 0 0 k v短线环网系统图 4 . 4 . 2区内外金属性故障 在被保护线路内部两端及中点模拟单相接地、两相接地、 和三相短路接地故障。各种故障分别模拟瞬时故障和永久故障 两相短路、三相短路 。在相邻线路两端模 拟单相接地、两相接地、两相短路、三相短路和三相短路接地故障。各类故障为瞬 时性故障。 系统的要求为: r侧无穷大系统分别为 1 0 , 0 0 0 mv a ; m侧开g 4 ; l侧开g 2 和 g 3 。 坏网运行 故障点: ab n, bc n, : 合s k i , s k 2 , s k 3 , s k 4 , s k 5 和s k 6 ; 被保护线路潮流为 k 1 , k 2 , k 3 , k o 和 k 4 。故障类型:a n. b n, c n, a b i , 0 0 0 mw o 、b c, c a, can 使用综合重合闸， 实验结果为: 、a b c , a b c n。保护配置及整定:采用高频闭锁式距离保护， 距离一段整定值为线路全长的9 0 %. 在被保护线路区内各点发生单相金属性瞬时故障时， 保护装置均能正确选择故 障相跳闸 ( 图 4 一1 5 ) . 第四章继电保护装置的实时闭环试验 发生多相故障时保护装置均能发出三相跳闸命令 ( 图4 -1 6 ) 0 一 哪姗卿m 刀 n八 丫 卿 撇j仍 从 tit81tcl脚 图4 -1 5线路中点 k 2 ) a相接地故障，保护单跳，重合闸成功，发电机侧线路电压电流 一 ud u v u v u u 一一 一一 一 w 叭 w 八 价一一一一一一一一一一一一一一 ”“，1r，。 一刃uu 一 一一一 一 一 卜 一一 珊，一一一一一一 . 八刁 j . . . ， . . ， 网 . . ， . ， 叫 ， ， . . . .一一一 丁 日 2一 一- 一 一一 - 一 一 一 习 一 一间 一1-一 一 一- - 一叫 一一 一 一 -. . 一一一 一 一一 .- - - - - 妇 一 ，一 甲 六、门1 . 峪 迈 c h7. 一 ， 一目 一 一 -， - . -. 分 - 一一 分 . ， 一 -， 月 一一一一 - 一- -. . ， 一 图4 -1 6 系统侧出口处 ( k 3 )三相接地短路故障，保护三跳，系统侧线路电压电流 第四章继电保护装置的实时闭环试验 4 . 4 . 3 转换性故障 在被保护线路内部的同一故障点模拟经不同时限的转换性故障; 在被保护线 路与相邻线路之间模拟相近故障点之间的异名相转换性故障: 在被保护线路与相 邻线路之间模拟跨线相间故障。故障转换时间为1 0 - 3 0 0 m s . 系统的要求为: r侧无穷大系统分别为1 0 ,0 0 0 m v a ; m侧开g 4 ; l 侧开g 2 和 g 3 ;合s k i . s k 2 , s k 3 , s k 4 , s k 5 和s k 6 ;被保护线路潮流为i , 0 0 0 m w. 故障点: k 1 -k1 、 k 3 -k 3 , k i -k o , k o -k 1 、 k 3 - k 4 , k 4 -k 3 。 故障类型: a n -b n , a n - c n, b n -c n, b n -a n, c n - s a n, c n -b n.转换时间;2 0 m s , 6 0 m s , 2 0 0 m s 。保护配置及整定:采用高频闭锁式距离保护，使用综合重合闸，距 离一段整定值为线路全长的9 0 %. 实验结果为: 在被保护线路区内同一点发生单相接地故障后，经不同时限又发生另一相接地 的发展性故障中，装置均能跳开三相切除故障 ( 图4 -1 7 ) . 在被保护线路出口 ( 区内)与相邻线路出口 ( 区外)经 2 0 m s 相继发生不同相 别的单相接地故障时，装置均能正确动作( 图4 -1 8 ) . 在相邻线路出口 ( 区外)和被保护线路出口 ( 区内)模拟跨线短路故障，装置 正确动作 ( 图 4 一1 9 ) . 图4 -1 7发电 机侧出口 处( k 1 ) a相接地故障经2 0 m ， 转为b相接地故障， 保护二跳， 发电机 侧 线路电压电流 第四章继电保护装置的实时闭环试验 以 分 一一 一 一一 一十 八 图4 -1 8发电机侧出口处 ( k 1 ) a相接地故障经2 0 m s 转为相邻线路出口处 ( k o ) b相接地短 路故障，保护三跳，发电机侧线路电压电流 w 1 八 八 八 八 j叮 / 介 .91 v 八 八 八 八 刀卜 ee 仔一 一 1勺 丫 六卢叭叭/丫 了 丫 厂一 al 一 一 一八y v 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 191 一 沪八一 记 ，一 - 一一 一 . 一 一 一 厂 洲 八 、 / 一 t a i 一- j一 l 一一一一 一 一. 一 . 一一一. 一- 相 ， - - 一 一 一 一一 一 一- . j一 t c 1-一 一-， 一-一一- . - ， 一- 一-一 ， 一一 - 一 一 ， 一一一 一 一 c 日 ，1 - 一一一 一一 图4 -1 9发电机侧出口处 k l )与相邻线路出口处 ( k o )发生跨线故障，保护三跳. 发电机侧线路电压电流 - 3 5 第四章继电保护装置的实时闭环试验 4 . 5 与r t d s的对比仿真实验 本文还进行了本装置与r t d s 装置的对比仿真实验。一方面是对两者的仿真结 果进行相互校核，另一方面也是借助国际上较为成熟的r t d s装置的仿真结果对本 装置进行检验。对比实验制订了两套实验方案，共完成了 1 2 0多次故障仿真对比实 验。从仿真结果看，r t d s和本装置的暂态过程基本一致，在相同条件下，暂态过 程的幅值、趋势相同，两者波形可以相互校核。 考虑到未来输电走廊日趋紧张，同杆并架方式的输电线路将越来越普遍，本文 特别进行了本装置和r t d s 装置的同杆并架双回线模型的对比仿真实验。实验结果 表明，两者的仿真结果基本一致。本装置完全具备在同杆并架方式