电力系统继电保护仿真平台研发思路探讨

1、电力系统继电保护仿真平台研发思路探讨    关键词: 继电保护;仿真平台;电力系统实验0 引言 继电保护装置是电力系统中重要的组成部分,是保证电力系统安全和可靠运行的重要技术措施之一。目前,各高校电气工程专业、供用电技术专业都开设了继电保护课程,该课程是一门理论与实践并重的课程。在理论课的教学中辅以相应的、切合实际的实践环节,不仅能验证理论的真实性,而且可以巩固和强化学生对于理论的理解,增加对电力系统生产现场(变电所和发电厂)的感性认识。 1 平台总体功能设计与要求 近年来,随着微型计算机技术在电力系统中的广泛应用,利用微机构成的微机保护装置已在全国电力

2、网中广泛使用。为适应微机保护不断发展的新形势,并使教学中的实践内容及时反映学科的最新科研成果,有必要研发一种全新的微机继电保护实验仿真平台,该平台既能验证保护原理,又能真实模拟保护现场的新型实验平台,为此我们进行了一些理论联系实际的摸索和探讨。 针对现有仿真实验台所存在的不足之处,新的平台系统应包括电源部分、一次系统、二次系统、中央信号系统、微机保护这五大功能模块。在进行平台总体设计时应考虑能综合目前国内各类院校中“电力系统自动化”、“继电保护”及“二次回路”等课程的所有实验项目,实验的深度与广度也可根据需要作灵活调整,实验装置配套齐全,装置占地面积要尽量少,以节约实验用房,并设计有确保操作者

3、及仪器安全的措施。 2 仿真系统各功能模块设计思路 2.1 实验台电源模块设计思路 学生在进行电力系统继电保护实验时,指导教师最担心的问题之一就是学生接错线,又未经检查就通电;或者操作错误导致电源短路,烧断熔丝,严重的甚至损坏电源,延误实验进程或导致实验中断。而且,现在实验教学主张开放性实验教学,因此,必须确保实验装置和人身的安全,考虑到电力系统继电保护实验属于强电范畴,所以为保证全方位的安全保护,在实验台电源设计时,就必须考虑可靠的安全保护措施,交流电源要事先隔离后才能进各模块,直流电源要有完善的整流滤波措施。考虑了这些安全保护措施的实验台电源,不仅可以杜绝因漏电导致的人身安全事故,又可防止

4、因使用不当导致的仪表损坏,将会大大地减轻实验指导老师的精神思想负担。 2.2 一次系统的设计思路 电力系统继电保护实验最终的作用对象是电力系统中的一次系统,而一次系统中最重要、最复杂的控制和保护电器是断路器,断路器是整个实验台一、二次系统的联系纽带。目前市场上的一些模拟断路器的产品,大多是利用一个交流接触器来模拟,其仿真性很差,因为真正的断路器是靠分合闸线圈来启动开关的传动机构的,且在二次回路中还要串入断路器主触头的辅助接点,这些仅靠一个交流接触器是无法实现的,此外,这些产品还存在价格较高,体积较大的缺点。 为了使实验台能真实的反映电力系统的运行及故障时的情况,要求研制的断路器操作箱无论是声音

5、、辅助触点的切换等都要与现场断路器十分相似,以提高实验台的仿真度。新平台的声音和动作都应与实际断路器分合闸全过程相符,而且必须考虑能实现完整的断路器的跳、合闸动作过程的模拟,同时还要考虑模拟断路器操作箱与二次系统的关联性和兼容性,最后再从经济成本方面进行考虑,也就是具有较高的性价比。 2.3 二次系统设计思路 二次设备是指对一次设备的工作状况进行监视、测量、控制、保护、调节所必需的电气设备,如监控装置、继电保护装置、自动装置、信号器具等,通常还包括电流互感器、电压互感器的二次绕组引出线和变电站用直流电源。这些二次设备按一定要求连接在一起构成的电路,称为二次接线或二次回路。它是电力系统安全生产、

6、经济运行、可靠供电的重要保障。 而在二次系统中其主要部分为继电保护和自动装置。因此,在新平台的二次系统模块中要设计与实验台匹配的继电保护装置,同时还要考虑自动重合闸装置的设计问题。当自动重合闸装置与继电保护装置配合适当时,能有效地加快故障的切除,提高供电的可靠性,而且自动重合闸的应用在某些情况下还可简化继电保护。 在设计新平台的二次系统部分时,还需要重点考虑准确率的问题,使得继电保护、自动重合闸等二次系统动作准确率要达到95%以上,保护的采样、逻辑判断、执行回路等部件均应符合要求。 2.4 中央信号系统设计思路 中央信号主要包括事故信号和预告信号,事故信号发生会伴随音响信号(笛声),预告信号发

7、生会伴随音响信号(铃声)。在实际的电力系统各种故障中,瞬时性故障占了90%以上,当发生故障时要求继电保护动作,自动地将故障切除使断路器跳闸;自动装置再自动地将断路器合上。这一过程都是自动完成的,如果不增加中央信号系统,运行人员就无法知道故障的发生及故障的类型,且当发生永久性故障时不能及时地处理。        因此,中央信号系统是电力系统不可缺少的一部分,那么在设计新仿真实验平台的中央信号系统模块时,要求在多用户时能重复动作,能手动复归也能自动复归,并且要求在一次系统模块和二次系统模块动作时,中央信号能及时和准确地

8、反映,也就是与实验台上一、二次系统的匹配问题。 2.5 微机保护模块设计思路 传统仿真实验台中的继电保护模块主要是由机电型继电器构成,属于模拟式保护,模拟式保护运行和维护经验都十分丰富,基本上能满足系统的要求。但随着电力系统的日益扩大,对继电保护的要求也不断提高,现有的模拟式保护难以满足要求,微机型继电保护因此应运而生。在实验台中引入微机保护挂件,既可以扩展学生的知识面,也适应了继电保护的发展。 动作于断路器跳闸的继电保护,在技术上一般应满足以下四条基本要求,即选择性、灵敏性、速动性、可靠性。模拟型保护与微机型保护进行比较如下,可以更加明确地了解两种保护的优缺点,比较结果见下表。 可见微机保护

9、无论是灵敏性、可靠性还是选择性合快速性都远远优于传统的模拟保护。因此,在设计新的仿真实验台时,应考虑采用微机保护模块取代原实验台中的继电保护模块与自动装置模块,与断路器操作箱配合,可以切除在模拟负载箱上设置的各种故障。这样,引入微机保护挂件后,保护动作将会更快,更可靠。 2.6 实验室设备配置 为配合教学,使学生通过相关实验对微机保护装置的软、硬件熟悉并进行调试,在讨论了综合仿真实验平台的设计思路后,针对平台的各个模块特性,下面给出一种硬件实现方案: 1)断路器主要部件采用的是双稳态继电器和交流接触器组合设计,可以真实模拟一次断路器工作方式,完整的实现断路器跳、合闸的动作。 2)二次系统设计主

10、要是继电保护模块及自动装置模块的设计。继电保护模块可以采用一些常规的保护继电器和中间继电器,但考虑到常规继电器的触点数量及容量不能满足实验的要求,还应采用中间继电器进行接点扩容并且将继电保护模块与实验台中的负载模拟箱相互配合,将线路首端至末端发生的各种故障可靠地切除,以提高保护动作的灵敏性。自动装置模块则采用重合闸继电器、时间继电器、充电电容和中间继电器组成。 3)中央信号系统采用ZC-23型冲击继电器来模拟事故信号,可以真实反映继电保护装置动作时的各种灯光、音响信号,同时,在多用户时可重复动作,动作后既可手动复归也可经延时自动复归。 4)微机保护模块采用NTS-8710线路微机测控保护,该硬件设备精度高、效率高,对故障设备损害小,同时还可以减少用户停电时间,提高这个系统供电的可靠性。 3 总结 在电力系统中,继电保护和自动装置是保证电力系统安全运行和提高电能质量的重要工具。本文针对国内外继电保护的各种实验手段的研究,提出了一种新型的完全与现场实际实现手段吻合的综合仿真实验平台的设计,通过归纳及比较方法,分析了该系统的总体研发思路,同时介绍了一次系统、二次系统及中央信号系统的