水电站继电保护仿真培训系统的设计

水电站继电保护仿真培训系统的设计李文武李咸善汪长林中国湖北省宜昌三峡大学电气与信息学院\摘要:继电保护仿真要求具有实时性、灵活性和高保真性。根据电力发电站仿真培训的特征，水力发电站的继电保护仿真培训系统的答题结构是设计的第一步；接下来通过实体关系方式来建立水力发电站继电保护仿真培训系统的。现在数据模型是仿真系统的基础；最后，作为继电保护仿真培训的核心，保护仿真模型软件通过面向对象的方法是精心设计的。同时也设计了保护等级图表和障碍仿真序列图表。系统的结构设计、数据模型和保护仿真模型的设计既相互分开也相互展示，它们从不同的角度确保了实时性、灵活性和高保真度，并且能够成功地应用到一个特定的继电保护仿真培训系统中关键词：继电保护仿真；水电站；实体关系方法；面向对象的。一.前言现在许多大型水电站的修建时增加电力供应来适应国家经济发展和社会发展的需要。同时为了确保发电站的安全运转，各种培训系统被开发出来以提高每个工作人员的素质。水利发电站的继电保护仿真培训系统是一个重要的培训系统，它能够帮助受训者了解在水电站继电保护的配置和功能，并且通过提供与水电站的相似环境来提高受训者在故障情况下的应变能力。多样化的继电保护仿真系统要求培训具有实时性，灵活性和搞保真度[1]。实时性的特征意味着当虚拟错误发生后，所有继电保护的实时措施迅速启动；灵活性的特征则要求当改变电力系统的运行方式和继电的保护配置时，继电保护有准确无误的应对措施；高保真度强调仿真相对于当地设备具有真实性。为输电网和变电站所工作的继电保护培训系统已经被设计出来[2-5]。与此同时通过仿真模型的实时性这一点来确保大型水电站的高保真度的方法也被提出来了，但是还没有进行充分的分析和设计[6]。与其他类型的继电保护仿真培训系统相比，对于水电站而言其特点如下：首先，仿真的继电保护措施在种类和数量上都很多；第二，水利发电站的协调方式简单；第三，为水利发电站而设计的继电保护仿真系统毫无疑问地能够适应不同的电力发电系统的运作。这篇文章根据水电站自身的特点和继电保护仿真系统的要求详细地论述了水力发电站的继电保护仿真系统的总体结构、数据模型以及继电保护模型的软件。这些设计既相互区别又相互联系。它从不同的方面确保了实时性、灵活性和高保真度，能够成功地运用于一些特定的大型水力发电站的继电保护仿真培训系统。二.总体机构设计用来构造水力发电站的继电保护仿真培训系统有两条技术路线：完全的实物性仿真和完全的技术性仿真。完全的实物性仿真要求大量的经费投入，因此通过信息技术构建继电保护仿真培训系统是首选。继电保护仿真培训系统是一个不可缺少的信息系统，它能为水力发电站的自动运行装置提供培训服务。参与的受训者能够了解基础的电力系统和水力发电站的配置，获得应对实际错误情况的继电保护措施，以及提高处理紧急情况的能力。为了提高培训效率，水力发电站的继电保护仿真系统必须经过多个人在教练员的的陪同下同时培训，因此要部署多个受训者和至少两名教练员。每个受训者和教练员都是一个信息终端，并且普通的个人电脑就能满足这些终端的要求。受训者的作用如下：提供对水力发电站的主要联系和所有电力要素的评论，对总体水力发电站的继电保护配置和继电保护的评价；允许受训者操作虚拟的继电保护设施。教练员是这场仿真的指挥中心，他可以执行开启、暂停、重启仿真模型软件的功能并设置不同类型的故障。仿真的故障包括发电要素的错误和继电保护设备的错误，并以此来考察灵活性。图1.水电站继电保护仿真培训系统的大体结构示意图因为受训者和培训员都能够修改这个仿真系统的参数，一个操作继电保护模型软件的操作员必须要被恰当的部署才能够确保数据的一致性。以下是一个典型的案例：在虚拟故障出现以后，这个工作者对这一故障做出了反应、计算出继电保护措施的反应情况并将这些信息传送给受训者。受训者通过信号灯指示来了解继电保护系统的工作状况。图像1展示了总体的系统结构。操作员，教练员和受训者通过100MB的以太网联系在一起[7]。他们的交流速度达到了仿真要求。由于UNIX系统的高稳定性决定了它的核心地位。教练员和受训者能够接受WINDOWSXP系统提供的优质的人机界面。在不同的平台上，巨大的数据传动装置采用了存贮共享的途径。三.数据模型设计在构建水电站继电保护仿真培训系统的过程中有效的数据管理是必要的，根据他的总体结构，数据模型通过使用数据库，来满足这个仿真培训系统的要求。为了能够真实地反映具体问题，需要两个步骤：第一步是从现实世界转换到信息世界，下一步是转换信息世界到机械世界。数据一个信息世界的模型概念模型但并不依赖于具体的电脑系统[8]。它对于水电站的继电保护仿真培训系统设计合理的数据模型概念模型来实现仿真系统的灵活性和高保真度是不可缺少的。常见的表达数据概念模型的方式是实体关系的方式、相关的实体关系图标。实体关系图标最主要的因素时候实体本身和实体关系图标所反应的实体和属性之间的关系以及实体之间的关系。继电保护仿真下培训系统仿真实物是有形物体。这个相关的实体关系图表一定要能够贴切地反应实体从而达到高保真度的要求，同时也要注意实体之间的关系来达到灵活性的要求。在这个仿真系统中有两种实物类型，电力因素和保护因素。现代的继电保护基本上就是微机保护。根据微机保护特征，继电保护仿真培训系统是一个简单的实体关系图2中有三种不同的关系：一对一、一对多，多对多，并且它们的关系用连线的方式标记出来了。图表2省略了实体的属性，只画了实体和它们之间的关系。根据图2，每个电力要素有很多类型的故障，每个电力要素由多个保护措施保护，并且每一个电力要素与不同的保护仪表板相配。然而一个保护仪表板要与不同的电力要素相配。例如发电机保护和励磁元件保护能够配置在一个保护仪表板中。每个仪表板包括许多保护装置和许多电源开关，每个保护装置有许多类型的内在故障。电源开关要与保护装置想匹配。有两种不同的类型，交流或直流。保护装置是最重要的实体，每个保护装置包含有许多保护功能和许多压力盘。每个保护功能又与不同的压力盘相一致，且压力盘的状况决定了保护功能的有效性。另外，每个保护装置包含有很多的信号灯，用来显示保护装置的状态。图2.水电站继电保护仿真培训系统的实体时间关系模型电源开关，压力盘和信号灯是图2中最小的实体，他能够达到高保真度的要求。另外，数据概念模型包括电力故障和保护装配的内在故障，这使得仿真系统具有灵活性。通过运用商业DBMS从数据概念模型转换到相关的数据模型是不困难的．DBMS应该由操作者来部署来确保数据的一致性。四．继电保护仿真软件的设计根据图1，教练站，学员站和服务器都利用了软件。学员站的主要任务是显示电气元件和继电保护的状态，然而教练站的主要任务是控制仿真模型和设置故障。所以这些工作站功能包含简单的逻辑，相应的软件开发专注于可视化编程。该仿真系统的关键软件是继电保护模型软件。继电保护模型软件计算出水电站的所有电气元件和继电保护的状态，并将该信息发送给所有工作站。有两种方法进行软件分析和设计：结构和面向对象法[9]。为了高保真性和灵活性的要求，保护仿真模型软件必须模拟大的、不同的继电保护，并满足电气元件和保护配置的变化。结构方法很难适应不良的可重用性的动态需求和小型信息系统。面向对象方法开发的软件具有良好的可扩展性和可重用性。因此，面向对象的方法是建立仿真系统的首选。根据面向对象的方法，继电保护模型的软件应该设计类图仅反映静态结构和序列图仅反映动态结构。A继电保护类图具有相同的数据和操作的对象的物体都能够抽象为一个类。类图描述了一个信息系统里所有类和他们之间的关系。继电保护模型包括很多反映微小东西的类，这些类可以从图2中描述的实体获得。这些实体属性可以是这些类的数据成员。由于电源开关，信号灯，压盘是微小的实体，他们被视为保护面板和保护设置类的数据成员。从结构角度看，保护装置类和保护功能类之间有组件的关系图3（a）描述了这些关系。部分属于一个整体组成部分的关系，保护功能类是图3中的核类别。这些类别包括数据成员开始信号，故障信号，跳闸信号，操作时间等等，和功能成员：初始化、。运作、返回等等。水电站有不同的电气元件，而且不同的电气元件的保护功能是不同的。例如，线路保护包括自动重合闸，发电机保护包括闭锁。如果每个保护功能是被单独设计的，那么就会有巨大的工作量，可维护性小。集成被采用来设计保护功能类。首先，保护普通功能类被设计。保护功能类的先、改造、发电机是基于保护普通功能类通过相信地增加新的数据和功能设计的。图3（b）描述了保护功能类的关系。图3.水电站继电保护仿真培训系统的类示意图B故障模拟序列图这个模拟系统的动态行为是有是由序列图，它显示出相对的对象通过不同的信息互动的方式、显示出相对的对象。继电保护模型软件因为它多样的功能，而需要多种多样的序列图。故障模拟是模型软件的核心功能。在虚拟的故障发生后，其对应的序列图应该模拟所有的保护操作。故障模拟有两种方法：定量比较和逻辑判断。定量比较方法通过比较实际值和整定的保护值来决定保护动作[1]。因为采用定量比较方法的故障模拟持续时间很长，所以这种方法不满足实际的需求。而采用逻辑判断方法的故障模拟是基于无电力系统故障计算保护规则，这种方法具有很好的实时性能。该仿真系统需要模拟多种类型的继电保护，而且保护之间的协调很简单，因此逻辑判断方法适合于水电站继电保护仿真培训系统。进行故障模拟的序列图涉及故障的对象，保护功能对象，电气元件的物体，保护装置等对象。仿真保护控制对象也应被包括在这图中，它协调这些对象的相互作用。图4描述了故障模拟的简单序列图。首先故障对象出发保护仿真控制的对象。根据故障的电气元件，故障类型，故障的属性，控制对象产生一系列保护功能的对象和类型。电气元件的状态会被保护功能对象改变。作为主保护，故障清除后备保护返回。保护控制对象在一些有序列上协调这些对象的行动，并且在不同时间该笔啊保护装置对象的状态。当所有电气元件恢复正常状态，所有保护装置回复原状时，保护仿真控制对象记录动作状态并结束此故障模拟。图4.简单故障仿真序列示意图生成的保护功能对象依赖于实体装置对象的数据的具体定义。断路器失灵保护和自动重合闸更值得注意。断路器失灵需要开启后备保护。自动重合闸是专门为电线和瞬时故障重启线路保护的。五．应用实例系统结构，数据模型和保护仿真模型的设计已经被某些大型水电站的继电保护仿真训练系统所应用。这种水电站有9个发电机和6条出线。每个发电机连接主要的变压器和发电机断路器。500KV变电站属于使用断路器5系列的4/3主接线。有103个保护面板，这些面板可以被划分成7种：发电励磁保护面板、主要改造高压变压器保护面板、电缆保护面板、反应堆保护面板、母线保护屏、线路保护板和断路器失灵保护板。172保护装置安装在这些保护板，并实现959保护功能。371类电气元件故障和27类的保护装置内部故障都包含在这个仿真系统。一台服务器，两个教练站的三个学员站都被配置在有以太网络的仿真系统中。Solaris操作系统被安装在这台服务器。WINDOWSXP操作系统被安装在工作站。为保护仿真，庞大的数据传输采用内存共享，数据概念模型时用实体关系法构建的，相应的关系数据库是由ORACLEDBMS实现的。该表可以分为三类：电气元件、保护和参数。工作站的软件是用具有优良的人机界面Delphi开发的。继电保护模型软件是通过给予设计类图和序列图面向对象的语言开发的。371个模拟测试显示了正确的保护动