电力系统故障时继电保护装置动态特性的数字仿真分析

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摘要：本文提出了一种计算机软件，它可以对任何继电保护装置的结构进行模拟，该软件和电力系统的动态模拟或者是其它的故障再现设备相比就有很多的优点，比如成本低、省时以及灵活性好等。文中主要对该计算机软件的仿真原理、结构、功能以及特点等进行了分析。

关键词：电力系统；继电保护；动态特性；数字仿真

中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：

在电力系统发生故障时，其运行的安全性以及可靠性在很大程度上会受到继电保护动态特性的影响，但是在实验室里面却无法准确的将真实情况表现出来。当前解决此类问题的方法主要有两种，一种是通过电力系统动态模拟装置对故障进行模拟，校验继电保护，该种方法是最传统的方法具有灵活性差、费时费力、成本高等不足；另外一种是通过故障再现设备实现故障期间电压以及电流数字量向模拟量的转换，并在博爱和继电器中将其输入进而对它的动作行为进行观察。该种方法必须要与故障再现以及测试设备，其是非常昂贵的，而且对装置内部程序的逻辑以及元件配置情况无法观察，只对已有的设备具有适用性。文中所提出软件对可以实现任何继电保护装置元件及其组成系统的模拟，使用EMTP对故障期间的相关数据进行仿真，对其动态特性进行校验。该种方法可以随意改变保护装置的结构、电力系统的结构、故障地点以及故障类型等。对现有的或者是正在研制中的保护装置都具有适用性，它几乎有成本低以及效率高等优点。文中的软件采用了Wisual C++6.0语言作为开发工具。

软件的动态仿真原理分析

使用程序模块来实现继电保护装置包括电压元件、电流元件、阻抗元件、功率方向元件、时间元件、差动元件以及各种逻辑元件在内的各种功能元件。仿真时将这些功能元件通过图形操作来组成软件框图；对正在研制的保护装置或者是即将投入运行的保护装置进行校验时，根据投入运行电力系统的结构以及参数，通过EMTP仿真获得相关的参数值并将其输入到保护软件框图的测量元件当中，对保护元件的动作以及它们之间的时间配合关系进行观察，最后就可以观察到保护装置整体的动作情况；对于已经投运的保护装置，对故障的原因分析分方法和以上的方法是一样的。一般动态仿真可以通过连续仿真、断点方针以及单点仿真这三种方式来实现。可以根据实际情况对仿真度的速度进行调节。

保护元件的结构

文中所设计的软件如图1所示，该软件采用了面向对象的编程技巧，保证了其的层次性以及易扩展性。该种结构也和面向对象的特性是相符的。首先进行基类元件类的构造，它集所有元件的特性于一身，可对其进行复制、移动以及删除等操作。时间元件、逻辑元件、测量元件以及其它元件就是由基类派生的来的，其中测量元件主要包括电压、电流、功率方向以及阻抗元件，要将电压以及电流采样点谐波分析结果输入到这些元件当中；在逻辑元件中应输入与之相关元件的动作情况。其它元件主要包括启动元件、电流以及电压互感器断线检测元件等。对于所有测量元件得到的测量值均可视为一个数学公式的计算值。

图1保护元件结构图

软件的结构、功能以及特点

3.1软件的结构

下图图2为软件的结构图，在进行动态仿真之前用户应通过软件的编辑功能将保护的逻辑框图绘制出来，且选取一组故障电流和电压的数据，根据保护的实际要求做好滤波计算，将处理之后的数据输入到测量软件当中进保护仿真。在仿真是对每按照顺序对每一软件进行查询，对于测量元件应该根据其电压、电流、公路方向以及阻抗等来确定出合适的公式将测量值计算出来，然后将其和定值放在一起进行比较，如果满足要求就发生动作；逻辑元件是否动作主要是根据和它输入端连接在一起的元件的动作情况决定的。为了提示用户，发生动作之后的元件出口位置会变成红色。所以元件每循环一次时钟会随着向前走一个步长，其是可以可以进行调节的，为了确保仿真的正确程度，对循环一次后的时间步长应进行检查看它是否比两个采样点之间的间隔大，以免造成忽略掉某些采样点造成元件状态的变化，导致仿真结果不准。在查询完所有的元件之后才能拨动仿真时钟，所以仿真结果不会受到程序快慢的影响。

图2软件结构图

3.2软件的功能特点

3.2.1图形化操作

文中所开发的是一个图形化的仿真软件，继电保护逻辑框图的编辑功能作为软件的基本功能。为了使得所开发的图形编辑功能可以很容易的和各种分析功能的接口相连接，向它们提供统一的图形用户界面，所以要确保所开发系统的独立性较高，同时确保其具有易扩充性。文中所开发的保护框图编辑系统具有的功能和特点有：第一，给各种不同的保护元件提供了相应的绘图工具，通过其可绘制各种元件，操起起来简单方便；第二，可以对各种元件进行包括移动、复制、删除等在内的操作，亦可对整块对图形进行操作，所以的操作和Windowsz的标准操作相一致；第三，具有和AutoCAD一样的对敏感点的捕捉功能。其可依据各个元件在图形中所处的位置将它们之间的关系确定出来，这样在绘图中就可以省掉很多工作，由于无需输入网络拓扑连接关系的工作，也就不会有出错情况出现。软件还可以实现对保护框图连接线的错误进行自动检测。

3.2.2其它功能

第一，滤波的各种算法均可提前编好，所以用户可以根据实际需求来选择算法，这样就很容易对各种原理的保护进行仿真；第二，在数据库里面存有继电保护的定值，这样在框图上可直接检查和修改保护定值，对其的校验也显得很简单了。对元件进行双击在弹出的对话框中可以对元件的编号以及特性进行修改；第三，该软件中，用户只需将数条简单的直线和圆弧给出任意种类的动作特性就会形成，也就是说其实现了阻抗元件的自定义特性；第四，通常在保护框图中对逻辑元件使用的比较多，在绘制时经常需要对其属性以及输入端的个数进行变更，基于此种情况，该软件开发除了具有自定义功能的逻辑元件，这样就使得用户绘制更加方便；第五，此软件所使用的数据符合我国电力行业的相关标准，是我国故障动态记录设备暂态数据交换的标准格式，因此其具有较强的适用性；第六，通过该软件可以获得很多的图形和曲线；第七，可根据需要选择仿真到底是单步进行还是连续进行，这样用户就可以很清楚的对故障时包含汇总所以元件的动作情况以及它们之间的时间配合关系进行观察，以实现运行过程中保护发生误动作原因的查找。除此之外，软件还可以读设计阶段保护的性能进行分析，在很大程度上可以新型保护研制所需要的时间。

接口问题分析

通常真实感受故障的数据位于A/D变换后的数据线上，故障数据是通过保护定时中断获取的，但是在故障录波器中的数据是数字量，这时出现的问题就是二者的采样率不同，若需要使用这些数据就需要对其进行转换，使得采样率保持一致，具体的解决方法可以参考Comtrade格式标准。

结束语

综上所述，文中提出的软件具有使用方便、功能齐全、成本低以及适用性强等优点，可将其用于对继电保护装置的设计开发以及故障分析中，在人员的培训以及调试方面也可以使用。在这里需要说明的是，该软件作为对保护装置进行分析的软件，硬件还是需要通过动态模型以及故障再现设备进行测试。文中已经分析了该软件的整体框架，还需要进行滤波计算以及各种功能软件的编制，其正在进行。在很大程度上软件仿真的真实性这准确性都会受到各种元件实现算法和真正保护装置之间的一致性程度的影响，因此希望各个生产厂家积极配合，向用户和相关厂家提供质量性能更好的工具。

参考文献

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