電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的數(shù)字化仿真研究

王 雙 韓冰冰

(許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 許昌 461000)

1 研究背景

目前，對(duì)電網(wǎng)中繼電保護(hù)系統(tǒng)的校驗(yàn)仍然處于裝置級(jí)水平，即僅僅對(duì)單臺(tái)(套)繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行硬件性能、邏輯功能、動(dòng)作特性等方面的檢驗(yàn)，而對(duì)于關(guān)系到繼電保護(hù)設(shè)備能否正確動(dòng)作的整定值的合理性及準(zhǔn)確性無法進(jìn)行檢驗(yàn)。由于電力系統(tǒng)故障的瞬時(shí)性、突發(fā)性、破壞性以及故障過程的不可逆轉(zhuǎn)性，現(xiàn)有的技術(shù)手段尚不能對(duì)電網(wǎng)各級(jí)保護(hù)定值進(jìn)行系統(tǒng)的檢驗(yàn)。

在電力系統(tǒng)的發(fā)展歷程中，仿真一直發(fā)揮著積極的作用。近十年來，由于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真取得了許多突破性進(jìn)展，電力系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展非常顯著，應(yīng)用面也更加廣泛。事實(shí)上電力系統(tǒng)仿真已覆蓋了電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、測(cè)試及運(yùn)行的全過程。

2 數(shù)字化仿真系統(tǒng)

DDRTS(數(shù)字動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng))是基于微機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，集系統(tǒng)仿真和實(shí)時(shí)測(cè)試功能于一體，是全數(shù)字化的動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)。DDRTS 可以準(zhǔn)確模擬電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)過程，不僅是研究電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行的強(qiáng)有力工具，而且可應(yīng)用于裝置的實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試。DDRTS 為提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平發(fā)揮了積極作用。

3 仿真流程

3.1 用DDRTS 建立一次系統(tǒng)的模型

DDRTS 包括豐富的電力系統(tǒng)元件模型，如發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置、電動(dòng)機(jī)、變壓器、負(fù)荷、斷路器等，能根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況設(shè)置仿真元件具體參數(shù)、接線的方式等，并對(duì)一次系統(tǒng)的參數(shù)做出精確的分析計(jì)算，使得輸出與實(shí)際系統(tǒng)相同的電壓和電流波形。用戶可以通過圖形界面對(duì)一次系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且可以修改電路和元件的參數(shù)，靈活的改變一次接線方式，從而對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行完整的精確的模擬仿真。

3.2 用圖形化仿真平臺(tái)進(jìn)行二次系統(tǒng)的建模

3.2.1 建模原理

圖形化的仿真支撐平臺(tái)系統(tǒng)是電網(wǎng)二次系統(tǒng)各種保護(hù)繼電器的數(shù)字化模型的構(gòu)建以及驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的平臺(tái)工具。

電力系統(tǒng)的二次系統(tǒng)部分種類繁多而又結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含多種不同的設(shè)備，我們將工作方式和功能相同的設(shè)備化為一類，用一段代碼來描述這些設(shè)備存在的共性，而將其特性部分分離出來，用其它參數(shù)來表示，那么這段能描述設(shè)備共性的代碼就稱為算法，共性是一成不變的，但特性因設(shè)備而異。

實(shí)際設(shè)備之間是相互聯(lián)系的，它們之間存在某些信息交換和連接。那就意味著仿真系統(tǒng)中的模塊與模塊之間存在相互聯(lián)系，只要將輸入變量名與輸出變量名設(shè)置為同一名稱，也就在這對(duì)輸入、輸出點(diǎn)之間建立了連接，就能夠?qū)崿F(xiàn)信息交換，將上一模塊的運(yùn)算結(jié)果傳遞為下一模塊。

3.2.2 圖形化模型的構(gòu)建

圖形化建模主要包括算法圖元管理以及圖形化模型構(gòu)建兩部分:

算法圖元管理主要是實(shí)現(xiàn)算法的分類管理、算法圖元信息編輯定義、算法圖元管腳的定義、算法輸入輸出與圖元輸入輸出管腳的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及算法其它屬性的定義等;圖形化模型構(gòu)建則是用算法圖元形成模型特定的圖形化的模塊，用圖形化方式建立模型、編輯模型、調(diào)試模型。

系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，將算法圖元定義為一個(gè)類，該類為圖元集合類，即算法圖元是由多個(gè)單一圖元甚至復(fù)雜圖元組成，如果多個(gè)模塊構(gòu)成的模型是一個(gè)復(fù)雜圖元，則可以很方便地將該模型也定義為一個(gè)算法。

在運(yùn)行狀態(tài)下每個(gè)模塊都動(dòng)態(tài)顯示模型運(yùn)行中輸入輸出量的值，對(duì)于連接邏輯量的連接線，還根據(jù)邏輯狀態(tài)變化連接線的顏色，并且對(duì)于各個(gè)輸入輸出變量，可以用多種方式監(jiān)視其變化過程。

3.3 一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)的連接

在本系統(tǒng)中采用DDRTS 構(gòu)建電網(wǎng)一次系統(tǒng)的精確模型，并采用電磁暫態(tài)算法;而二次系統(tǒng)繼則采用國內(nèi)先進(jìn)的圖形化仿真支撐平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)建各種保護(hù)設(shè)備的數(shù)字化模型，兩系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換以及相互指令控制。利用計(jì)算機(jī)仿真這一先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)電網(wǎng)的第二道防線進(jìn)行模擬。

DDRTS 將通過電磁暫態(tài)計(jì)算出的每個(gè)步長的運(yùn)算結(jié)果送入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)中的保護(hù)裝置只能從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)。一旦保護(hù)裝置發(fā)生動(dòng)作，相應(yīng)的動(dòng)作信息將通過指令傳遞給DDRTS 系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)計(jì)算完一個(gè)步長后，將數(shù)據(jù)寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，并通知二次系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)，并等待二次系統(tǒng)的響應(yīng)。二次系統(tǒng)得到通知后，從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)將獲取信息的時(shí)間告訴各個(gè)模塊，由各模塊自行處理，并將計(jì)算結(jié)果寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，而后通知一次系統(tǒng)讀取并進(jìn)行下一步長的計(jì)算。

在構(gòu)建二次系統(tǒng)模型時(shí)，需要與一次系統(tǒng)建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，實(shí)際上是與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于仿真系統(tǒng)采用了接口算法的方式。，樣在用接口算法生成模塊時(shí)，只要選擇相應(yīng)的一次設(shè)備如開關(guān)名稱、母線名稱就能實(shí)現(xiàn)與一次系統(tǒng)的連接。

在仿真支撐平臺(tái)系統(tǒng)上對(duì)一個(gè)開關(guān)的保護(hù)建立在同一個(gè)圖頁上，這樣在一次系統(tǒng)圖上點(diǎn)擊開關(guān)，查看其保護(hù)配置時(shí)，將給仿真支撐平臺(tái)系統(tǒng)發(fā)送圖頁調(diào)出命令，在仿真支撐平臺(tái)系統(tǒng)上將自動(dòng)顯示該開關(guān)所配保護(hù)信息。

4 小結(jié)

本項(xiàng)目提出了在建立電網(wǎng)一次精確模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立二次系統(tǒng)的主要構(gòu)成元件——各種保護(hù)繼電器的數(shù)字化模型，從而搭建整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字化模型，利用計(jì)算機(jī)仿真這一先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)電網(wǎng)的第二道防線進(jìn)行模擬，使二次系統(tǒng)定值配置合理性、準(zhǔn)確性無法全面驗(yàn)證的難題從根本上得到解決，能有效避免因整定失誤造成不可預(yù)見的電網(wǎng)事故。

［1］李志興，蔡澤祥，許志華;繼電保護(hù)裝置動(dòng)作邏輯的數(shù)字仿真系統(tǒng).電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(14).

［2］郭征，賀家李，楊洪平;.電力系統(tǒng)故障時(shí)繼電保護(hù)裝置動(dòng)態(tài)特性的數(shù)字仿真，電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(11):38－40.