摘要：本文對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)仿真校驗(yàn),進(jìn)行深入分析，在常用保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上，以通用性、方便性為原則，將保護(hù)裝置劃分四層結(jié)構(gòu)，按照保護(hù)實(shí)際原理，分解若干通用組件，最后形成建立實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行保護(hù)校驗(yàn)與評(píng)估系統(tǒng)。本文就此系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)功能作詳細(xì)介紹。該系統(tǒng)模擬實(shí)際保護(hù)裝置，采用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù),提高軟件模塊化,應(yīng)用在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行動(dòng)作行為分析。
　　關(guān)鍵詞：繼電保護(hù)，DDRTS仿真，仿真校驗(yàn)
　　隨著電網(wǎng)容量的擴(kuò)大和電壓等級(jí)的提高，對(duì)繼電保護(hù)四性的要求越來(lái)越高，使得保護(hù)種類繁多，保護(hù)裝置日益復(fù)雜。針對(duì)單一保護(hù)裝置的仿真系統(tǒng)，既無(wú)法滿足產(chǎn)品開發(fā)的需要，也無(wú)法滿足運(yùn)行人員培訓(xùn)的需要。隨著對(duì)保護(hù)原理研究的不斷深入，在應(yīng)用中的保護(hù)原理的作用范圍、保護(hù)算法的合理性和實(shí)用性、保護(hù)在特定故障下動(dòng)作是否正確，保護(hù)的動(dòng)作區(qū)能否滿足要求等，都需要對(duì)保護(hù)進(jìn)行校驗(yàn)并能給出合理的正確的評(píng)價(jià)。因而，開發(fā)一套通用的繼電保護(hù)仿真與評(píng)估系統(tǒng)有著重要的應(yīng)用價(jià)值。
　　繼電保護(hù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，所研究出來(lái)的任何新原理、新算法都必須經(jīng)過(guò)大量的驗(yàn)證，證明其確實(shí)可行之后，才允許投放到系統(tǒng)中去。在現(xiàn)階段，研究人員驗(yàn)證新的保護(hù)原理，一般有兩種途徑：一是利用單片機(jī)或者工控機(jī)作為核心做出保護(hù)裝置，采用匯編語(yǔ)言或者C語(yǔ)言編制相應(yīng)的軟件，通過(guò)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證保護(hù)算法的性能；二是利用電力系統(tǒng)故障仿真軟件仿真系統(tǒng)的各種故障狀態(tài)的暫態(tài)過(guò)程，以其所得的數(shù)據(jù)去測(cè)試、分析原理的正確性。然而，上述做法對(duì)于保護(hù)新原理的研究而言，卻存在這樣一個(gè)問(wèn)題：中間過(guò)程不清晰，不便于分析、尋找問(wèn)題。
　　對(duì)此，本文提出了將保護(hù)平臺(tái)按4層結(jié)構(gòu)劃分的指導(dǎo)原則。并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套通用繼電保護(hù)仿真系統(tǒng)。通過(guò)和一次實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)相連可以進(jìn)行保護(hù)閉環(huán)校驗(yàn)，也可以采用故障錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行離線校驗(yàn)。對(duì)各種裝置的保護(hù)原理和構(gòu)成可以做到直觀的仿真，還可以模擬實(shí)際保護(hù)裝置的面板,實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有繼電保護(hù)進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)各種保護(hù)整定規(guī)則進(jìn)行評(píng)估與研究。
　　1. DDRTS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)概述
　　DDRTS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)已經(jīng)具備完善的圖形建模、電氣設(shè)備參數(shù)設(shè)置、穩(wěn)態(tài)與故障實(shí)時(shí)仿真，其提供的數(shù)據(jù)可以用于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)校驗(yàn)與評(píng)估。
　　DDRTS系統(tǒng)的核心是電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件，利用此軟件可在微機(jī)上建立數(shù)字仿真系統(tǒng)，對(duì)所模擬系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真，并將待測(cè)裝置測(cè)試所需的電壓、電流等信號(hào)經(jīng)高速通信系統(tǒng)輸出。通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換及輸人輸出系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換和電壓、電流功率放大器送入待測(cè)裝置以進(jìn)行裝置的實(shí)時(shí)測(cè)試。同時(shí)，待測(cè)裝置的響應(yīng)信號(hào)可通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換及輸入輸出系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋回微機(jī)形成閉環(huán)測(cè)試。
　　2. 校驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
　　 數(shù)據(jù)庫(kù)管理
　　數(shù)據(jù)庫(kù)的管理是該系統(tǒng)的核心，大部分功能的實(shí)現(xiàn)都是以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心。本系統(tǒng)從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)到模型，或?qū)⒛Ｐ蛿?shù)據(jù)傳送到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，才能實(shí)現(xiàn)在線仿真校驗(yàn)。而且對(duì)于以往校驗(yàn)所保存的典型模型和報(bào)表文件等文檔管理所需數(shù)據(jù)也是來(lái)源于數(shù)據(jù)庫(kù)。保護(hù)仿真系統(tǒng)與數(shù)據(jù)源的關(guān)系如圖1：
　　 保護(hù)的評(píng)估
　　通過(guò)對(duì)保護(hù)校驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)以及保護(hù)報(bào)告進(jìn)行分析，可以檢驗(yàn)保護(hù)的動(dòng)作范圍，檢測(cè)在特定故障情況下保護(hù)是否能可靠動(dòng)作，給出保護(hù)動(dòng)作是否正確，算法是否合理，保護(hù)方案是否合理的評(píng)估結(jié)論。保護(hù)校驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際上是對(duì)保護(hù)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的專家系統(tǒng)，建立保護(hù)動(dòng)作行為分析的規(guī)則庫(kù)和事實(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)，建立合理的推理機(jī)制、解釋機(jī)制。
　　 軟保護(hù)的分層與構(gòu)造
　　通過(guò)對(duì)典型保護(hù)的分析，把典型的功能單元分離出來(lái)，使之成為通用于多種保護(hù)的具有特定功能的獨(dú)立單元，也就是基本模塊。基于上述思想，對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行分解如下：
　　第一層，各種保護(hù)的動(dòng)作邏輯
　　根據(jù)保護(hù)裝置的類型和要保護(hù)的一次設(shè)備種類，利用低層相關(guān)的元件搭成保護(hù)動(dòng)作邏輯，就能完成具體的保護(hù)功能，進(jìn)而可以組成一套完整的保護(hù)裝置。例如三段相間距離、三段接地距離、四段零序電流方向、高頻相間距離、高頻零序方向保護(hù)、三相一次重合閘可以構(gòu)成一套110kV大電流接地的線路保護(hù)。用分相式快速虛擬比相式電流突變量保護(hù)和比率制動(dòng)式電流差動(dòng)保護(hù)，可以構(gòu)成母線保護(hù)的主保護(hù)。總之，可以利用各種保護(hù)功能模塊搭建保護(hù)裝置，并完成保護(hù)任務(wù)，滿足實(shí)際應(yīng)用的不同需要。
　　第二層，動(dòng)作特性和保護(hù)判據(jù)層
　　本層是各種具體保護(hù)功能的動(dòng)作特性和動(dòng)作判據(jù)，例如PT斷線、CT斷線，線路保護(hù)中用到的阻抗特性、零序各段動(dòng)作判據(jù)、方向特性等，發(fā)電機(jī)比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)、不完全縱差保護(hù)、標(biāo)積制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)、發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)、裂相橫差保護(hù)判據(jù)等元件。將本層的模塊進(jìn)行邏輯組合并調(diào)用第三層模塊就可以實(shí)現(xiàn)一定的保護(hù)功能。
　　第三層，保護(hù)的基本功能元件
　　本層中的各保護(hù)元件是按照保護(hù)原理中用到的保護(hù)功能劃分，各元件盡量做到相互獨(dú)立，互不嵌套。根據(jù)保護(hù)種類不同，其中包括啟動(dòng)元件、選相元件、阻抗計(jì)算元件、差動(dòng)電流元件、制動(dòng)電流元件、時(shí)間元件、邏輯門、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出及各種其它電氣量的計(jì)算元件等，其中有些元件根據(jù)保護(hù)中用到的具體類別有不同子類元件，如：?jiǎn)��?dòng)元件包括突變量啟動(dòng)和零序輔助啟動(dòng)。
　　第四層，采樣數(shù)據(jù)的預(yù)處理
　　(1) 濾波、濾序和電壓電流的計(jì)算
　　本層包括基波和各次諧波的濾波運(yùn)算、濾序和電壓電流的計(jì)算。濾波算法包括傅立葉算法、沃爾希函數(shù)算法等[7]，還有一些將電氣量的運(yùn)算與動(dòng)作判據(jù)結(jié)合在一起的算法，例如，用離散值直接實(shí)現(xiàn)的方向阻抗繼電器的算法，利用輸電線路的簡(jiǎn)化模型寫成的微分方程直接計(jì)算輸電線路短路電阻和電感的算法等。根據(jù)保護(hù)原理和功能的不同選擇合適的濾波算法。濾序包括正序、負(fù)序、零序分量的求解，可以采用相量法或基于采樣值的算法。
　　(2) 數(shù)據(jù)的采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換
　　數(shù)據(jù)采樣的作用是將電流互感器二次、電壓互感器二次的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供保護(hù)微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，以確定系統(tǒng)是否發(fā)生故障。采樣保持模塊完成的功能就是在采樣時(shí)刻把模擬信號(hào)的瞬時(shí)值記錄下來(lái)，且在A/D轉(zhuǎn)換期間使被采樣的信號(hào)保持不變。
　　模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)際上可以認(rèn)為是一種編碼電路，它可以實(shí)現(xiàn)將模擬的輸入量UA相對(duì)于參考電壓UR經(jīng)過(guò)編碼轉(zhuǎn)換成n位二進(jìn)制數(shù)字量D。用二進(jìn)制表示為
　　D=B12-1+B22-2+…+Bn2-n
　　式中,B1-Bn為二進(jìn)制數(shù)的0或1，n為A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)
　　其中D是一個(gè)小于1的數(shù)，D=UA/UR,從而模擬信號(hào)可表示為UA=DUR。模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法有多種，可以是基于逐次逼近原理的，也可以采用電壓頻率第五層，由上述模塊并按照設(shè)計(jì)的保護(hù)邏輯圖搭建保護(hù)。
　　3. 繼電保護(hù)仿真校驗(yàn)與評(píng)估系統(tǒng)的界面
　　圖形化操作界面，使得保護(hù)校驗(yàn)系統(tǒng)的連接方便、直觀，參數(shù)調(diào)整也更加簡(jiǎn)單，方便。保護(hù)模塊的連接和參數(shù)調(diào)整示意圖如下圖：
　　仿真過(guò)程中可以跟監(jiān)視意模型變量數(shù)據(jù)的變化情況。既可以以浮點(diǎn)數(shù)形式顯示在模型邊，也可以以曲線的形式跟蹤波形變化。
　　4. 結(jié)論
　　隨著繼電保護(hù)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和深入，對(duì)微機(jī)保護(hù)仿真的要求也必然會(huì)越來(lái)越高，本文提出了在微機(jī)保護(hù)仿真系統(tǒng)中采用模塊化的建模思想并利用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)全面、完整、真正閉環(huán)測(cè)試的計(jì)算機(jī)仿真校驗(yàn)與評(píng)估系統(tǒng)。構(gòu)建模型時(shí)，可以隨時(shí)切換到運(yùn)行狀態(tài)，了解模型的運(yùn)行情況，而且可以實(shí)時(shí)修改模型參數(shù)和變量數(shù)據(jù)，干預(yù)模型的運(yùn)行，并可以用曲線監(jiān)視各模型變量數(shù)據(jù)的變化情況。
　　現(xiàn)階段平臺(tái)的缺點(diǎn)是，許多組件的算法不夠齊全，因而針對(duì)這些算法的校驗(yàn)還不能進(jìn)行。由于平臺(tái)良好的可擴(kuò)充性，隨著平臺(tái)應(yīng)用范圍的加大和實(shí)踐的積累，組件算法必將日益豐富。
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