0 引言

微機(jī)型線路保護(hù)裝置已經(jīng)在國(guó)內(nèi)各電力系統(tǒng)中得到廣泛使用，但由于其特有的復(fù)雜性，供電企業(yè)對(duì)微機(jī)保護(hù)的使用和維護(hù)一直處于較低的水平。隨著電力工業(yè)及仿真技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)繼電保護(hù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)逐漸增強(qiáng)，對(duì)仿真的逼真性、實(shí)用性、靈活性的要求也日益提高[1]。

目前，所有的繼電保護(hù)仿真系統(tǒng)都不能完全地仿真繼電保護(hù)裝置[2]，仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的僅僅是部分功能或特性，缺乏對(duì)繼電保護(hù)裝置整體性功能的仿真。例如文獻(xiàn)[3]開(kāi)發(fā)的以 RCS-901 為例的距離保護(hù)仿真軟件；文獻(xiàn)[4]開(kāi)發(fā)的繼電保護(hù)裝置動(dòng)作邏輯的仿真系統(tǒng)；文獻(xiàn)[5]開(kāi)發(fā)的以微機(jī)保護(hù)為基本建模單元的通用數(shù)據(jù)庫(kù)模型，等等。

繼電保護(hù)仿真系統(tǒng)的仿真方法主要有兩種：定值比較法和邏輯比較法[6-7]。邏輯比較法基于保護(hù)規(guī)制，實(shí)時(shí)性好[8]，但在某些運(yùn)行條件下仿真結(jié)果與實(shí)際情況有較大出入，仿真的逼真性較差[9]。定值比較法是將電力系統(tǒng)計(jì)算的電氣量與整定值相比較而實(shí)現(xiàn)故障判別的仿真方法，該方法與微機(jī)保護(hù)裝置的保護(hù)原理類似，逼真度高。

本文開(kāi)發(fā)的基于實(shí)際裝置的 500 kV 線路保護(hù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)采用定值比較法，對(duì)某 500 kV 變電站線路保護(hù)柜的功能進(jìn)行完整仿真。針對(duì)培訓(xùn)這一仿真目的，引入模擬運(yùn)行線路完成線路保護(hù)仿真裝置的動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試，引入繼電保護(hù)測(cè)試儀仿真裝置完成線路保護(hù)仿真裝置的保護(hù)調(diào)試，形成了集動(dòng)模試驗(yàn)仿真及調(diào)試仿真為一體的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)改進(jìn)了以往的電力系統(tǒng)仿真只能顯示簡(jiǎn)單的交互界面，對(duì)動(dòng)態(tài)、復(fù)雜畫(huà)面內(nèi)容表達(dá)能力欠佳；操作方式和操作界面單一；實(shí)時(shí)性不好[10]等不足，在逼真性、交互性、實(shí)時(shí)性等方面都有較好表現(xiàn)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1

模擬運(yùn)行線路的功能：電力系統(tǒng)運(yùn)行方式選擇（甲線、乙線同時(shí)運(yùn)行或甲線退出乙線運(yùn)行）；發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、系統(tǒng)等仿真線路參數(shù)的查詢與修改；故障點(diǎn)設(shè)置；開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)、保護(hù)動(dòng)作狀態(tài)、故障狀態(tài)顯示；潮流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。

故障計(jì)算：1）潮流計(jì)算。直接將發(fā)電機(jī)輸出功率減半，作為支路功率；根據(jù)功率計(jì)算發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和交軸暫態(tài)電勢(shì)。2）短路計(jì)算。假定發(fā)電機(jī)交軸暫態(tài)電勢(shì)和系統(tǒng)電壓不變，計(jì)算短路電流。

仿真系統(tǒng)由三部分組成：運(yùn)行線路、保護(hù)柜、繼電保護(hù)測(cè)試儀。運(yùn)行線路與保護(hù)柜構(gòu)成動(dòng)模試驗(yàn)仿真平臺(tái)，用于線路保護(hù)仿真裝置電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)；繼電保護(hù)測(cè)試儀與保護(hù)柜構(gòu)成保護(hù)調(diào)試仿真平臺(tái)，用于線路保護(hù)仿真裝置定值校驗(yàn)測(cè)試。

運(yùn)行線路：模擬一條典型的 500 kV 雙回線運(yùn)行線路，采用二分之三開(kāi)關(guān)接線。

保護(hù)柜：模擬某 500 kV 變電站的微機(jī)線路保護(hù)柜 。該保護(hù)柜 的主要布置 如下： RCS-931D 、RCS-925A、RCS-902D、電源開(kāi)關(guān)、切換開(kāi)關(guān)等。 繼電保護(hù)測(cè)試儀：模擬廣東電網(wǎng)范圍內(nèi)普遍使用的昂立 A460 及博電 PW466A 繼電保護(hù)測(cè)試儀。 2 仿真系統(tǒng)建模。

2.1 運(yùn)行線路模型

模擬運(yùn)行線路用于完成線路保護(hù)仿真裝置的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)。本系統(tǒng)仿真的運(yùn)行線路為500 kV 電壓等級(jí)，包含雙回線，二分之三開(kāi)關(guān)接線。

2.2 保護(hù)裝置模型

保護(hù)模型是繼電保護(hù)仿真系統(tǒng)的主要組成部分，也是仿真系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。基于定值比較法的保護(hù)模型根據(jù)輸入的電氣數(shù)據(jù)作出保護(hù)判斷，動(dòng)作特性不受運(yùn)行方式的影響。

2.2.1 模型設(shè)計(jì)

微機(jī)線路保護(hù)裝置的軟件工作流程如圖 3 所示 。 本 文 開(kāi) 發(fā) 的 微 機(jī) 線 路 保 護(hù) 裝 置（RCS-902D/RCS-925A/RCS-931D）依據(jù)此工作流程開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，對(duì)于不同的裝置，其仿真流程一致，區(qū)別在于流程中各部分的具體實(shí)現(xiàn)不一樣。仿真系統(tǒng)工作流程的功能設(shè)計(jì)如下：

1）采樣程序：對(duì)故障電壓、故障電流、開(kāi)關(guān)量等電氣量進(jìn)行采集；

2）啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)判據(jù)的計(jì)算，根據(jù)是否滿足條件進(jìn)入正常程序或故障計(jì)算程序；

3）正常程序：開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)檢查、交流電壓斷線檢查、交流電流斷線檢查、重合閘充電等；

4）故障計(jì)算程序：各種保護(hù)的算法計(jì)算、跳閘邏輯判斷、事件報(bào)告、故障報(bào)告、波形整理；

5）整組復(fù)歸：**臨時(shí)標(biāo)志、收回各種操作命令，保護(hù)裝置返回到故障前的狀態(tài)，為下一次保護(hù)動(dòng)作做準(zhǔn)備。

2.2.2 關(guān)鍵問(wèn)題

判斷故障是否在保護(hù)的范圍內(nèi)是保護(hù)裝置模型設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的線路保護(hù)仿真裝置對(duì)實(shí)際線路保護(hù)裝置的動(dòng)作邏輯及各保護(hù)算法進(jìn)行仿真，使保護(hù)仿真裝置能作出與實(shí)際裝置一致的保護(hù)動(dòng)作。在設(shè)計(jì)保護(hù)模型時(shí)，將線路保護(hù)裝置各保護(hù)配置模塊化處理，滿足啟動(dòng)條件時(shí)進(jìn)入相應(yīng)的保護(hù)模塊進(jìn)行保護(hù)判斷。

下面僅以 RCS-931D 的三段式接地和相間距離保護(hù)為例，介紹線路保護(hù)仿真裝置保護(hù)模塊的開(kāi)發(fā)。 １）保護(hù)動(dòng)作邏輯保護(hù)動(dòng)作邏輯是保護(hù)模塊的基礎(chǔ)，根據(jù)測(cè)量比較元件輸出邏輯信號(hào)的性質(zhì)、先后順序、持續(xù)時(shí)間等，判定故障的類型和范圍，*后確定是否發(fā)出跳閘、重合閘、不動(dòng)作等信號(hào)。除啟動(dòng)元件和延時(shí)元件外，保護(hù)動(dòng)作邏輯可視為一個(gè)二值系統(tǒng)的組合，即由這些二值元件的組合實(shí)現(xiàn)特定的功能[4]。由此將保護(hù)動(dòng)作邏輯加以簡(jiǎn)化，認(rèn)為保護(hù)動(dòng)作邏輯傳遞的主要是開(kāi)和關(guān)的信號(hào)，即“0”和“1”的信號(hào)，這樣保護(hù)動(dòng)作邏輯就可以簡(jiǎn)化為一個(gè)二值系統(tǒng)[11]。對(duì)保護(hù)動(dòng)作邏輯仿真可簡(jiǎn)化為對(duì)該二值系統(tǒng)的分析仿真。

RCS-931D 的三段式接地和相間距離保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖 4 所示。該保護(hù)動(dòng)作邏輯由測(cè)量比較元件、開(kāi)放元件、保護(hù)啟動(dòng)、壓板投入等按照一定的邏輯（“與”、“或”、“非”等）并與延時(shí)元件配合而成。該仿真系統(tǒng)基于定值比較法，保護(hù)動(dòng)作邏輯中的測(cè)量比較元件涉及電氣量比較運(yùn)算，具體計(jì)算見(jiàn)保護(hù)算法。

２）保護(hù)算法

采用定值比較法的保護(hù)算法的實(shí)現(xiàn)：通過(guò)輸入的電氣量與給定的值比較，根據(jù)比較結(jié)果，給出“真”、“假”、“0”、“1”性質(zhì)的一組邏輯信號(hào)，從而判斷保護(hù)是否應(yīng)該啟動(dòng)。三段式距離保護(hù)，阻抗繼電器由正序電壓極化，對(duì)不對(duì)稱短路有較大的保護(hù) 過(guò) 渡 電 阻 的 能 力 。 其 動(dòng) 作 方 程 為 ： o o

op p ?90 < arg (U U ) < 90 ，其中：Uop 為工作電壓，UP為極化電壓。距離保護(hù)的保護(hù)算法通過(guò)計(jì)算輸入電氣量是否滿足動(dòng)作方程而給出“真”、“假”性質(zhì)的邏輯信號(hào)，從而用于判斷距離保護(hù)是否該啟動(dòng)。三段式距離保護(hù)各段工作電壓及極化電壓的算法.參數(shù)說(shuō)明：φ –A，B，C；φφ –AB，BC，CA；ZZD為整定阻抗；K 為零序補(bǔ)償系數(shù)；I0為零序電流；UOPφ，UOPφφ 為工作電壓；UPφ ，UPφφ為極化電壓；U1φ ，U1φφ為記憶故障前正序電壓；θ1，θ2 為移相角。

2.3 繼電保護(hù)測(cè)試儀模型

線路保護(hù)裝置的保護(hù)調(diào)試通過(guò)繼電保護(hù)測(cè)試儀來(lái)完成，本文設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)測(cè)試儀仿真裝置依據(jù)各線路保護(hù)裝置的調(diào)試大綱，模擬了如下試驗(yàn)項(xiàng)目：電壓/電流、距離保護(hù)、零序保護(hù)、工頻變化量保護(hù)、阻抗特性、阻抗繼電器等。仿真的繼電保護(hù)測(cè)試儀能完成表 1 所示的各保護(hù)的測(cè)試。

繼電保護(hù)測(cè)試儀的各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由如下模塊成： 

1）參數(shù)設(shè)置模塊：模擬實(shí)際裝置的參數(shù)設(shè)置界面，如整定值、整定倍數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)、開(kāi)關(guān)量等參數(shù)設(shè)置。

2）輸出顯示模塊：試驗(yàn)過(guò)程中的電壓、電流實(shí)時(shí)輸出顯示界面，如：矢量圖、輸出監(jiān)視、歷史曲線等。

3）試驗(yàn)結(jié)果模塊：整理試驗(yàn)結(jié)果，生成實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4）輸出算法模塊：測(cè)試儀的核心部分，測(cè)試結(jié)果是否正確的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)測(cè)試儀仿真裝置模擬了實(shí)際裝置的內(nèi)部輸出算法，具有與實(shí)

際裝置一致的輸出，可保證調(diào)試結(jié)果的正確性。 3 開(kāi)發(fā)及應(yīng)用介紹

綜合考慮網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、執(zhí)行效率、顯示效果等因素，該仿真系統(tǒng)采用 Flash CS4 開(kāi)發(fā)。Flash CS4 是當(dāng)前流行的動(dòng)畫(huà)制作軟件，它把向量圖的**性和靈活性與位圖、聲音、動(dòng)畫(huà)、**交互性融合在一起，能夠創(chuàng)作出**吸引力的動(dòng)畫(huà)效果，使培訓(xùn)效果事半功倍，且其制作的動(dòng)畫(huà)文件較小，適合網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

本文開(kāi)發(fā)的 500 kV 線路保護(hù)仿真系統(tǒng)應(yīng)用于廣東電網(wǎng)公司教育培訓(xùn)中心的線路保護(hù)遠(yuǎn)程培訓(xùn)系統(tǒng)中。通過(guò)與實(shí)際裝置的對(duì)比表明該仿真系統(tǒng)具有極高的逼真度：

(1) 一致的操作界面。線路保護(hù)仿真裝置及繼電保護(hù)測(cè)試儀仿真裝置具有與實(shí)際系統(tǒng)一致的操作界面，使用戶有身臨其境的感覺(jué)。該仿真系統(tǒng)對(duì)保護(hù)柜操作界面進(jìn)行仿真，保護(hù)柜上的開(kāi)關(guān)關(guān)合、壓板投切、保護(hù)屏的小鍵盤(pán)等操作均與實(shí)際系統(tǒng)一致，且真實(shí)有效；繼電保護(hù)測(cè)試儀仿真裝置中的參數(shù)設(shè)置、圖形顯示、試驗(yàn)報(bào)告等界面也與實(shí)際裝置一致。 (2) 一致的保護(hù)動(dòng)作。針對(duì)不同的故障，線路保護(hù)仿真裝置能正確動(dòng)作。線路保護(hù)仿真裝置像實(shí)際裝置一樣區(qū)分出動(dòng)作邊界，反向故障時(shí)能正確區(qū)分出方向。

(3) 一致的故障輸出。仿真的運(yùn)行線路的潮流計(jì)算無(wú)誤，且滿足實(shí)時(shí)性要求；繼電保護(hù)測(cè)試儀仿真裝置具備與實(shí)際系統(tǒng)一致的輸出。總體看來(lái)，該仿真系統(tǒng)在實(shí)用性、逼真性、靈活性等方面均有很好的表現(xiàn)，能滿足培訓(xùn)的要求。

 4 結(jié)語(yǔ)

本仿真系統(tǒng)采用面向?qū)嶋H裝置的思想，以廣東電網(wǎng)廣泛使用的線路保護(hù)裝置為研究對(duì)象，針對(duì)培訓(xùn)這一特殊目的，引入了繼電保護(hù)測(cè)試儀仿真裝置進(jìn)行測(cè)試仿真，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行仿真培訓(xùn)。該仿真系統(tǒng)具有界面友好、操作簡(jiǎn)捷、功能齊全等特點(diǎn)，適用于線路保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員的仿真培訓(xùn)，對(duì)于其他的微機(jī)型繼電保護(hù)仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)也有一定的借鑒意義。