（电力系统及其自动化专业论文）继电保护动态仿真系统的研究与开发.pdf

a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e rs y s t e r mo fc h i n ai nr e s e n ty e a r s t h e p o w e rn e t sb e c o m el a r g e ra n dt h ei n t e r c o n n e c t i o n so f t h en e t sa r em o r e c o m p l i c a t e d , a l l o ft h a tm a k et h ef a u l t p r o b a b i l i t yi n c r e a s e t h ea c t i o n so fr e l a y p r o t e c t i o nd u r i n gf a u l t sw i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h es e c u r i t yo ft h ep o w e r s y s t e r m , s oi ti s v e r ym e a n i n g f u lt ot h e o r e t i c sa n d p r a c t i c a b i l i t yi nc h a n g i n gt h ew a yo ft e s t i n gr e l a y p r o t e c t i o ne q u i p m e n tf r o ms t e a d y - s t a t et ot r a n s i e n t s t a t e a st h ep o p u l a r i z a t i o no fc o m p u t e rr e l a y p r o t e c t i o n , t e s t i n gc o m p u t e rr e l a y p r o t e c t i o ne q u i p m e n t s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cb yp o w e rs y s t e md y n a m i cs i i i m l a t o ra u s w e l la sr e a lt i m ed i g i t a ls i m u l a t o ri sm o s tp o p u l a r d y n a m i cp e r f o r m a n c ec h e c k h l g m e t h o do fp r o t e c t i v er e l a y i n gd e v i c e sd u r i n gf a u l t su s i n gd y n a m i cm o d e lo fe l e c t r i c p o w e rs y s t e mo rs oc a l l e df a u l t r e p r o d u c i n gd e v i c e si sv e r ye x p e n s i v e 1 e s sf l e x i b l e a n dt o i l s o m e t h i sp a p e rp r o p o s e sa n da p p l i c t i o ns o f t w a r e ，w h i c hi s b a s e do nt h e r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o po fs i m u l a t i n gs y s t e mo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o f r e l a yp r o t e c t i o n ，m a i n l yu s i n ga d v a n c e dc o m p u t e rl a n g u a g e ss u c ha so o pv i s u a l c + + 6 0a n df o r t r a n t h ed a t ao fi e e es t a n d a r dc o m m o nf o r m a tf o rt r a n s i e n td a t ae x c h a n g ef o r p o w e rs y s t e mi su s e da s i n p u ts i g n a l s ，b a s e do nt h a td y n a m i cs i m u l a t i o ns y s t e m d e v e l o p e ds o m en e wf u n c t i o n si n c l u d i n gd a t aa n a l y s i n g ，f a u l td i a g n o s i n g ，d i s t a n c e p r o t e c t i o n ，d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no ft r a n s f o r m e ro fr a t i o b r a k i n gs t y l et h r o u g h w h i c hm a n yk i n d so ft r a n s f o r m e rf a u l t yp r o c e s sc a nb er e p r o d u c e d a tt l l es 锄e t i h l e b ya n a l y s i n gt h ee x c i t i n gi n r u s hc u r r e n tr u l ee x a c t l y ，t h ej u d g e m e n t sm a d eb yk 洫d s o fe x c i t i n gi n r u s hc u r r e n tc r i t e r i o nc a nb et e s t e d b e s i d e s ，l o t so fs i m u l a t e dd a t ag o t f r o ml o c a l e ，e m t d ca n dr t d sa r et e s t e db yt h ed y n a m i cs i m u l a t i o ns y s t e m 。a l lo f t h a tp r o v e dt h ec o r r e c t n e s so ft h i sp a p e r m a n yk i n d so f f a u t l ya r ea l s ou s e dt oa n a l i s e d t h er e l a yd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci nt h i s p a p e r k e yw o r d s ：e l e c t r i c p o w e r s y s t e r n , r e l a yp r o t e c t i o n , d i g i t a ls i m u l a t i o n ，d y n a i 】缸c c h a r a c t e r i s t i c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志埘本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：妊签字r 期：沙年多月期 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：溉荔导师签名： 签字同期：沏多年乡月 - r签字闩期：矽鲫子年月 7 f i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着中国经济的高速发展和基础工业设施的大规模建设，我国电网的规模和 容量越来越大。继电保护装置作为电网的智能保护控制装置与系统，在电力系统 中发挥着重要作用。当发生故障时，要求保护装置应能够迅速有选择的切除故障， 防止故障的进一步扩大，尽可能减少电网和电力用户的损失。因此，性能优良、 功能齐全的继电保护装置是电力系统安全，经济可靠供电的主要保证，如何尽可 能的保证继电保护装置的安全可靠工作也成为保护工作者所不断追求的目标。 伴随着电子技术，通讯技术的发展，我国继电保护装置从上世纪六十年代至 今，经过了电磁型、整流型、晶体管型以及集成电路保护，直至上世纪九十年代 以后发展成为微机型保护装置。微机保护装置具有维护调试方便，可靠性高，灵 活性大，易于获得附加功能的优点。鉴于微机保护装置具有优异的性能，目前己 全面取代传统的模拟式保护装置。 与其他类型的继电保护装置相比，微机型保护装置最重要的特点体现在以下 两点：第一、微机保护的计算功能。正是微机型保护装置引入微处理器及其他相 关硬件系统，使得一系列的保护装置可采用通用的硬件平台，而微机保护可利用 微处理器强大的计算能力实现性能更加完善、原理更加可靠的保护装置。因此， 微机保护的计算能力使得继电保护领域的原理得到发展与突破，准确掌握传统和 新颖保护原理、合理应用并校验电网中的保护装置成为提高继电保护可靠性、保 证电网安全的重要措施。第二、微机保护的存储功能。由于微机保护的硬件系统 配置有相应的存储芯片，可用来存储故障录波数据，使得微机保护装置的动作情 况有据可查。同时，随着电网中微机型故障录波器的大量应用以及各类电力系统 电磁暂态仿真程序的出现，故障录波或仿真数据很容易得到，这为继电保护工作 者对事故进行客观准确的分析奠定了基础。因此，利用故障录波和仿真数据对继 电保护装置的动态行为进行校验和测试对于提高继电保护可靠性、以及继电保护 工作者自身的业务素质都具有重要意义。 第一章绪论 然而，利用故障录波数据和仿真系统对继电保护进行动态校验的手段有限，如 果利用电力系统动态模拟或者其他仿真测试设备来再现故障期间继电保护的动 态特性，成本很高，灵活性较差，另外，模拟系统的接线也相对复杂费时。这样 一来，对于快速成熟的掌握微机保护装置的特性或开发新一代微机保护装置都将 大大的不利。针对于此，本文研究并开发了一种新颖的继电保护动态仿真系统， 在计算机上进行各种保护的动态特性仿真。该系统可以通过读取国际标准格式的 录波数据以实现各种保护类型的仿真，即可实现保护装置动作特性、定值等参数 的自定义和设置，用一种动态直观的形式呈现给保护工作者。这种方法灵活方便， 可以任意改变保护动作特性、动作方程以及保护定值等参数。本系统可以用于继 电保护装置的研究设计阶段，或用于运行中保护装置的事故分析和校验，也可以 用于继电保护学科的教学和实验。该仿真系统具有效率高、费用低等诸多优点。 1 2 继电保护动态仿真的发展现状 自1 9 8 4 年国内第一台微机型高压输电线路保护装置投入运行以来，微机继 电保护的发展十分迅速。与之相适应，微机继电保护测试、仿真设备也取得了长 足的进步，已完成了由传统的模拟式继电保护测试设备向微机继电保护测试、仿 真设备的发展过程。 传统的微机型继电保护测试仪器采用微机产生数字信号，经过i o 扩展结构 电路、d a 转换电路、波形平滑电路、电压源功率放大器，产生模拟输出给保护 装置的硬件结构。这一类继电保护测试仪对继电保护装置通常仅能实现静态测 试，即通过产生不同幅值的电压、电流信号，测试继电保护装置的逻辑是否正确， 接线是否可靠。i e e e 电力系统继电保护专委会的一个工作组1 9 9 8 年发表的一份 专业报告阐述了继电保护测试的数字仿真性能要求，强调了继电保护测试将从常 规的稳态测试过渡到实时数字仿真测试的重要性。实时数字仿真技术实现继电保 护装置全面、完整的测试是一种发展趋势，必将得到广大继电保护工作者的认同， 有着良好的应用前景。 为此，微机型继电保护测试仪进行了改进，可利用以下两种方法实现电力系 统故障过程中电磁暂态条件下继电保护装置的仿真测试：1 、采用数据回放式， 即仿真之前预先用电磁暂态仿真程序将要考虑的各种故障进行计算，并把计算结 第一章绪论 果保存再数据库中，仿真时直接调用这些数据，并将其转换成电气模拟量对保护 装置进行测试。此方法的优点是可以对比较复杂的系统作各种故障，比较全面。 缺点是无法实现闭环测试，使用不方便，缺乏真实感。2 、采用建立电力系统简 单数学模型进行实时求解。此方法能够方便的实现闭环测试，但是如果要做到实 时性，就只能建立一个很小的典型系统并且仿真用的数学模型好坏直接影响其精 度。 然而，改进后的故障测试仪虽然都能测试继电保护装置在电力系统故障时的 动态特性，但其共有的缺点都是只能反应出保护在特定的系统故障情况下是否动 作，而不能反应出保护装置各个环节究竟如何配合动作，更不能在保护装置未完 成前或调试中对保护的动态特性和动作方程的设计方案给予指导和验证。 随着电力系统数字仿真和d s p 技术的发展，出现了实时数字仿真测试系统， 如加拿大r t d s 公司的r t d s 系统、法国e d f 公司的a r e n e 系统、加拿大魁 北克t e q s i m 公司的h y p e r s i m 系统等，国内也涌现出一批从事实时数字仿真 系统的研发公司，如深圳殷图科技发展有限公司、北京电力科学研究院等。在电 力系统中为验证新的控制、保护等装置的性能，在安装、投运之前需要对其进行 实时仿真测试，具体的可分为传统动态仿真模拟的试验方式、数模混合仿真试验 方式和实时数字仿真试验方式。动模试验是一种物理模拟方式，应用相似理论建 立缩小的物理模型来模拟实际的电力系统，随着仿真系统规模的扩大，系统情况 的复杂，建立动模试验的投资也越大，建设周期也越长，因而限制了动模试验系 统的迸一步发展。数模混合仿真方式和动模试验方式的主要区别是将电机等旋转 元件采用数字元件模拟，在功能上有了较大的提高，但模拟的系统规模仍受限制。 数字仿真是以计算机为主体，采用数学模型和数值算法对电力系统进行模拟，具 有安全、经济、方便等优点，使得实时数字仿真是近年来研究和应用的热点之一。 其中，实时数字仿真系统r t d s ，其技术水平在电力系统仿真领域处于国际 领先地位，在国内外的一些著名公司如a b b 、西门子等都得到了很好的应用。 r t d s 数字仿真系统在电力系统研究、继电保护新原理的开发验证、继电保护产 品的测试等方面具有良好的应用前景。r t d s 具有建模方便、构造灵活、重复性 好、短路水平高等特点。特别是r t d s 可构造复杂的系统模型，如构造同杆并架 双回线的系统模型，其作用是现有的其它试验手段所不能完成的。 第一章绪论 本文提出利用c o m t r a d e 故障录波文件记录的故障录波或仿真数据，进行 软件编程，实现继电保护动态特性的仿真测试。研究思路与开发系统具有创新性， 且具有以下实用意义： ( 1 ) 对于运行中不正确动作的保护装置可应用故障录波器录取的实际故障 电压和电流数据复现故障过程，对该装置的工作原理、动作方程、动 作特性和定值进行慢动作的校验，可仔细找出这些方面存在的问题和 造成不正确动作的原因。 ( 2 ) 对于拟选购的保护装置，可用被保护设备安装处的历史故障录波数据 对其工作原理、动作方程、动作特性和定值进行慢动作的测试和分析， 查看该保护装置是否满足本系统的要求；也可用大量故障仿真数据对 该保护装置进行测试，查看在系统运行方式和参数改变时该保护装置 的适应能力。 ( 3 ) 在教学用途上，可让继电保护理论的学习者通过本系统所开发的各种 保护功能，进行自定义的参数输入，并观察不同故障录波数据和不同 参数下所得到的结果，进而验证继电保护理论的正确性。 1 3 本课题所完成的主要工作 1 3 1 开发继电保护动态仿真系统 本文以面向对象的开发工具v i s u a lc + + 6 0 为主，辅以c + + ，f o r t r a n 等高级 汇编语言，完成了软件的开发工作。v c6 0 属于微软开发工具套件v i s u a ls t u d i o 6 0 之一，功能强大，具有支持面向对象编程、模块化、代码可重用、组件等功 能。整个软件开发过程中严格遵循了大型软件的正规开发方法，软件工程的思想 贯穿于软件开发的始终。实现了模块化管理，有着良好的可移植性和扩展性。 为了使该系统更加实用化，在软件的开发过程中实现了许多灵活实用的功 能。本文研究的继电保护动态仿真系统的所有功能都是基于对c o m t r a d e 格式 录波数据的分析与计算，最终实现继电保护仿真功能。c o m t r a d e 格式采用了 i e e es t a n d a r d c 3 7 1 11 - l9 9 9c o m m o nf o r m a tf o r t r a n s i e m d a t a e x c h a n g e ( c o m t r a d e ) f o rp o w e rs y s t e m ，本文在深入分析c o m t r a d e 格式的基础 第一章绪论 上，开发了c o m t r a d e 格式数据的读取程序，可实现对现场录波数据以及 r t d s 、e m t d c 等各种仿真软件生成的故障数据。 在此基础上，本文研究并开发了以下继电保护动态仿真的主要功能：l 、距 离保护动态性能仿真。其中包括对自定义距离保护仿真、工频变化量距离保护仿 真等，实现了距离保护动作方程和动作特性的自定义，并最终以图形的形式灵活 的显示出测量阻抗动作轨迹。2 、变压器比率差动保护动态性能仿真。3 、数据分 析等其他辅助功能。本文的研究工作中还实现了对故障录波数据进行了谐波分 析、波形显示、故障选相等一系列功能的开发。 1 3 2 变压器比率差动保护的动态仿真及励磁涌流鉴别方式的研究 微机型变压器纵联差动保护具有可将差动回路二次侧的电流直接差改为数 字差，通过程序自动修正变压器两侧由于电流相位不同而产生的不平衡电流，改 善励磁涌流鉴别能力等优势。因此，本文开发的继电保护动态仿真系统可实现变 压器比率差动保护仿真功能，鉴于数字式变压器比率差动保护的制动特性通常采 用两折线、三折线、变斜率等各种比率制动特性。因此，本文针对国内权威继电 保护厂家的几种不同特性的变压器比率差动进行了仿真系统的研究与开发。 励磁涌流的判别是变压器比率差动保护装置中一个很关键的组成部分，本文 不仅分析了变压器比率差动保护功能对于变压器故障仿真的有效性和正确性，而 且分析了不同励磁涌流鉴别方式下和不同变压器运行情况下，励磁涌流的变化规 律以及各类判别方式的判别效果。 1 3 3 距离保护的动态仿真研究与开发 距离保护是反应故障点至保护安装处之间的距离，并根据距离的远近而确定 故障位置的一种保护装置。本文开发的继电保护动态仿真系统按照传统距离保护 原理开发了自定义距离保护功能，按照工频变化量距离保护原理，开发了自定义 工频变化量距离保护功能。 自定义距离保护功能提供了录波数据、滤波算法选择、动作特性选择的功能， 并能实现测量阻抗计算公式的自定义，进而得到基于不同坐标下相应的测量阻抗 轨迹，方便了对距离保护动态行为的分析。同样，通过读取不同的数据和参数， 自定义工频变化量距离保护功能同样能够分析不同故障条件下工频变化量距离 第一章绪论 保护的判定效果。 1 3 4 基于r t d s 的故障仿真及对继电保护动态仿真系统的分析验证 本文对现今世界上最为先进的实时数字仿真系统r t d s 做了简要的介 绍，通过搭建典型的电力系统双回线模型仿真，结合北京某电力自动化公司的超 高压输电线路距离保护产品进行了各种典型故障的仿真测试，并从中提取了故障 录波数据，利用本文研发的继电保护动态仿真系统对距离保护装置的动作情况进 行了深入的仿真分析与校验。同时，也进一步证明了本仿真系统的正确性。 第二章继电保护动态仿真系统的整体结构设计 第二章继电保护动态仿真系统的整体结构设计 2 1 继电保护动态仿真系统整体设计思路 2 1 1 系统的整体结构 图2 - 1继电保护动态仿真系统整体结构 为了实现多种继电保护动态仿真功能，整套仿真系统采用了模块化的设计理 念，分为故障数据输入模块、滤波模块、各种数据处理模块、智能图形动态显示 7 第二章继电保护动态仿真系统的整体结构设计 模块，基本结构如图2 1 所示。 继电保护动态仿真系统的输入文件是国际标准的c o m t r a d e 故障录波数 据文件。该数据由两个文件组成，分别是名字相同的木c f g ( 配置文件) 和宰d a t ( 数据文件) ，前者记录录波数据的相关信息，后者是录波数据的数据信息。 本文开发的保护动态仿真系统的每一功能的输入条件都是先录入故障录波 文件。在此基础上，可完成波形显示功能，以及通过滤波算法之后的各项仿真计 算功能，最终将计算结果传递给智能图形动态显示模块，动态直观的将保护的动 态计算结果显示出来。关于c o m t r a d e 故障数据文件的信息及其读取方法将在 下一节详细说明。 2 1 2 故障数据录入模块 国内外的故障录波器或者微机保护装置的故障录波数据，接口都遵从国际上 的暂态数据交换通用格式c o m t r a d e 格式，因而本仿真系统基于c o m t r a d e 格式的录波数据输入并计算，可以保证该软件具有广泛的通用性。 选择某个c o m t r a d e 录波配置文件，仿真系统可将录波文件中所有的模拟 通道量列出来。因此，仿真系统可以提取各个保护仿真所需要采集的数据通道并 对通道数据进行自定义变量名，后续的滤波及仿真功能就可以实现对相应数据的 处理。 2 1 3 滤波模块 由于线路故障的初期，电流、电压中含有大量的高次谐波和非周期分量，为 了实现保护、谐波分析等各项功能，必须通过相应的滤波算法计算工频或各次谐 波量。鉴于微机保护滤波算法多样化，为保证通用性，本文开发了基于全波傅立 叶算法、半波傅立叶算法、以及全波差分傅立叶、半波差分傅立叶算法等。因此， 仿真系统可对不同滤波算法在不同故障情况下的滤波效果进行有效的分析与研 究。 2 1 4 各种数据处理模块 数据处理模块是本文研发的继电保护动态仿真系统的核心，其主要功能是实 现继电保护动态性能仿真，其中包括：距离保护仿真、变压器保护仿真等。另外， 第二章继电保护动态仿真系统的整体结构设计 仿真系统的数据处理模块还配置了数据分析与故障诊断等辅助功能，可实现录波 数据的波形显示、谐波分析、故障选相、故障测距等相关功能。 关于继电保护动态性能的仿真与研究是本文的重点，其研究与开发内容在本 文的第三、四章中详述，这里仅对其他辅助功能加以简单介绍。 数据分析主要实现两个功能：第一，波形显示，该功能将c o m t r a d e 格式 数据还原为实际的采样点数据，然后传递给智能图形动态显示模块，查看被提取 的各数据通道的电气量波形。第二，谐波分析，该功能通过对被提取通道的数据 进行滤波计算，得到所需要查看的谐波信息如谐波幅值比、谐波幅频特性等。 最终可将计算结果传递给智能图形动态显示模块，将谐波信息动态显示出来。 故障诊断功能数据处理模块主要包括两大功能，分别是；故障选相功能和故 障测距功能坨们同样接收用户通过故障数据录入模块录入的c o m t r a d e 故障 数据文件，其中，故障选相功能能够按照用户设定的参数进行相应计算后，得到 故障的相别和类型；故障测距功能能够按照用户设定的参数进行相应的计算后， 得到故障点到保护安装处的距离。 图2 - 2 给出了本文研发的继电保护动态性能仿真系统的操作主界面，显示了 本系统的各项仿真功能。 圈2 - 2 系统的主操作界面 第二章继电保护动志仿真系统的整体结构设计 2 1 5 智能图形动态显示模块 图2 - 3 智能图形动态显示模块对故障电流的显示 智能图形动态显示模块接收来自各种数据处理模块的运算结果，以直观的各 种图形形式动态显示仿真结果。 该模块能够实现波形、动作特性等曲线的轨迹化。显示轨迹有线模式与点模 式两种形式；显示模式中又包括一般模式、渐进模式、逐点显示模式等：另外， 还可以利用鼠标放大、缩小或者拖动轨迹界面，利用标尺和鼠标观察每一个轨迹 点的详细信息等。因此，该智能图形动态显示模块的功能十分强大。图2 3 是智 能图形动态显示模块对故障波形的显示与分析。 2 2i e e e 的c o m t r a d e 数据格式 为了避免故障数据记录格式不统一或不标准给事故后的故障分析和故障过 程模拟再现造成的不便，国内外的故障录波器生产厂家的录波产品均采用国际通 用的c o m t r a d e 格式标准。为了使本文所开发的仿真系统具有更好的通用性， 系统的数据输入模块接收c o m t r a d e 格式的故障录波数据c o m t r a d e 是 i e e e 标准电力系统暂态数据交换通用格式。标准为电力系统或电力系统模型聚 第二章继电保护动态仿真系统的整体结构设计 集到的暂态波形和事故数据的文件定义了一种格式。该格式意欲提供一种易于说 明的数据交换通用格式。i e e e 于1 9 9 1 年提出，并于1 9 9 9 进行了修订和完善。 这样就实现了输入量的通用性，任何录波装置记录的故障录波数据都可以作为本 系统的输入，使本软件具有更广泛的通用性。 2 2 1c o m t 凡e 文件格式 每个c o m t r a d e 记录都有一组与其相关的文件( 最多4 个文件) ，这些文 件中的每一个都具有一个不同的信息等级。分别说明如下： 【l 】标题文件( x x x h d r ) 标题文件是由c o m t r a d e 数据的原创者建立的一种可选的a s c i i 文本文 件，标题文件的创建者可以以任何需要的顺序创建任何信息。标题文件的格式为 a s c i i 。此文件用来让使用者更清楚的了解暂态记录的情况。标题文件要用 x x x h d r 格式，这样统一了文件名，区别了扩展名，方便使用者的记忆和识别。 此文件是不限制长度的a s c i i 文件。 1 2 】配置文件( x x x c f g ) 配置文件为一种a s c i i 文本文件，用于正确地说明数据( x x x d a t ) 文件的格 式，因此必须以一种具体的格式保存。该文件诠释了数据( x x x d a t ) 文件所包含 信息，其中包括诸如采样速率、通道数量、频率、通道信息等项。 配置文件第一行中的一个字段识别文件所依照的c o m t r a d e 标准版本的 年份( 例如1 9 9 1 、1 9 9 9 等) 。如果该字段不存在或是空的，则认定文件遵照的是 最初发行日期( 1 9 9 1 ) 的标准。配置文件还说明了故障数据文件是以a s c i i 格式 还是以二进制格式存储的。 为了方便使用者和计算机的阅读，此文件必须有一个固定的格式。文件分行， 每行的结束要有一个回车或者换行符。每行中间用逗号分隔数据。即使某数据区 域无数据存在也要用逗号分隔出该区域，以便计算机识别和编程。因为逗号回车 和换行被用来分隔数据，所以他们不能在数据区域出现。每一行出现什么数据， 和他们具体的前后位置都是有固定的说明的，这样做方便了计算机编程。 图2 5 显示了某c o m t r a d e 格式的配置文件信息( 该故障数据是用e m t d c 仿真的数据) ，其具体形式为： 第二章继电保护动志仿真系统的整体结构设计 i * # q ) i q ) 蕾 q ) # e * b q ) d 富口吕b 邑n 电 e m t d cs l r a u l a t i o n , 1 1 9 0 9 口 “ 1 “。口 1 i t i a a a i j a ，3 6 2 1 3 0 e 0 30 8 0 9 3 5 e0 4 0 5 0 0 5 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 , s 2 ，i b ：m b 。a 2 ，】d 3 6 2 1 3 s e0 3 ，3 3 8 6 2 4 e 0 3 。0 5 0 0 ，5 0 0 ， 10 0 0 0 0 0 1s s i c ：i c c a 3 k a 3 6 2 1 2 6 e 0 32 4 0 5 6 8 e _ 0 3 ，0 5 0 0 5 0 0 10 0 0 0 0 0 1 s s 。团、日 t 一日 2 ”1 困 w 0 5 1 5 0 s 5 一2 0 ：5 m 3 ：1 。0 m 0 0 0 0 0 0 0 0 。0 口 “。曰 图2 4 配置文件的具体形式 以下是对配置文件具体形式的举例说明，说明与图2 _ 4 中所标注的序号一一 对应( 由于例子中没有数字通道，这里仅对模拟通道加以说明) ： l ：变电站名称，录波器编号，c o m t r a d e 标准的修改年份； 2 ：共3 个通道，3 个模拟通道，0 个数字通道： 3 ：每一行代表一个模拟通道，从左到右以逗号为分隔符，每一项分别对应： 通道编号，通道名称，通道相x x ，单位，f c o e f a ( 变换因子a ) 廊椰 ( 变换因于b ) ，f f i m e ( 时间偏移) ，j m i n ( 此模拟量采样记录数据最 小值) ，删甜( 此模拟量采样记录数据最大值) ，p r i m a r y ( 通道电压 或电流变压器变比主要因素) ，s e c o n d a r y ( 通道电压或电流变压器变比次 要因素) ，p s ( 主要和次要园素的缩放比例) 。 实际值y 与采样记录数据x 的关系为： y = 廊e 翻x + c o e f b 所以实际的最值： r m i n = f c o e f a x m i n + f c o f e 第二章继电保护动态仿真系统的整体结构设计 f m a x = f c o e f a f m a x + o e f s 4 ：电流电压的频率为5 0 h z ； 5 ：有一种采样频率； 6 ：采样频率的大小为2 0 0 0 0 h z ，采样了3 0 0 0 1 个点； 7 ：故障录波的起始时间和终止时间； 8 ：数据文件( d a t ) 的记录格式为a s c i i 码格式，若为二进制格式的话则会 显示b i n a r y 。 【3 1 数据文件( x x x d a t ) 数据文件包含记录中每个采样所有输入通道的值。数据文件包含一个顺序号 和每次采样的时间标志。这些采样值除记录模拟输入的数据之外，也记录状态， 即表示开关信号的输入。 数据文件必须与配置文件( x x x c f g ) 文件严格匹配，这样才方便计算机阅读。 此文件有两种格式，二进制和a s c i i 码，在配置文件中有说明。 在数据文件中包括了样本编号，时间周期，文件中每个时间不同通道的具体 数值。( 当然所有数值不是实际系统的真实数值，需要用转换因子转换，公式见 配置文件的说明) 。数据文件分为两种，其中a s c i i 文件中用逗号分隔不同通道， 用回车或换行符分隔连续的值。而二进制文件中则没有逗号或者换行符来分割。 数据文件要分行和列，每行要有通道数+ 2 列。通道数与配置文件对应，另外两 列分别是序号和采样时间，图2 5 所示为与图2 4 所示的配置文件( x x x c f g ) 相 对应的故障录波数据文件( x x x d a t ) 。 由于数据文件过长，这里只截取了一部分作为说明，图2 5 中： 1 ：此列代表的是录波点的序号； 2 ：此列代表每一个录波点所对应的时间，单位为m s ； 3 ：每一列代表一个录波通道的录波值。 下面再说明以二进制存储的数据文件，它的存储格式和a s c i i 码的是一样 的，先是序号和采样时间，然后是模拟和数字通道的值。所不同的就在于它没有 逗号和回车来分隔数据。二进制数据存储时，当存储的是一个两字节的数时，先 存低字节再存高字节，如1 2 3 4 存储为3 4 1 2 。四字节的时候先存储低字节，然后 次低字节，然后向前，如1 2 3 4 5 6 7 8 存储为7 8 5 6 3 4 1 2 。 第二章继电保护动卷仿真系统的整体结构蹬计 图2 - 5 数据文件的具体形式 二进制存储的数据，每一行连续为： 编号和采样时间被存储为无符号的二进制数每个4 字节。 模拟通道的采样值被存储为二进制补码形式每个2 字节。 数字通道用下面的格式进行存储：每1 6 个数字通道存储为2 个字节。不满 1 6 个前面的填0 。 例如( 0 ，0 ，0 ，0 ，1 ，1 ) a s c i i 则按下面步骤进行： 写成二进制数( 1 1 0 0 0 0 ) ，注意先写低字节 不足的添0 成为2 字节( 0 0 0 00 0 0 00 0 1 10 0 0 0 ) 翻译成1 6 进制( 0 03 0 ) 数据存储为( 3 00 0 ) 这样每行的长度为4 ( 序号) + 4 ( 采样时间) + a ( 模拟通道) 2 + l i t ( d 1 6 ) ( 模拟通道除1 6 得到的结果取最靠近的两个整数中较大的一个) 2 。 1 4 】信息文件( x i n f ) 信息文件是一种文件创建者希望使之对用户有用的信息之外的特别信息。信 息文件是可选文件。 第二章继电保护动态仿真系统的整体结构设计 c o m t r a d e 定义的所有文件，都在i e e e 标准电力系统暂态数据交换通用 格式s t dc 3 7 1 1 1 1 9 9 1 或i e e es t dc 3 7 1 1 1 1 9 9 9 版本中进行了诠释。 2 2 2c o m t r a d e 格式录波数据文件的读取和处理 下面使用谐波分析功能介绍一下c o m t r a d e 格式录波数据文件的读取和使 用。谐波分析功能是本系统中一个对于故障波形分析的基本功能，它不但基于数 据录入模块，还大量的运用到了滤波模块功能。图2 - 6 所示为谐波分析功能的整 体结构。 谐智 数 波能 据滤 锌 图，3 录波 析形 入模功 显 模块 能不 块 模模 块块 图2 - 6 谐波分析功能整体结构 本文选择谐波幅值比功能为例对c o m t r a d e 格式进行进一步的说明。系统 选择读入所要仿真的c o m t r a d e 格式录波数据的配置文件( * c f g ) 后，即弹 出通道选择框，如图2 7 所示。在图2 7 配置文件信息框内，第一行给出的是录 波地点以及设备号，这样便于用户确认文件选择的正确性，后面各行给出的是模 拟通道的信息，包括各通道的标号、名称、相别以及单位，非常的清晰直观，可 参看图2 - - 8 相关配置文件进行对比。 接下来，可对照配置文件信息框内容，在图2 7 右边“通道标号”和“变量名称” 的下拉框中，通过下拉菜单进行通道标号的选择以及对相关通道变量名称的自定 义。考虑到实际应用以及新保护原理对电气量的新要求，本系统同时允许八个通 道的输入，在最大限度上满足保护发展的要求，这里选择观察第一，第二通道， 并分别将其取名为，。、，。 第二章继电保护动态仿真系统的整体结构设计 晤f 菌藏葛；茹i 1 瞌雨r 一 11 3 i “ tn ：i b k 也h ii c ：i c ，0 0 i n k “u eu a ： 抵 t 崛 0 t 系坑通过_ ；婪取配置文件 ( + c 虹) 而读出的录 渡数据相差信息。 矛亏再丽j i f 冀擎 ： 一，二幢勰 一 。、过下拉莱 2 0r r 覃匿；霸 1 日r 蒜罨竹 r 二、_ 二j 磷一 $ i m * 图2 7 模拟通道选择界面 z # 4 ) * # # i ) q ) 栅q ) i h t d c $ i 伽l a t i o n 1 1 9 9 q 系统读入此信包后 展现给用户，便于 用广对于模拟通道 图2 - 8 相对应的配置文件信息 点击确定后，系统会完成如下工作。首先将从配置文件中提取出相对应通道 的系统频率、采样率个数和数值、单位( 如t r ，埘等) 、转换因子( 如图2 - 8 中 ”5 6 3 3 l8e - 0 4 一) 、数据格式信息( a s c i i 或者b i n a r y ) 等记录下来，并将其 值赋予在程序内相对应的变量。随后，系统打开同一个目录下，与配置文件同名 的数据文件，如果配置文件中数据格式信息显示是a s c i i 形式的数据，系统自动 从数据文件( d a t ) 中第二列( 时间列) 开始读取，选取用户所选择的通道记录 在系统内相对应的数组中。接下来，系统会使用从配置文件中记录下来的各种信 5 0 8 3 8 1 第二章继电保护动志仿真系统的整体结构设计 息对数组中的数进行处理，并将其还原为原始采样数据。如果配置文件中数据格 式信息显示是b i n a r y 形式( 二进制) 的数据，系统会先自动还原为十进制的 数据，再进行其余处理。 当数组中的数据全部还原为十进制的原始采样数据后。系统的滤波模块启 动使用全波差分傅立叶算法进行滤波。这里选择3 次谐波幅值比为例通过智能 图形动态显示模块显示3 次谐波幅值比随时间变化的趋势( 如图2 - 9 所示) 。 l 手圈 ! 善意参重一i 目2 - 1 0 第二通道的三改谐渡幅值比 芸 第二章继电保护动态仿真系统的整体结构设计 由于“谐波幅值比”功能是通过全波差分傅立叶算法计算得到相应谐波的幅 值，这里是三次谐波的幅值同基波的幅值之比，通过图2 - 9 可以看出，在故障发 生时刻0 2 秒之前，谐波含量几乎为0 ，在故障发生时刻，三次谐波与基波幅值 比突然增大，尤其是故障相电流。之后三次谐波幅值比逐渐衰减至零，故障状态 达到稳定。如图2 1 0 所示非故障相电流虽然也在故障发生和消失时刻有所变化， 但是并不明显。 第三章变压器比率差动保护动态仿真与励磁涌流特性分析 第三章变压器比率差动保护动态仿真与励磁涌流特性分析 3 1 变压器比率纵差动原理介绍 电流差动保护是基于基尔霍夫电流定律，将被保护元件两端的电流量进行差 动计算，判定是否发生内部故障的一种保护原理。变压器的差动保护特指将变压 器两侧的电流量进行差动实现变压器的主保护方案。 为了防止误动，变压器差动保护的动作电流必须躲过变压器在正常运行或外 部故障时的最大不平衡电流。同时，为了保证变压器内部故障时差动保护具有足 够的灵敏度，变压器差动保护往往采用比率制动特性：即通常以表征正常运行或 外部故障时的穿越性电流为制动量，以变压器两端或三端电流量矢量和为差动 量。当正常运行或外部故障时，比率差动保护的动作定值随制动量( 即穿越性电 流) 的增大而增大，在可靠防止了保护误动的基础上，也保证了内部故障时保护 的灵敏度。 微机变压器比率差动保护通常有两折线、三折线、变斜率等各种比率制动特 性，如图3 1 所示，其具体工作原理在此不再鳌述。 d ( f 1 ) 变压器二折 线比率制动特性 d ( b ) 变压器三折 线比率制动特性 d ( c ) 变压器变斜 率比率制动特性 图3 1 几种常见的变压器比率制动特性 3 2 变压器励磁涌流分析 变压器的励磁电流仅流经变压器接通电源的一侧，因此，通过电流互感器反 第三章变压器比率差动保护动态仿真与励磁涌流特性分析 应到差动回路中就不能被平衡，但正常运行和外部故障时，此电流很小。在电压 突然增加的特殊情况下，例如变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时可能 出现数值很大的励磁电流，这种在暂态过程中出现的数值很大的变压器励磁电流 通常称为励磁涌流。励磁涌流的存在会导致纵联差动保护误动作。 励磁涌流的产生原因分析如下，变压器端电压与铁芯磁通之间的关系为： “：丝( 3 1 )“= ol j lj 班 设变压器空载合闸时，加在变压器上的电压为： 甜= u 。s i n ( r o t + 口) ( 3 2 ) 式中u 。是电压幅值。由式( 3 - 1 ) 、式( 3 2 ) ，可得： = 一。c o s ( o x + 口) + o ( 3 3 ) 式中。= u 。t o ，。为一个衰减的自由分量。由于合闸前，t = o 时，= o 。 因此，可得： 西o = 。c o s ( 口) + ， ( 3 4 ) 式中，指的是变压器铁芯剩磁。因此，变压器空载合闸后铁芯磁通为： 矽= 一。c o s ( o x + 口) + 。c o s ( a ) + 西， ( 3 5 ) 当剩磁，为正值、变压器合闸角口= 0 。时，由式( 3 5 ) 可得铁芯中磁通随 时问的变化轨迹如图3 1 ( a ) 所示。显然，当研+ 口= 罢时( 即合闸后半个周期) ， 变压器铁芯磁通将达到2 。+ ，而变压器饱和磁通一般为额定磁通的1 1 5 1 4 倍，此时变压器铁芯大大饱和，导致励磁电流激升。 第三章变压器比率差动保护动态仿真与励磁涌流特性分析 。c o s 口+ ( a ) ( b ) 2 肌c o s + ， 八八八 | 。mmv ： ：i：i ：i：c o i 州州州 恻 图3 2 变压器铁芯磁通和励磁电流之间关系 当变压器铁芯磁通小于饱和磁通o 。，时，感应出的励磁电流几乎为零，由于 自由分量。= 。c o s ( t z ) + ，的作用，让变压器铁芯磁通不再是一个以横轴为对 称轴的对称波形，而是向上整体偏移了。c o s t z + ，大小，磁通的最大值也由。 变成了2 。c o s + ，。这样使得变压器铁芯磁通会在一个周波内的某一段时间 内始终大于饱和磁