电流保护仿真实验软件的开发

电流保护仿真实验软件的开发

“能源系统的能源保护原理”是学校“电气工程及其自动化”的平台课程。这也是“农业电气化和自动化”的一个重要专业课程。这是一门实践非常有力的课程。电流保护在该课程中是一个比较重要的知识点,是学生最先学习的一种保护原理。它原理虽然比较简单,但对刚刚学习继电保护课程的学生而言,仍是比较抽象,不易理解的。为了使学生较快较好地熟悉电流保护的工作原理,提高教学效果,开设电流保护的相关实验是十分必要的。目前,在电流保护的实验中,实验设备仍采用的是电磁型电流继电器,该类继电器在现场已经基本不用,而且实验室拥有的该类设备数量有限、比较陈旧(还是八几年生产的产品),这与当前继电保护的应用现状及其对人才培养的要求相比存在很大差距。为此,我们开发设计了输电线路电流保护仿真实验软件,它主要分为故障仿真和电流保护动作仿真两部分。数字仿真试验具有安全、经济、方便、灵活的优点,是现代仿真与试验系统的重要发展方向,文献在这方面进行了相关研究,但应用MATLAB建立仿真系统对未学过MATLAB的学生而言是有难度的。应用输电线路电流保护仿真实验软件,使学生可以完成阶段式的电流保护(无方向/带方向)、零序电流保护(无方向/带方向)的相关实验。实验软件具有良好的操作界面,且操作简便、易于维护,有助于学生形成系统的知识结构,具有一定的应用前景。1环境开发和模拟系统的选择1.1系统的功能强大1991年,美国微软公司推出了VisualBasic语言,它是一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言,可用于开发Windows环境下的各类应用程序。它简单易学、效率高,且功能强大可以与Windows专业开发工具SDK相媲美。在VisualBasic环境下,利用事件驱动的编程机制、新颖易用的可视化设计工具,使用Windows内部的广泛应用程序接口(API)函数,使用动态链接库(DLL)、对象的链接与嵌入(OLE)、开放式数据连接(ODBC)等技术,可以高效、快速地开发Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。随着版本的提高,VisualBasic的功能也越来越强。5.0版以后,VisualBasic推出了中文版,与以前版本相比,其功能有了更大的提升。由于VB语言的诸多优点,所以选用VB语言作为电流保护动作仿真部分的编程语言。1.2基于ddrts的数字仿真DDRTS数字动态实时仿真系统(DigitalDynamicReal-TimeSimulator)是由殷图科技发展有限公司生产的一种全数字化的电网实时仿真与闭环试验系统。它可以进行电力系统仿真研究,具有全中文化友好图形界面。它的图形化建模系统可以帮助用户方便迅速地建立数字仿真系统的拓扑连接关系和输入系统元件参数,进行系统的仿真计算,分析系统的稳态、暂态及动态行为。它的元件库中包含了多种电力系统元件,如发电机、电动机、变压器、负荷、断路器、输电线、电抗器、串补元件以及饱和电抗器、电力电子元件等非线性元件。用户可从元件库中选取所需元件建立单线图,模拟多种情况下系统的行为特性,输出录波图。电流保护仿真实验软件的故障仿真部分采用DDRTS来完成。DDRTS可以提供计算步长,可以设定的离散数据,可以利用这些仿真数据作为数据输入源。具体就是利用DDRTS构建仿真实验系统(进行建模,构造短路计算模型),模拟短路故障,利用它提供的数据供电流保护实验软件调用,可以作为电流保护实验软件数据采集系统的数据输入源。2采用相电流差突变量选相法该实验软件经过电流电压数据采集、数字滤波、突变量启动元件、故障类型判别元件、电流测量元件处理、输出动作信号等环节实现电流保护的功能。一阶差分后全波傅氏算法是一种较好的提取基波电压、电流的算法,本文采用该法滤除高次谐波和非周期分量的影响,减小误差,提高测量精度。启动元件选用的是工程上常有的反映两相电流差的突变量启动元件。利用相电流差突变量选相方法对电流保护的故障类型进行判断,确定故障类型。对于带方向的阶段式电流保护,相间短路功率方向判别元件的接线方式采用的是90°接线方式。对于带方向的零序电流保护,零序功率方向元件接入的是零序电压3Ù0和零序电流3Ì0,最大灵敏角为95°～110°(对应于保护安装地点背后的零序阻抗为85°～70°的情况)。下面对应用该实验软件进行阶段式电流保护实验(或零序电流保护实验)的操作过程进行说明。2.1元件库仿真实验学生可根据学过的相关理论知识,自己在“DDRTS数字动态实时仿真系统”上利用它的元件库设计简单的仿真实验系统,并输入各电气元件的参数。如图1所示的是学生设计的某一35kV实验系统。通过自主设计短路实验系统,可使学生加深理解电流保护在整个系统中的安装位置及作用;同时也能加深理解电力系统主要元件的特性、数学模型和相互间的关系。2.2运行模拟(1)ddosrts仿真在设计好的仿真实验系统(如图1)上设好故障位置、故障类型,并设好仿真步长等,即可进行故障仿真。用DDRTS的“数据导出功能”将仿真过程中的电流电压采样值数据导出,形成仿真结果数据Excel文件,供电流保护实验软件调用。图2所示的是某一仿真结果数据Excel文件中的部分采样点数据。(2)故障电流电压波形学生可以在DDRTS仿真系统上建立输出页,观察分析仿真过程中故障前、故障中到故障后的电流电压波形。图3所示的是图1系统中AB线路发生AB相间短路时的电流波形。这可使学生更好的理解系统稳定情况和运行方式变化时的行为特性;更好的巩固理解不同故障下电流电压的变化规律,使学生在故障分析课程中学的理论知识在此得到应用。2.3电流保护线路验算学生根据自己设计的实验系统图参数及所做实验项目(阶段式电流保护实验或零序电流保护实验),对配置电流保护的线路进行相关整定计算(手算,建议学生在课下完成)。2.4“零序电流保护实验”界面见图2电流保护动作仿真部分的主界面如图4所示,包括阶段式电流保护实验和零序电流保护实验。点击“阶段式电流保护实验”或“零序电流保护实验”按按钮就可以进入相应实验界面,学生可以自行选择各段带方向或不带方向。其中,图5为“阶段式电流保护实验”界面,图6为“零序电流保护实验”界面。选好要做的电流保护实验项目后,将前面(2.3节)计算好的各项整定值输入到实验界面中。然后,点击“试验”按钮,就会出现图7所示对话框,选择需要的Excel文件,点击“打开”按钮后,程序会自动调用这个Excel文件。这个Excel文件就是前文所述从DDRTS系统导出的仿真结果数据Excel文件。最后,实验结束时会出现如图8所示的运行结果对话框,提示故障信息,说明保护动作情况。此时,学生可以检查运行结果是否与预期结果一致,如不一致,就要分析具体原因,找出究竟是哪个环节出了问题。只有学生把新学的电流保护知识点与已有知识结构中相关的部分联系起来,才能真正的理解并掌握新学的内容。3在继电保护课程中的应用学生使用该实验软件进行电流保护实验时,需要通过构建实验系统、故障仿真、整定计算、电流保护动作仿真几个环节来完成整个电流保护的实验。通过这几个环节的训练,不仅能使学生更好的理解电流保护的相关概念,电流保护在整个系统中的作用及工作过程;而且重要的是能使学生把电力系统分