开放式的继电保护动态特性仿真系统
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产品简介
摘 要：利用计算机软件对继电保护在实际系统中的特定故障下的动作行为进行分析和校验、设计保护的新原理以及分析和改进保护动作特性，具有高效率、低成本、灵活方便等特点。本文据此提出了一种开放式的继电保护动态特性仿真分析系统软件，研制了可自定义的公式编辑器，能够实现任何保护的动作方程，采用现场Comtrade格式的录波数据和EMTDC等电磁暂态仿真软件的输出数据作为输入信号，按照各种保护的动作方程、动作特性进行仿真，最后以直观的图形方式输出仿真的结果。仿真表明该软件使用灵活方便，仿真结果准确可靠，直观清晰。
随着电力系统的发展，电网规模的不断扩大，输电线路的故障如不能快速准确地切除而引起故障扩大甚至系统失稳所带来的经济损失和社会影响是难以估量的。因此对继电保护装置的性能要求越来越高。为了提高保护的可靠性，对继电保护在线路故障时的动作特性进行预先仿真、研究，以及事故后进行准确的校验、分析都是十分必要的。而对保护动作特性的校验目前常用的有两种方法，一是利用电力系统动态模拟装置模拟故障对保护进行校验，还有一种是用故障再现设备把故障期间纪录的真实数据转化为模拟量，并输入到真实的保护装置中观察其动作行为［1］。这两种方法的缺点都是费用很高，费时费力，灵活性差。尤其是后一种方法只适用于已有的保护装置。为此，本文提出了一种可以在实验室中利用计算机对保护装置进行分析校验的新方法。中试控股电力讲解利用此方法开发的软件可以采用IEEE标准的Comtrade录波数据格式和EMTDC等仿真软件的输出数据作为输入信号，对各种常见的保护装置进行仿真，还可以用来对正在设计中的保护装置原理和工作逻辑进行试验和方案比较，具有广泛的适用性。该软件可以由用户根据需要选择，或者自定义编辑形成所需的各种动作方程和动作特性，可给使用者提供一个开放的、可扩展的研究试验平台，非常灵活方便。
本软件系统采用先进的面向对象的开发工具Visual C＋＋6．0进行开发，Windows风格的界面，非常方便用户的操作使用，而仿真分析的结果会以图形输出的方式清晰直观的提供给使用者。
2 系统整体设计
为了实现上述功能，本软件设计了故障数据输入模块、滤波模块、动作方程模块、动作特性模块以及智能图形显示模块，这些模块的关系如图1所示，具体功能如下。
故障数据输入模块：软件的数据来源有两种，一是故障录波器或微机保护装置的录波数据，接口都遵从国际上的暂态数据交换通用格式Comtrade文件，由于目前各厂家的故障录波器都采用Comtrade格式的录波数据，因而这样设计可以保证该软件具有广泛的通用性。另一种数据就是EMTDC等仿真软件的输出数据，这样就更加方便用户对保护在各种实际的和预想的故障情况下进行校验分析。
滤波模块：由于线路故障的初期，电流、电压中含有大量高次谐波和非周期分量，对于基于工频量的保护而言他们都为干扰信号，因此本软件包含一个滤波模块，可以滤掉这些不需要的分量以提取工频量。各种滤波算法实现的效果不同，各厂家的保护装置所用的滤波算法也不相同，所以滤波模块包含了各种常见的典型滤波算法（如全波差分傅氏算法、半波差分傅氏算法等［2］）供用户选择。
动作方程模块：公式编辑器是整个模块中十分重要的部分，用户可以使用公式编辑器实现任意的保护原理，如距离保护、方向保护、差动保护、纵联保护等的动作方程，也可根据需要形成各种新的保护动作量、制动量和动作判据表达式，验证新的保护原理。
动作特性模块：各种保护如各种距离保护都有其各自的特点，使用场合也不尽相同，所以会在装置中形成不同的动作特性。即使是同一种保护，不同的时间段保护的动作特性也有可能不同。因此本软件允许用户对距离保护的动作特性进行自定义，即用户通过简单操作输入圆弧和直线，然后软件自动形成用户定义的动作特性。
智能图形显示模块：图形输出部分采用智能图形显示模块设计，能够将测量阻抗在阻抗复平面中显示，也能够分别显示出测量阻抗幅值｜Z｜和相角T随时间－的变化轨迹，可以根据需要将显示结果放大缩小［1］。
3 软件主要模块的实现
中试控股电力讲解本系统是在Windows操作系统下，以VisualC＋＋6．0为平台开发完成的，具有兼容性好，可靠性高，灵活性强等优点。软件采用模块化结构，因而整个系统的扩展能力强。软件的主菜单界面如图2所示（为了方便，多个下拉菜单放在了一幅图中）：
本系统的核心部分是动作方程模块、动作特性模块和智能图形显示模块。
3．1 动作方程模块
软件中已经预定义了一些常用保护的动作方程，如ABB、SEL、阿尔斯通等公司的一系列产品。用户可以方便的选择所要校验的保护。在本模块中，最重要的部分就是公式编辑器。公式编辑器是一个灵活的工具，用户可以编辑形成所需的各种测量阻抗表达式。如图3所示：
公式编辑器给出许多常用的变量也就是保护的输入量，同时允许用户在已有变量的基础上根据输入的不同，定义一些实际中需要的变量，如极化电压、补偿电压等，自定义的变量显示在“自定义变量”栏中（如图3中的′和2）。用户输入自定义的阻抗计算公式时，既可以使用编辑器面板上给出的变量，也可以加入自定义的变量，程序本身会自动识别并存储到系统文件中。
对所有输入的公式，系统读取时会自动区分操作数和操作符并在存储的时候在操作数后加上界限符。实现计算功能时，程序首先要将按中缀表达式存储的公式转化为计算机可以读懂并容易操作的后缀表达式。我们平常书写公式以及作数学运算的时候都是按中缀表达式的顺序进行的。而在后缀表达式中不再引入括号，操作符放在两个操作数的后面，所有的计算按操作符出现的顺序从左至右进行。例如3．1＾×（5＾－2．0＾）＋．7＾是我们熟悉的中缀表达式，其中，3．1、5等是操作数，＋、—等是操作符，而＾就是界限符用来表示一个数字的结束。将此表达式转化为后缀的形式就变成了3．1＾5＾2．0＾－×．7＾＋，计算时，程序会分配一个动态栈从左向右扫描表达式，每遇到一个操作数就送入栈中保存，每遇到一个操作符就从栈中弹出栈顶的两个操作数进行计算，然后将计算结果压入栈顶，如此继续扫描直到表达式最后一个操作符处理完毕，这时送入栈顶的值就是该后缀表达式的值。这里，栈的应用使程序变得简洁高效，此前中缀表达式转换为后缀表达式的过程也应用了动态栈的技术。［3～5］
3．2 动作特性模块
继电保护的动作特性种类繁多，微机保护的应用使得各种复杂的动作特性实现起来都变得容易。为了充分考虑仿真中可能遇到的各种动作特性，软件实现了自定义特性，即用户只要输入直线和圆弧，程序就可以自动找到由这些直线和圆弧围成的封闭图形。
显示该闭合区域的方法就是先把输入的这n条线的交点都求出来，交点的总数应该大于m，n应该大于n，然后在这m个点中找出n个点并按一定顺序排列，使得恰好相邻两个点在所输入的一条直线或曲线上，并且n条曲线恰好每条曲线都被用过一次。那么按照这种顺序排列的n条直线段或者曲线段就构成了所要找的封闭区域。
为方便用户使用，直线的输入方式有两点式和点斜式两种（如图4所示），圆弧的输入由两个点和一个圆弧的圆周角确定。
与动作方程模块相同，软件中同样预定义了一些常用保护的动作特性，用户只要根据整定值设置相应的参数即可。
3．3 智能图形显示模块
用户在确定输入数据方式、滤波算法、动作方程以及动作特性以后，就可以开始仿真了。为了方便，既可以选择主菜单中“动态仿真”里的“开始仿真”一项，也可以直接点击右边工具栏中“动态仿真”按钮运行仿真程序。仿真结果则由智能图形显示模块根据用户的要求分别显示各种轨迹，同时生成文本分析报告。图5中给出了一个仿真的图形输出结果。
采用面向对象的编程方法，本模块由测量阻抗类、保护动作区类和坐标轴类等几个基础类构成。这样，测量阻抗类的每次输出结果都是由这些基础类的派生类生成最后的图形，使程序的通用性大为提高。在基础类中，测量阻抗类的成员主要包括实部、虚部、幅值、相角；坐标轴类的成员为坐标轴位置、长度、刻度、起点、终点等；保护动作区类的成员为识别范围的数据。这些类经过封装以后可以很方便的为用户所使用，使用时只要在相应的对话框中进行设置即可［5］。
4 结论
利用计算机软件对继电保护的动态特性进行分析和校验，设计保护的新原理，分析和改进保护动作特性，具有低成本、高效率、灵活方便等优点。中试控股电力讲解据此提出的开放式的继电保护动态特性仿真分析系统，操作界面简单，输出结果直观明了，适用性强，扩展性好，是电力部门和设计研究单位的有力工具，具有非常广阔的应用前景。
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