交互式电力系统继电保护原理CAI的实现

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摘  要
     这篇论文主要介绍的是电力系统继电保护原理CAI，这个易用的、交互式的CAI可以作为课堂教学的补充和完善，应用于电力系统继电保护的计算机辅助教学。本软件采用FrontPage2000等工具制作网页，并以网页为界面及载体，系统全面的讲述电力系统继电保护知识；并针对继电保护原理教学中的几个重难点，比如阻抗继电器、高频保护、电流保护、变压器保护等，用Java制作出交互式、动态的小应用程序（Java Applet），作为课件嵌入上述网页中，以提高学习效率和学习效果。
 1　引言
中试控股电力讲解传统类型的课件或者由于投资成本大（如基于编程为主的整体式课件），或者由于升级更新困难，已不能满足日益发展的需要。为了解决以上矛盾，伴随着Web的出现和Web技术的发展，基于Web的多媒体CAI课件应运而生了。
作为这种全新类型课件的平台，Web本身具有统一的协议标准，良好的跨平台特性和前所未有的广泛的覆盖性的优点。在其上开发出来的软件有着统一的良好的GUI界面，能够支持多种多媒体格式，可提供高度的交互性，与其他的应用程序有着方便良好的接口，特别是本身便以超联接作为组织形式，因此其非常合适作为课件开发平台。另外在网络教学中，基于Web页的课件可以以网页为单位在网络中传输，具有较快的传输速度，在目前较低的带宽下仍具有较好的应用前景。
电力系统继电保护原理是电力自动化专业的重要专业课程，其覆盖知识面广泛，内容也相当晦涩枯燥，一直是电力专业教学中的重难点。同时随着国际互联网（Internet）在全球影响力的日益增大，网上教学这种新兴的教学模式也在现实中获得了广泛的应用。制作这一远程CAI课件，可以有效解决中国高等教育资源相对严重不足的问题，也能促进教学质量的提高。
从80年代开始，一些国外的学者就进行了把CAI应用于电力系统继电保护教学的尝试并且取得了较好的效果。在国内把CAI引入电力系统继电保护教学中是近几年的事情。上海交通大学电力工程系在过去的两年中也进行了这方面的尝试，所编制的电力系统继电保护原理CAI也已经投入使用，取得了一定的效果。由于原有软件在使用上得不方便，现增加它的交互性和对部分重点、难点地解释与演示，并且把所有的内容综合统一起来，成为一个比较完整的CAI教学软件。
2　电力系统继电保护原理CAI的设计方案
2．1　开发工具　　由于这个电力系统继电保护CAI是以WEB为基础的，因此相应开发工具地选择就要考虑到网络的因素。Java语言作为面向Internet的编程语言，可以和网络很好的结合使用。但是，作为一种编程语言，需要有功能强大的集成开发环境，才能快速、方便地开发出应用程序。Microsoft VisualJ＋＋6．0正是这样的集成开发环境，它使用与VisualC＋＋完全相同的环境Microsoft Developer Studio，很适合编辑、调试Java程序，因此，选用它作为开发本CAI课件的工具。
在处理图片方面，CAI课件中有一些较为复杂的示意图，比如三段式电流保护的继电器接线示意图，以及变压器差动保护中变压器的接线图。考虑到这些图片在图片质量上并没有很高地要求以及易于编辑的因素，选用Windows自带的绘图程序来画这些图片并且用Photoshop对图片作适当处理。
2．2　Java简介
Java是由Sun公司的JavaSoft分部开发的一种新型编程语言。它专门设计在像因特网（Internet）这样的广域网上运行，所以说它是一种最适合于Internet应用开发的编程语言。它较好地解决了Internet上的异质性、代码交换和网络安全性等问题。与此同时，它也给万维网带来新的生机和活力。使用Java后，原来只有静态图像和文本的网页就可以变成栩栩如生的动画。不仅如此，Java的出现，对于计算机和信息技术应用方式和应用范围的影响也是广泛而深远的。可以说，Java正是适应网络时代的需要而产生。
2．3　电力系统继电保护CAI的设计
中试控股电力讲解电力系统继电保护原理这门课程，与实际联系得较紧，所以，学生学习时存在一定的困难。本课件主要有一次与二次、阻抗继电器、方向高频保护、励磁涌流、经消弧线圈接地故障特征，阻抗继电器正、反向动态特性，增加它们的生动性，并且新增三段式电流保护和变压器差动保护的演示课件。
3　交互式电力系统继电保护CAI的实现3．1　阻抗继电器正方向短路特性演示课件
当在保护安装出正方向出口的一定范围内发生金属性相间短路时，母线电压（即保护安装处电压）降到零或很小值，加到继电器上的电压等于零或者小于继电器动作所需的最小电压时，方向阻抗继电器将不能动作。发生这种情况的一定范围，称为方向阻抗继电器的死区。
为了消除死区，通常在相位比较式方向阻抗继电器中引入极化电压，短路发生后，随着记忆作用逐渐消失，极化电压的相位将由负荷电压的相位逐步地向短路后的母线电压过渡。因此可以这样认为，有记忆作用的方向阻抗继电器的动作特性，由初态特性逐步地向稳态特性过渡。
由于极化电压逐渐消失的过程导致了由初态特性向稳态特性地转变，因此，在课件中演示特性圆的同时，加入了相应的极化电压衰减波形。
当正方向发生金属性短路时，继电器的测量阻抗为短路点到保护安装处的线路阻抗，其阻抗角为线路阻抗角，当经过渡电阻短路或串补电容后短路时，测量阻抗将进入第四象限，但不会进入第三象限．动作特性包括坐标原点，整方向出口短路时，继电器能可靠动作，证明记忆回路可以消除方向阻抗继电器的死区。动作特性虽然经过第四象限，但并不意味着反方向故障时会失去方向性，因为这是在保护正方向短路的条件下得到的特性，它不适用于反方向故障。
在这个课件中，本软件使用了BorderLayout布局管理器，为了符合习惯和便于操作，把控制按钮放在课件的最上方。动画演示的时候，继电器特性圆由初态逐渐缩小直到变为稳态特性，同时极化电压也在时间轴上以衰减波形的形式显示出来。为了使继电器特性圆的变化和极化电压衰减的过程同步，在这两个动画过程中我使用了同一个循环变量进行控制，可以保证继电器特性圆达到稳态的同时极化电压刚好衰减到零。演示前后课件在屏幕上显示的情形如图3．1和图3．2所示。
3．2　三段式电流保护原理演示课件
在这个课件中，把三段式电流保护的线路图和时间与线路长度关系图安排在屏幕的左边，保护的原理接线图安排在右边。考虑到线路图和接线图中都要进行动画演示，为了便于产生动画效果，所有的图像我都使用Java绘图命令绘制。这样虽然在编程的时候比较繁琐，但是可以比较方便地控制课件动画演示，由于避免了调入图片，因此网页打开速度也比较快，课件运行的稳定性比较好。
为了便于理解三段式电流保护的基本概念，这个课件中选用了一个比较简单的系统，它包括一个发电机和一条在不同长度的位置有四条母线的线路。课件演示的是第一段，也就是距离发电机最近的母线出口处安装的保护装置的动作情况。
为了符合规范性及与过去的课件风格相统一，该课件的控制方式我选择的是复选框，它的位置仍然安排在最上方，复选框中默认的选项为正常运行，此时每个继电器都不动作，断路器也处于不跳闸的状态。下拉的三个选项为一段动作，二段动作和三段动作，分别与无时限电流速断保护、延时电流速断保护和过电流保护相对应。
在动画演示中需要有闪烁的效果，通过在较短的时间内改变需要闪烁的线路或保护装置颜色的方法来实现，由于改变颜色的频率比较高，在视觉上就产生了闪烁的效果，这样可以让学生把注意力集中到这些线路和保护装置上来，观察它们接下来的动作情况。为了达到这个目的，定义了一个名为bianse的布尔变量，在动画线程每运行一次，也就是用update（）方法每重画一次屏幕的时候，都把这个布尔变量的值取反，比如这次重画时bianse的值为真｛true｝，那么下次重画时该变量就为假（false），再下次又为真．．．．．．。在给需要有闪烁效果的线路和保护装置定义颜色的时候，经过一个判断语句，如果bianse的值为真，就定义为红色，如果为假，就定义为绿色，这样当程序运行起来的时候，这些地方就有了红绿闪烁的效果。
3．2．1　限时电流速断保护动作情况举例
延时电流速断保护的动作时限比无时限电流速断保护要延长一个Δt，这由时间继电器1ST来完成，经过Δt以后，保护出口跳闸，断路器动作，切断故障线路。由于过电流保护的动作电流整定值要比延时电流速断保护低，因此过电流保护的电流继电器也要动作，但是由于过电流保护的延时更长，因此当保护出口动作时，过电流保护的继电器返回初始状态。延时电流保护动作最初状态和完成后的情况分别如图3．3和图3．4。
3．3　变压器差动保护原理演示课件
本演示课件中，以一个三相变压器为例来解释变压器差动保护的原理，为了使解释更清楚、简明，只拿出其中一相的情况来分析即A相，其余两相的情况相同。变压器高、低两侧电流的大小是不相等的。为要满足正常运行或外部短路时，流入继电器差回路的电流为零，则应使高、低两侧流入继电器的电流相等，要实现变压器的纵联差动保护，高、低两侧电流互感器变比的比值应等于变压器变比。但是，实际上由于电流互感器的变比在制造上的规格化以及接线方式的不同，这个条件很难得到满足，因而会产生不平衡电流。为了避免由于相位上的差别产生的不平衡电流，二次侧的接线方式就要特别注意。为了更好地演示每个电流分量的相位以及它们之间的关系，我使用旋转矢量与波形相配合的形式，并且把一次侧电流、二次侧电流波形都分别放在一个坐标轴中进行演示。不同分量的旋转矢量和波形都标以不同的颜色并配以文字说明。
这个课件的布局方面，把保护的接线图安排在屏幕的左侧，把旋转矢量图和波形图安排在屏幕的右侧，由于这个课件中的保护接线图上没有动画演示的内容，为了便于编程，采用了Java的getCodeBase（）方法调入接线图，并且用这个方法中的参数来控制接线图在整个课件中的位置。
本课件中演示的接线方式，同时也是电力系统运行中的三相变压器通常采用的接线方式，是Y，d11（Y／△－11），如图3．5所示。因此，变压器两侧电流的相位不一致，如图3．5中矢量图所示。在正常三相电流对称的情况下，变压器△侧副方电流Ia＇超前Y侧副方电流I，A30度。若两侧电流互感器采用相同的接线，则两侧副方电流将有相位差，从而会产生很大的不平衡电流。为此，变压器两侧的LH应采用不同的接线，即变压器Y侧LH采用Y／△－11接线，而△侧采用Y／Y－12接线。这样，变压器两侧的二次电流Ia＇和IA＇的相位便可一致了。

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