電流保護仿真實驗軟件的開發(fā)

電流保護仿真實驗軟件的開發(fā)

“能源系統(tǒng)的能源保護原理”是學(xué)校“電氣工程及其自動化”的平臺課程。這也是“農(nóng)業(yè)電氣化和自動化”的一個重要專業(yè)課程。這是一門實踐非常有力的課程。電流保護在該課程中是一個比較重要的知識點,是學(xué)生最先學(xué)習(xí)的一種保護原理。它原理雖然比較簡單,但對剛剛學(xué)習(xí)繼電保護課程的學(xué)生而言,仍是比較抽象,不易理解的。為了使學(xué)生較快較好地熟悉電流保護的工作原理,提高教學(xué)效果,開設(shè)電流保護的相關(guān)實驗是十分必要的。目前,在電流保護的實驗中,實驗設(shè)備仍采用的是電磁型電流繼電器,該類繼電器在現(xiàn)場已經(jīng)基本不用,而且實驗室擁有的該類設(shè)備數(shù)量有限、比較陳舊(還是八幾年生產(chǎn)的產(chǎn)品),這與當(dāng)前繼電保護的應(yīng)用現(xiàn)狀及其對人才培養(yǎng)的要求相比存在很大差距。為此,我們開發(fā)設(shè)計了輸電線路電流保護仿真實驗軟件,它主要分為故障仿真和電流保護動作仿真兩部分。數(shù)字仿真試驗具有安全、經(jīng)濟、方便、靈活的優(yōu)點,是現(xiàn)代仿真與試驗系統(tǒng)的重要發(fā)展方向,文獻在這方面進行了相關(guān)研究,但應(yīng)用MATLAB建立仿真系統(tǒng)對未學(xué)過MATLAB的學(xué)生而言是有難度的。應(yīng)用輸電線路電流保護仿真實驗軟件,使學(xué)生可以完成階段式的電流保護(無方向/帶方向)、零序電流保護(無方向/帶方向)的相關(guān)實驗。實驗軟件具有良好的操作界面,且操作簡便、易于維護,有助于學(xué)生形成系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu),具有一定的應(yīng)用前景。1環(huán)境開發(fā)和模擬系統(tǒng)的選擇1.1系統(tǒng)的功能強大1991年,美國微軟公司推出了VisualBasic語言,它是一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動方式的結(jié)構(gòu)化高級程序設(shè)計語言,可用于開發(fā)Windows環(huán)境下的各類應(yīng)用程序。它簡單易學(xué)、效率高,且功能強大可以與Windows專業(yè)開發(fā)工具SDK相媲美。在VisualBasic環(huán)境下,利用事件驅(qū)動的編程機制、新穎易用的可視化設(shè)計工具,使用Windows內(nèi)部的廣泛應(yīng)用程序接口(API)函數(shù),使用動態(tài)鏈接庫(DLL)、對象的鏈接與嵌入(OLE)、開放式數(shù)據(jù)連接(ODBC)等技術(shù),可以高效、快速地開發(fā)Windows環(huán)境下功能強大、圖形界面豐富的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。隨著版本的提高,VisualBasic的功能也越來越強。5.0版以后,VisualBasic推出了中文版,與以前版本相比,其功能有了更大的提升。由于VB語言的諸多優(yōu)點,所以選用VB語言作為電流保護動作仿真部分的編程語言。1.2基于ddrts的數(shù)字仿真DDRTS數(shù)字動態(tài)實時仿真系統(tǒng)(DigitalDynamicReal-TimeSimulator)是由殷圖科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的一種全數(shù)字化的電網(wǎng)實時仿真與閉環(huán)試驗系統(tǒng)。它可以進行電力系統(tǒng)仿真研究,具有全中文化友好圖形界面。它的圖形化建模系統(tǒng)可以幫助用戶方便迅速地建立數(shù)字仿真系統(tǒng)的拓?fù)溥B接關(guān)系和輸入系統(tǒng)元件參數(shù),進行系統(tǒng)的仿真計算,分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)及動態(tài)行為。它的元件庫中包含了多種電力系統(tǒng)元件,如發(fā)電機、電動機、變壓器、負(fù)荷、斷路器、輸電線、電抗器、串補元件以及飽和電抗器、電力電子元件等非線性元件。用戶可從元件庫中選取所需元件建立單線圖,模擬多種情況下系統(tǒng)的行為特性,輸出錄波圖。電流保護仿真實驗軟件的故障仿真部分采用DDRTS來完成。DDRTS可以提供計算步長,可以設(shè)定的離散數(shù)據(jù),可以利用這些仿真數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)輸入源。具體就是利用DDRTS構(gòu)建仿真實驗系統(tǒng)(進行建模,構(gòu)造短路計算模型),模擬短路故障,利用它提供的數(shù)據(jù)供電流保護實驗軟件調(diào)用,可以作為電流保護實驗軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入源。2采用相電流差突變量選相法該實驗軟件經(jīng)過電流電壓數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、突變量啟動元件、故障類型判別元件、電流測量元件處理、輸出動作信號等環(huán)節(jié)實現(xiàn)電流保護的功能。一階差分后全波傅氏算法是一種較好的提取基波電壓、電流的算法,本文采用該法濾除高次諧波和非周期分量的影響,減小誤差,提高測量精度。啟動元件選用的是工程上常有的反映兩相電流差的突變量啟動元件。利用相電流差突變量選相方法對電流保護的故障類型進行判斷,確定故障類型。對于帶方向的階段式電流保護,相間短路功率方向判別元件的接線方式采用的是90°接線方式。對于帶方向的零序電流保護,零序功率方向元件接入的是零序電壓3ù0和零序電流3ì0,最大靈敏角為95°～110°(對應(yīng)于保護安裝地點背后的零序阻抗為85°～70°的情況)。下面對應(yīng)用該實驗軟件進行階段式電流保護實驗(或零序電流保護實驗)的操作過程進行說明。2.1元件庫仿真實驗學(xué)生可根據(jù)學(xué)過的相關(guān)理論知識,自己在“DDRTS數(shù)字動態(tài)實時仿真系統(tǒng)”上利用它的元件庫設(shè)計簡單的仿真實驗系統(tǒng),并輸入各電氣元件的參數(shù)。如圖1所示的是學(xué)生設(shè)計的某一35kV實驗系統(tǒng)。通過自主設(shè)計短路實驗系統(tǒng),可使學(xué)生加深理解電流保護在整個系統(tǒng)中的安裝位置及作用;同時也能加深理解電力系統(tǒng)主要元件的特性、數(shù)學(xué)模型和相互間的關(guān)系。2.2運行模擬(1)ddosrts仿真在設(shè)計好的仿真實驗系統(tǒng)(如圖1)上設(shè)好故障位置、故障類型,并設(shè)好仿真步長等,即可進行故障仿真。用DDRTS的“數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能”將仿真過程中的電流電壓采樣值數(shù)據(jù)導(dǎo)出,形成仿真結(jié)果數(shù)據(jù)Excel文件,供電流保護實驗軟件調(diào)用。圖2所示的是某一仿真結(jié)果數(shù)據(jù)Excel文件中的部分采樣點數(shù)據(jù)。(2)故障電流電壓波形學(xué)生可以在DDRTS仿真系統(tǒng)上建立輸出頁,觀察分析仿真過程中故障前、故障中到故障后的電流電壓波形。圖3所示的是圖1系統(tǒng)中AB線路發(fā)生AB相間短路時的電流波形。這可使學(xué)生更好的理解系統(tǒng)穩(wěn)定情況和運行方式變化時的行為特性;更好的鞏固理解不同故障下電流電壓的變化規(guī)律,使學(xué)生在故障分析課程中學(xué)的理論知識在此得到應(yīng)用。2.3電流保護線路驗算學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計的實驗系統(tǒng)圖參數(shù)及所做實驗項目(階段式電流保護實驗或零序電流保護實驗),對配置電流保護的線路進行相關(guān)整定計算(手算,建議學(xué)生在課下完成)。2.4“零序電流保護實驗”界面見圖2電流保護動作仿真部分的主界面如圖4所示,包括階段式電流保護實驗和零序電流保護實驗。點擊“階段式電流保護實驗”或“零序電流保護實驗”按按鈕就可以進入相應(yīng)實驗界面,學(xué)生可以自行選擇各段帶方向或不帶方向。其中,圖5為“階段式電流保護實驗”界面,圖6為“零序電流保護實驗”界面。選好要做的電流保護實驗項目后,將前面(2.3節(jié))計算好的各項整定值輸入到實驗界面中。然后,點擊“試驗”按鈕,就會出現(xiàn)圖7所示對話框,選擇需要的Excel文件,點擊“打開”按鈕后,程序會自動調(diào)用這個Excel文件。這個Excel文件就是前文所述從DDRTS系統(tǒng)導(dǎo)出的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)Excel文件。最后,實驗結(jié)束時會出現(xiàn)如圖8所示的運行結(jié)果對話框,提示故障信息,說明保護動作情況。此時,學(xué)生可以檢查運行結(jié)果是否與預(yù)期結(jié)果一致,如不一致,就要分析具體原因,找出究竟是哪個環(huán)節(jié)出了問題。只有學(xué)生把新學(xué)的電流保護知識點與已有知識結(jié)構(gòu)中相關(guān)的部分聯(lián)系起來,才能真正的理解并掌握新學(xué)的內(nèi)容。3在繼電保護課程中的應(yīng)用學(xué)生使用該實驗軟件進行電流保護實驗時,需要通過構(gòu)建實驗系統(tǒng)、故障仿真、整定計算、電流保護動作仿真幾個環(huán)節(jié)來完成整個電流保護的實驗。通過這幾個環(huán)節(jié)的訓(xùn)練,不僅能使學(xué)生更好的理解電流保護的相關(guān)概念,電流保護在整個系統(tǒng)中的作用及工作過程;而且重要的是能使學(xué)生把電力系統(tǒng)分