崔　楊，楊　帆，肖　白，劉曉軍

（東北電力大學電氣工程學院，吉林 132012）

繼電保護課程設計可視化整定計算系統(tǒng)的開發(fā)與應用

崔楊，楊帆，肖白，劉曉軍

（東北電力大學電氣工程學院，吉林 132012）

為實現(xiàn)電網網架結構自主設計、設備及線路參數(shù)及時更新、相應計算自動執(zhí)行等功能，該文設計和開發(fā)了一套繼電保護課程設計可視化整定計算系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于Matlab/GUI環(huán)境，通過調用PSAT、Simulink等模塊，設計集成了繪圖、運算、分析、可視化輸出等功能?？呻S時增添數(shù)據(jù)與保存常用發(fā)電機與變壓器、線路型號等參數(shù)，并以圖形、表格、報表等方式外化運算結果，便于可視化分析與應用。教學實踐證明該系統(tǒng)具備繪制電力網絡及自動完成電力系統(tǒng)潮流計算、短路計算和整定計算的功能。

繼電保護；課程設計；整定計算；可視化；Matlab

《電力系統(tǒng)繼電保護原理》是我校（東北電力大學）“電氣工程及其自動化專業(yè)”（以下簡稱“電自專業(yè)”）的重要專業(yè)課之一，是理論與實踐并重的課程。繼電保護課程設計是實踐教學環(huán)節(jié)的重要內容，是課堂教學的延伸和補充。課程設計要求學生在掌握電力系統(tǒng)繼電保護基本原理的基礎上，進一步掌握繼電保護的整定計算方法、保護配置和裝置結構。課程設計對于提高學生的綜合素質、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與實踐能力具有特殊作用。

我校電自專業(yè)一直采用“35 kV電網線路相間短路保護配置及整定計算”作為為期兩周的繼電保護課程設計題目，旨在通過對環(huán)網、平行雙回線路以及單電源輻射線路進行階段式電流保護的整定計算，掌握繼電保護整定及校驗的基本原則。該題目經過歷屆教師的不斷完善，題目設計較為經典，已沿用多年。題目難易適中，計算工作量較大，學生能夠在較短時間內達到熟練掌握保護整定及校驗方法的目的。

然而，隨著近些年電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，發(fā)電機、變壓器等主設備容量不斷升級，傳統(tǒng)小容量火電機組及變壓器逐漸被淘汰，為反映電力系統(tǒng)的技術發(fā)展，必須對設計題目中原有的設備參數(shù)型號進行更新。在目前電自專業(yè)高“生師比”的現(xiàn)實情況下，指導教師精力有限，無法做到對每一套設計題目的設備參數(shù)進行事前校核，學生在設計過程甚至出現(xiàn)無法查到部分設備型號或參數(shù)不合理導致校驗計算失敗等問題，既浪費了寶貴的設計時間，又不利于學生的掌握，極大地影響了課程設計的效果。

本文開發(fā)了一套繼電保護課程設計可視化整定計算系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)指導教師自主設計網架結構，自定義設備及線路參數(shù)，自動完成短路電流計算以及保護整定計算，并能夠實現(xiàn)上述過程的可視化。

1　基于PSAT的可視化整定計算系統(tǒng)設計思路

將數(shù)字仿真融合到課程教學［1-3］的嘗試已有不少先例，特別是基于一些成熟的軟件平臺。電力系統(tǒng)分析工具包PSAT（power system analysis toolbox）是基于Matlab平臺開發(fā)的開源電力系統(tǒng)分析軟件包，包含了：潮流計算PF（power flow）；連續(xù)潮流CPF（continuation power flow）；最優(yōu)潮流OPF（optimal power flow）；小擾動分析SSSA（steady state stability analysis）；時域仿真TDS（time domain simulation）等功能。

為實現(xiàn)繼電保護課程設計整定計算的可視化，本文作者基于該平臺開發(fā)集潮流、短路、整定計算為一體的計算工具軟件，既實現(xiàn)集3種運算為一體，也能查閱并修改發(fā)電機與變壓器等電氣設備數(shù)據(jù)庫，還能直觀分析、對比、導出數(shù)據(jù)，這對課程設計有極大的實用價值。同時利用Matlab提供的圖形用戶界面GUI（graphical user interface）向導設計器，開發(fā)相應的設置界面。

整個系統(tǒng)分為3個模塊：上層模塊、中層模塊、下層模塊。

上層模塊即可視化模塊，實現(xiàn)人機交流，包括兩個內容：繪圖與反饋。繪圖即指能自由繪制電力系統(tǒng)網絡圖，并能隨時修改與保存；反饋指將潮流、短路、整定計算的結果以圖形、表格、報表的形式表現(xiàn)出來，方便分析與對比。

中層模塊即數(shù)據(jù)庫，它具有兩個功能。一是保存整個系統(tǒng)運用的變量，二是作為一個上層模塊與下層模塊的數(shù)據(jù)接口，將繪圖中的數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)設置的數(shù)據(jù)傳遞至下層模塊進行計算。

下層模塊即計算模塊，接收中層模塊傳遞來的數(shù)據(jù)，并進行潮流、短路、整定等程序運算。

該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)以下目標：

（1）能夠自由繪制電力網絡（基于Simulink），并能保存圖形文件。

（2）對于圖形文件能進行潮流、短路、整定3種計算。①潮流：能夠計算有功（P）、無功（Q）、電壓及其相角（V-θ）；②短路：能夠計算復雜情況下（同一時間多處）三相短路的短路電流（If）、任意節(jié)點電壓（Vi）、任意支路電流（Ipq）；③整定：能夠按預訂整定原則，實現(xiàn)單側電源帶環(huán)路電網下的階段式電流三段保護整定，計算整定值與靈敏度，并將整定過程可視化。

（3）能將計算結果以一定形式反饋出來（圖形、表格、報表），以便分析與對比。

（4）能將整體結果導出，方便打印等操作。

（5）能查看發(fā)電機、變壓器及其他設備的型號及其參數(shù)，并可以自由添加與修改。

（6）隨時保存設備參數(shù)及設置參數(shù)為模板，方便后續(xù)分析與應用。

2　計算模塊的設計

本文開發(fā)的計算模塊具備潮流、短路、整定計算等功能?？紤]到PSAT自身集成了完善的潮流計算模塊，因此本文直接采用其自帶程序進行潮流計算，其具體算法［4］此處不再贅述。本文以下主要介紹短路計算及整定計算模塊的設計思路。

圖1所示為本文設計的短路計算模塊，該模塊可實現(xiàn)指定運行方式下指定線路上任意點短路電流計算：通過阻抗陣、線路總電抗及故障分割點阻抗百分值可得到等值短路阻抗（均為標幺值），其倒數(shù)即為故障點處短路電流（近似算法）。同時還采用疊加法［5］實現(xiàn)了復雜短路（同時多處短路）的計算。

圖1　短路計算流程Fig.1　Flow chart of short circuit calculation

圖2所示為整定計算模塊。本文以環(huán)網線路相間短路的階段性電流保護整定計算為例，討論其計算模型的實現(xiàn)，其他保護類型類似。階段式電流保護的具體整定原則［6］不再贅述。

3　可視化模塊的開發(fā)

Matlab提供的GUI可實現(xiàn)專業(yè)GUI程序設計，以下內容將基于GUI開發(fā)圖形窗口、圖軸、菜單、按鈕、文本框等用于人機交互的可視化模塊。

圖3為本文開發(fā)的可視化系統(tǒng)主界面圖，該系統(tǒng)可實現(xiàn)潮流、短路、整定計算以及數(shù)據(jù)錄入、結果顯示等功能為一體，具體如下：

1）繪圖模塊：可繪制任意電路圖，并可保存為（.mdl）文件類型。

圖3　可視化系統(tǒng)主界面Fig.3　Main interface of visualization system

2）載入文件模塊：可載入圖形文件，并自行轉換為數(shù)字文件（.m）類型，也可直接載入數(shù)字文件。

3）設置模塊：能夠進行系統(tǒng)參量基準值、短路故障、電源次暫態(tài)電抗、負荷信息參數(shù)的設置。

4）計算模塊：能進行潮流、短路、整定3種計算。

5）數(shù)據(jù)庫模塊：能夠自行存儲發(fā)電機、變壓器型號及相關參數(shù)信息。

6）顯示模塊：能夠將計算的結果以圖表的方式顯現(xiàn)出來。

7）保存模板：可實現(xiàn)一鍵存儲計算模版。

此外，該模塊總體結構包括以下幾個部分：

1）說明區(qū)：包括菜單欄和狀態(tài)欄。菜單欄：文件、設置、計算、數(shù)據(jù)庫、題號模板。狀態(tài)欄：顯示系統(tǒng)當前的計算狀態(tài)。

2）工具欄：依次為載入文件、繪圖、設置電源次暫態(tài)參數(shù)、設置負荷參數(shù)、設置斷路器正反負荷參數(shù)、設置整定計算系統(tǒng)的基準量、潮流計算、短路計算、整定計算、關于作者。

3）顯示區(qū)：圖表顯示區(qū)，具有可選擇顯示圖表數(shù)據(jù)類型、圖形顯示類型的方式（二維柱圖與三維柱圖）、靜態(tài)報表、導出數(shù)據(jù)至EXCEL、顯示載入數(shù)據(jù)相應的電力網絡等功能。

切實加強日常監(jiān)督。與各單位黨委定期開展見面會，交流主體責任履行情況，督促主體責任落實落細，層層分解。抓關鍵少數(shù)，著力隊伍日常廉潔教育和作風監(jiān)督，“抓常抓長”下功夫。重點抓各單位內控制度執(zhí)行，關注“三重一大”、選人用人等重點領域、環(huán)節(jié)制度的執(zhí)行，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正，提出書面整改建議5份。緊盯“四風”、違反“八項規(guī)定”精神問題新形式、新動向、新表現(xiàn)，開展違規(guī)吃喝、違規(guī)用公款等專項督查，關注重點領域、看住“關鍵少數(shù)”，今年查處違反“八項規(guī)定”精神問題2件。

圖4　35 kV電網系統(tǒng)接線圖Fig.4　Wiring diagram of 35 kV power grid

4　仿真應用

本文將對圖4所示的35 kV環(huán)網系統(tǒng)進行線路保護設計，來驗證所設計系統(tǒng)的有效性，包括：分析仿真系統(tǒng)各環(huán)網保護的最大運行方式、最小運行方式以及主要運行方式；計算相應的短路電流及殘壓；完成環(huán)網的保護配置及整定計算。相關電網參數(shù)標于圖中。

基于PSAT搭建對應圖4電網結構的仿真系統(tǒng)，如圖5所示。該35 kV系統(tǒng)為多端電源網絡，包含環(huán)網、平行雙回線以及負荷支路單回線等網架結構。

圖5　基于PSAT的仿真系統(tǒng)網絡接線圖Fig.5　Wiring diagram of simulation system based on PSAT

圖6　整定計算參數(shù)設置Fig.6　Parameter configuration of setting calculation

圖7　系統(tǒng)負荷參數(shù)設置Fig.7　Parameterconfigurationofloadinsimulationsystem

圖8　不同運行方式下短路電流計算結果Fig.8　Calculation results of short-circuit current in different operation modes

圖9　階段式電流保護整定計算結果Fig.9　Calculation results of setting with stepped current protection

圖6、圖7分別為整定計算參數(shù)及系統(tǒng)負荷參數(shù)設置界面（限于篇幅，其他參數(shù)設置界面未全部給出）。此處可針對各類電氣設備、負荷以及保護整定計算相關參數(shù)進行設置，并且完全可視化。

短路電流計算結果及階段式電流保護整定結果分別如圖8、圖9所示。事實上，除以靜態(tài)表格展示整定結果的形式外，本系統(tǒng)同樣提供與圖8類似的數(shù)據(jù)柱圖，使得整定結果更為直觀。由于可對不同參數(shù)作用下的計算結果進行直觀比較，教師能夠更為合理地設計整定計算題目，大大提高了教學的效率。

5　結語

本文設計了繼電保護課程設計可視化整定計算系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)任意網絡的潮流計算、任意網絡復雜三相短路情況的短路計算以及單側電源任意網絡的階段式電流保護整定計算。通過自帶數(shù)據(jù)庫，可方便更新設備參數(shù)，直觀的圖表數(shù)據(jù)、靜態(tài)報表等能滿足指導教師的教學需要以及學生的設計要求。

［1］王友懷，楊增力，周虎兵，等（Wang Youhuai，Yang Zengli，Zhou Hubing，et al）.繼電保護定值在線校核及預警系統(tǒng)開發(fā)與應用（Development and application of online verification and early-warning system for protective relay）［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSUEPSA），2015，27（6）：91-97.

［2］張勇軍，張豪（Zhang Yongjun，Zhang Hao）.數(shù)字仿真工具在《電力系統(tǒng)分析》教學的應用（Application of digital simulation on teaching of power system analysis）［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2012，24（4）：157-160.

［3］梁振鋒，康小寧，楊軍晟（Liang Zhenfeng，Kang Xiaoning，Yang Junsheng）.《電力系統(tǒng)繼電保護原理》課程教學改革研究（Study on teaching reformation of the curriculum of power system protective relaying）［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2007，19（4）：125-128.

［4］陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析（第三版）［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［5］李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析（第三版）［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［6］張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護（第二版）［M］.北京：中國電力出版社，2010.

Development and Application of Setting Calculation Visualization System in Course Design of Protective Relaying

CUI Yang，YANG Fan，XIAO Bai，LIU Xiaojun
（School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China）

To design the power grid structure independently，update the equipment and transmission line parameters timely，and perform calculations automatically，this paper develops a setting calculation visualization system for the course design of protective relaying based on Matlab/GUI.By calling modules including PSAT and Simulink，the developed system integrates functions such as graphics，computation，analysis and output visualization.Generator，transformer and line parameters can be added at any time，and visual analysis and application can be implemented by externalized result with graphs，tables，reports，etc.Teaching practice proved that this system can achieve power grid drawing，and perform the calculations of power flow，short circuit and setting automatically.

protective relaying；course design；setting calculation；visualization；Matlab

G642

B

1003-8930（2016）09-0130-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.09.021

崔楊（1980—），男，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護、新能源發(fā)電聯(lián)網運行分析。Email：cuiyang0432@163.com

楊帆（1991—），男，本科，助理工程師，研究方向為電力系統(tǒng)運行分析與控制。Email：heartbird1@126.com

肖白（1973—），男，博士，教授，研究方向為繼電保護、電網規(guī)劃，空間負荷預測等。Email：xbxiaobai@126.com

2015-11-26；

2016-04-12

吉林省高等教育教改研究課題、東北電力大學教學改革研究項目（J201401）