管曉虎 江 瑩 孔祥林

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院 新疆 烏魯木齊 830052）

距離保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

管曉虎 江 瑩 孔祥林

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院 新疆 烏魯木齊 830052）

繼電保護(hù)是電力類(lèi)專(zhuān)業(yè)很重要的一門(mén)課程，該課程的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課程設(shè)置上是很緊密的。距離保護(hù)是繼電保護(hù)中故障點(diǎn)定位的一種有效方法，文章針對(duì)繼電保護(hù)理論教學(xué)抽象難懂的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于VB的距離保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)員可以直觀地看到繼電保護(hù)模擬動(dòng)作過(guò)程，操作簡(jiǎn)便、計(jì)算精確。

距離保護(hù)；VB；仿真系統(tǒng)

針對(duì)抽象的繼電保護(hù)原理，開(kāi)發(fā)一套覆蓋主要保護(hù)原理、技術(shù)水平難度適中、仿真形象具體的繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是很有必要的。本課題研究的是線(xiàn)路繼電保護(hù)仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，解決的主要問(wèn)題是通過(guò)仿真系統(tǒng)使學(xué)習(xí)者深入地了解線(xiàn)路保護(hù)實(shí)驗(yàn)原理和動(dòng)作特性。利用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Visual Basic6.0對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)的繼電器、斷路器動(dòng)作過(guò)程及各種運(yùn)行工況，使學(xué)員達(dá)到熟悉和提高繼電保護(hù)設(shè)備操作能力的目的。

1 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)是在Visual Basic6.0的面向?qū)ο蟮募砷_(kāi)發(fā)環(huán)境下建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的EXE工程，在該工程下根據(jù)需要建立若干個(gè)窗體，通過(guò)屬性窗口設(shè)置各個(gè)窗體屬性；添加好窗體后根據(jù)每個(gè)窗體所需實(shí)現(xiàn)的功能對(duì)該窗體添加相應(yīng)的控件，完成空間的添加后通過(guò)屬性窗口完成對(duì)各個(gè)控件屬性的設(shè)置；設(shè)置好空間的屬性后，再進(jìn)行代碼編輯[1]。該仿真系統(tǒng)包括線(xiàn)路保護(hù)演示系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)、三段式電流保護(hù)仿真模塊的設(shè)計(jì)、方向性電流保護(hù)仿真模塊的設(shè)計(jì)、距離保護(hù)的設(shè)計(jì)以及差動(dòng)保護(hù)的設(shè)計(jì)。其中，三段式電流保護(hù)仿真模塊包括同一區(qū)段三段式電流保護(hù)模塊設(shè)計(jì)和相鄰區(qū)段三段式電流保護(hù)模塊設(shè)計(jì)，方向性電流保護(hù)仿真模塊包括方向過(guò)電流保護(hù)模塊設(shè)計(jì)和方向電流速斷保護(hù)模塊設(shè)計(jì)，差動(dòng)保護(hù)模塊包括縱差保護(hù)模塊和橫差保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)[2]。每一種保護(hù)仿真模塊按實(shí)現(xiàn)功能又分為圖形編輯模塊，參數(shù)輸入模塊、保護(hù)動(dòng)作演示模塊、故障分析模塊。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

其中，參數(shù)輸入模塊用來(lái)輸入繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)仿真所需的各項(xiàng)參數(shù)，如線(xiàn)路單位阻抗、系統(tǒng)阻抗、電力系統(tǒng)電壓以及不同保護(hù)原理對(duì)應(yīng)的可靠系數(shù)，等；故障診斷模塊是根據(jù)學(xué)員輸入的故障距離等參數(shù)對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行短路電流計(jì)算，進(jìn)行故障判別，并且將分析結(jié)果送往保護(hù)動(dòng)作演示模塊。設(shè)置不同類(lèi)型的故障在線(xiàn)路上某一點(diǎn)，根據(jù)輸入?yún)?shù)和故障信息，故障診斷模塊自動(dòng)建立電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并將故障計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)提供給各個(gè)模擬模塊，由模擬模塊進(jìn)行判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)逼真的繼電保護(hù)動(dòng)作行為演示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 模塊實(shí)現(xiàn)流程

進(jìn)入仿真系統(tǒng)演示系統(tǒng)界面，可選擇所需要進(jìn)行演示的繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)選項(xiàng)即彈出相應(yīng)的線(xiàn)路模型模塊和參數(shù)輸入模塊，線(xiàn)路模型模塊上顯示對(duì)應(yīng)保護(hù)的線(xiàn)路圖，在參數(shù)輸入模塊輸入相應(yīng)參數(shù)后點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，則進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算及結(jié)果輸出，并將計(jì)算結(jié)果輸入故障分析模塊，故障分析模塊將判斷故障情況并在保護(hù)動(dòng)作演示模塊中以動(dòng)作和聲音的方式演示出來(lái)。其流程圖如圖2所示。

圖2 流程圖

3 距離保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

3.1 繼電器虛擬模型

距離保護(hù)是反映故障點(diǎn)到保護(hù)安裝地點(diǎn)之間的距離（或阻抗），并根據(jù)距離的遠(yuǎn)近而確定故障動(dòng)作時(shí)間的一種保護(hù)裝置[3]。本設(shè)計(jì)中，距離保護(hù)動(dòng)作演示模型采用三段式距離保護(hù)，其組成原理如圖3，圖中電流繼電器為起動(dòng)元件lLJ，功率方向繼電器即方向元件2GJ，保護(hù)I段和II段的測(cè)量元件分別是阻抗繼繼電器3ZKJ和4ZKJ，保護(hù)II段和III段的時(shí)間元件分別為時(shí)間繼電器5SJ和6SJ，保護(hù)I、II、III段的信號(hào)元件則分別為信號(hào)繼電器7XJ、8XJ、9XJ。保護(hù)各段動(dòng)作后，均通過(guò)出口中間繼電器10BCJ使斷路器跳閘。

圖3 三段式距離保護(hù)繼電器虛擬模型組成原理圖

當(dāng)參數(shù)設(shè)置使短路故障發(fā)生在保護(hù)范圍內(nèi)時(shí)，1LJ起動(dòng)元件和2GJ方向元件的接點(diǎn)均會(huì)做閉合動(dòng)作，使得操作電源的正極通過(guò)其閉合接點(diǎn)連通測(cè)量元件3ZKJ和4ZKJ的接點(diǎn)以及時(shí)間繼電器6SJ的線(xiàn)圈，此時(shí)，保護(hù)I段和II段做好動(dòng)作準(zhǔn)備，并使III段時(shí)間繼電器開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)設(shè)置參數(shù)使I段保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，I段3ZXJ測(cè)量元件接點(diǎn)做閉合動(dòng)作后，正電源將通過(guò)7XJ信號(hào)繼電器的線(xiàn)圈通電，使10BCJ出口中間繼電路線(xiàn)圈通電從而導(dǎo)致其開(kāi)關(guān)閉合動(dòng)作，此時(shí)斷路器會(huì)迅速跳閘；當(dāng)設(shè)置參數(shù)使II段的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)（例如在被保護(hù)線(xiàn)路的末端短路時(shí)），I段3ZKJ測(cè)量元件將不會(huì)動(dòng)作，此時(shí)由II段的測(cè)量元件4ZKJ動(dòng)作，使5SJ時(shí)間繼電器起動(dòng)，經(jīng)過(guò)II段的動(dòng)作時(shí)限tII后5SJ接點(diǎn)閉合，8XJ信號(hào)繼電器線(xiàn)圈通電后開(kāi)關(guān)閉合，使10BCJ出口中間繼電器線(xiàn)圈通電開(kāi)關(guān)閉合，斷路器跳閘；當(dāng)參數(shù)設(shè)置使I、II段的保護(hù)范圍以外發(fā)生故障時(shí)，則3ZKJ和4ZKJ測(cè)量元件均不能動(dòng)作。此時(shí)，若故障落在III段的保護(hù)范圍內(nèi)，起動(dòng)元件和方向元件均可動(dòng)作，經(jīng)過(guò)三段延時(shí)時(shí)間tIII后，6SJ時(shí)間繼電器的接點(diǎn)才會(huì)閉合，再經(jīng)9XJ信號(hào)繼電器的線(xiàn)圈起動(dòng)10BCJ出口中間繼電器，使斷路器跳閘。設(shè)計(jì)中，為簡(jiǎn)化保護(hù)裝置模型，保護(hù)的起動(dòng)元件兼作III段的測(cè)量元件。

3.2 線(xiàn)路模型

針對(duì)保護(hù)2進(jìn)行距離三段式保護(hù)設(shè)計(jì)，I段、II段作為主保護(hù)，III段作為后備保護(hù)。其中，設(shè)計(jì)參數(shù)電源電壓為110kV，線(xiàn)路單位阻抗為0.4Ω/km，線(xiàn)路的最大負(fù)荷電流為350A，可靠系數(shù)為0.8，電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)系數(shù)為2，阻抗測(cè)量元件的返回系數(shù)取1.2。線(xiàn)路模型如圖3。

圖4 距離保護(hù)線(xiàn)路模型

3.3 參數(shù)輸入模塊與故障分析

距離保護(hù)參數(shù)輸入模塊可以輸入整定阻抗的阻抗角、負(fù)荷阻抗的阻抗角、短路點(diǎn)與系統(tǒng)電源的距離等參數(shù)。而故障分析將根據(jù)現(xiàn)有的參數(shù)及輸入的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，將計(jì)算出保護(hù)1、保護(hù)2的整定阻抗以及測(cè)量阻抗，將測(cè)量阻抗與整定阻抗進(jìn)行比較分析后，判斷出保護(hù)2哪一段保護(hù)動(dòng)作，并將計(jì)算分析后的數(shù)據(jù)顯示在圖5的界面上。

圖5 距離保護(hù)參數(shù)輸入輸出界面

3.4 保護(hù)動(dòng)作演示

保護(hù)動(dòng)作演示是根據(jù)故障分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)的選擇、起動(dòng)及動(dòng)作判別，通過(guò)三段式距離保護(hù)繼電器虛擬模型圖3進(jìn)行可視化的圖形演示，通過(guò)延時(shí)繼電器突出單個(gè)區(qū)段或相鄰區(qū)段對(duì)應(yīng)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限以及動(dòng)作延遲過(guò)程。本系統(tǒng)可以完成距離I段、距離II段、距離III段動(dòng)作演示過(guò)程。以距離I段為例，假設(shè)故障點(diǎn)發(fā)生在保護(hù)范圍內(nèi)距離系統(tǒng)電源15千米處，故障分析模塊計(jì)算出測(cè)量阻抗小于保護(hù)2距離I段的整定阻抗，起動(dòng)元件和方向元件的接點(diǎn)狀態(tài)均變?yōu)殚]合，于是操作電源的正極通過(guò)該閉合接點(diǎn)連通測(cè)量元件I段II段阻抗繼電器3ZKJ和4ZKJ的接點(diǎn)以及III段的時(shí)間繼電器6SJ線(xiàn)圈，為保護(hù)I段和II段的動(dòng)作做好準(zhǔn)備，使III段時(shí)間繼電器6SJ線(xiàn)圈通電，狀態(tài)變?yōu)榧t色閃爍，開(kāi)始計(jì)時(shí)。此時(shí)短路故障發(fā)生在I段保護(hù)范圍內(nèi)，I段測(cè)量元件3ZXJ動(dòng)作，其接點(diǎn)閉合后，正電源立即通過(guò)信號(hào)繼電器7XJ的線(xiàn)圈使出口中間繼電路10BCJ動(dòng)作，保護(hù)斷路器瞬時(shí)動(dòng)作跳閘，III段時(shí)間繼電器6SJ復(fù)歸。仿真系統(tǒng)動(dòng)作演示如圖6所示。

圖6 故障點(diǎn)距離保護(hù)裝置15千米的系統(tǒng)操作界面

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以Visual Basic 6.0作為開(kāi)發(fā)工具，虛擬繼電保護(hù)裝置為仿真模型，構(gòu)建一個(gè)可輸入一定參量、計(jì)算故障參量及仿真故障跳閘可視化的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)有操作簡(jiǎn)便、仿真形象具體、計(jì)算精確等特點(diǎn)，適用于高校繼電保護(hù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

［1］楊晶主編.VB6.0程序設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

［2］張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)（第二版）［M］.北京：中國(guó)電力出版社,2012.

［3］賀家李，李永麗，等.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理（第四版）［M］.北京：中國(guó)電力出版社,2010.

TM77

A

1671-6469（2016）-06-0117-03

2016-09-02

管曉虎(1982-)，男，廣東梅縣人，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院講師，研究方向：控制理論與控制工程、風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)。