距離保護仿真實驗設計

管曉虎 江 瑩 孔祥林

（新疆農業(yè)大學機械交通學院 新疆 烏魯木齊 830052）

距離保護仿真實驗設計

管曉虎 江 瑩 孔祥林

（新疆農業(yè)大學機械交通學院 新疆 烏魯木齊 830052）

繼電保護是電力類專業(yè)很重要的一門課程，該課程的理論教學與實驗教學在課程設置上是很緊密的。距離保護是繼電保護中故障點定位的一種有效方法，文章針對繼電保護理論教學抽象難懂的特點，設計了一套基于VB的距離保護仿真實驗系統(tǒng)。利用該實驗系統(tǒng)，學員可以直觀地看到繼電保護模擬動作過程，操作簡便、計算精確。

距離保護；VB；仿真系統(tǒng)

針對抽象的繼電保護原理，開發(fā)一套覆蓋主要保護原理、技術水平難度適中、仿真形象具體的繼電保護仿真實驗教學系統(tǒng)是很有必要的。本課題研究的是線路繼電保護仿真系統(tǒng)的開發(fā)，解決的主要問題是通過仿真系統(tǒng)使學習者深入地了解線路保護實驗原理和動作特性。利用集成開發(fā)環(huán)境Visual Basic6.0對仿真系統(tǒng)進行設計，通過模擬現場的繼電器、斷路器動作過程及各種運行工況，使學員達到熟悉和提高繼電保護設備操作能力的目的。

1 仿真實驗系統(tǒng)結構

本設計是在Visual Basic6.0的面向對象的集成開發(fā)環(huán)境下建立一個標準的EXE工程，在該工程下根據需要建立若干個窗體，通過屬性窗口設置各個窗體屬性；添加好窗體后根據每個窗體所需實現的功能對該窗體添加相應的控件，完成空間的添加后通過屬性窗口完成對各個控件屬性的設置；設置好空間的屬性后，再進行代碼編輯[1]。該仿真系統(tǒng)包括線路保護演示系統(tǒng)界面的設計、三段式電流保護仿真模塊的設計、方向性電流保護仿真模塊的設計、距離保護的設計以及差動保護的設計。其中，三段式電流保護仿真模塊包括同一區(qū)段三段式電流保護模塊設計和相鄰區(qū)段三段式電流保護模塊設計，方向性電流保護仿真模塊包括方向過電流保護模塊設計和方向電流速斷保護模塊設計，差動保護模塊包括縱差保護模塊和橫差保護模塊的設計[2]。每一種保護仿真模塊按實現功能又分為圖形編輯模塊，參數輸入模塊、保護動作演示模塊、故障分析模塊。其系統(tǒng)構成如圖1所示。

其中，參數輸入模塊用來輸入繼電保護實驗仿真所需的各項參數，如線路單位阻抗、系統(tǒng)阻抗、電力系統(tǒng)電壓以及不同保護原理對應的可靠系數，等；故障診斷模塊是根據學員輸入的故障距離等參數對線路進行短路電流計算，進行故障判別，并且將分析結果送往保護動作演示模塊。設置不同類型的故障在線路上某一點，根據輸入參數和故障信息，故障診斷模塊自動建立電力系統(tǒng)數學模型，并將故障計算結果實時提供給各個模擬模塊，由模擬模塊進行判斷來實現逼真的繼電保護動作行為演示。

圖1 系統(tǒng)構成圖

2 模塊實現流程

進入仿真系統(tǒng)演示系統(tǒng)界面，可選擇所需要進行演示的繼電保護仿真實驗，點擊實驗選項即彈出相應的線路模型模塊和參數輸入模塊，線路模型模塊上顯示對應保護的線路圖，在參數輸入模塊輸入相應參數后點擊“開始”按鈕，則進行各項參數計算及結果輸出，并將計算結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動作演示模塊中以動作和聲音的方式演示出來。其流程圖如圖2所示。

圖2 流程圖

3 距離保護模塊設計

3.1 繼電器虛擬模型

距離保護是反映故障點到保護安裝地點之間的距離（或阻抗），并根據距離的遠近而確定故障動作時間的一種保護裝置[3]。本設計中，距離保護動作演示模型采用三段式距離保護，其組成原理如圖3，圖中電流繼電器為起動元件lLJ，功率方向繼電器即方向元件2GJ，保護I段和II段的測量元件分別是阻抗繼繼電器3ZKJ和4ZKJ，保護II段和III段的時間元件分別為時間繼電器5SJ和6SJ，保護I、II、III段的信號元件則分別為信號繼電器7XJ、8XJ、9XJ。保護各段動作后，均通過出口中間繼電器10BCJ使斷路器跳閘。

圖3 三段式距離保護繼電器虛擬模型組成原理圖

當參數設置使短路故障發(fā)生在保護范圍內時，1LJ起動元件和2GJ方向元件的接點均會做閉合動作，使得操作電源的正極通過其閉合接點連通測量元件3ZKJ和4ZKJ的接點以及時間繼電器6SJ的線圈，此時，保護I段和II段做好動作準備，并使III段時間繼電器開始計時。當設置參數使I段保護范圍內發(fā)生故障時，I段3ZXJ測量元件接點做閉合動作后，正電源將通過7XJ信號繼電器的線圈通電，使10BCJ出口中間繼電路線圈通電從而導致其開關閉合動作，此時斷路器會迅速跳閘；當設置參數使II段的保護范圍內發(fā)生故障時（例如在被保護線路的末端短路時），I段3ZKJ測量元件將不會動作，此時由II段的測量元件4ZKJ動作，使5SJ時間繼電器起動，經過II段的動作時限tII后5SJ接點閉合，8XJ信號繼電器線圈通電后開關閉合，使10BCJ出口中間繼電器線圈通電開關閉合，斷路器跳閘；當參數設置使I、II段的保護范圍以外發(fā)生故障時，則3ZKJ和4ZKJ測量元件均不能動作。此時，若故障落在III段的保護范圍內，起動元件和方向元件均可動作，經過三段延時時間tIII后，6SJ時間繼電器的接點才會閉合，再經9XJ信號繼電器的線圈起動10BCJ出口中間繼電器，使斷路器跳閘。設計中，為簡化保護裝置模型，保護的起動元件兼作III段的測量元件。

3.2 線路模型

針對保護2進行距離三段式保護設計，I段、II段作為主保護，III段作為后備保護。其中，設計參數電源電壓為110kV，線路單位阻抗為0.4Ω/km，線路的最大負荷電流為350A，可靠系數為0.8，電動機自啟動系數為2，阻抗測量元件的返回系數取1.2。線路模型如圖3。

圖4 距離保護線路模型

3.3 參數輸入模塊與故障分析

距離保護參數輸入模塊可以輸入整定阻抗的阻抗角、負荷阻抗的阻抗角、短路點與系統(tǒng)電源的距離等參數。而故障分析將根據現有的參數及輸入的參數進行計算分析，將計算出保護1、保護2的整定阻抗以及測量阻抗，將測量阻抗與整定阻抗進行比較分析后，判斷出保護2哪一段保護動作，并將計算分析后的數據顯示在圖5的界面上。

圖5 距離保護參數輸入輸出界面

3.4 保護動作演示

保護動作演示是根據故障分析后的數據進行保護的選擇、起動及動作判別，通過三段式距離保護繼電器虛擬模型圖3進行可視化的圖形演示，通過延時繼電器突出單個區(qū)段或相鄰區(qū)段對應保護的動作時限以及動作延遲過程。本系統(tǒng)可以完成距離I段、距離II段、距離III段動作演示過程。以距離I段為例，假設故障點發(fā)生在保護范圍內距離系統(tǒng)電源15千米處，故障分析模塊計算出測量阻抗小于保護2距離I段的整定阻抗，起動元件和方向元件的接點狀態(tài)均變?yōu)殚]合，于是操作電源的正極通過該閉合接點連通測量元件I段II段阻抗繼電器3ZKJ和4ZKJ的接點以及III段的時間繼電器6SJ線圈，為保護I段和II段的動作做好準備，使III段時間繼電器6SJ線圈通電，狀態(tài)變?yōu)榧t色閃爍，開始計時。此時短路故障發(fā)生在I段保護范圍內，I段測量元件3ZXJ動作，其接點閉合后，正電源立即通過信號繼電器7XJ的線圈使出口中間繼電路10BCJ動作，保護斷路器瞬時動作跳閘，III段時間繼電器6SJ復歸。仿真系統(tǒng)動作演示如圖6所示。

圖6 故障點距離保護裝置15千米的系統(tǒng)操作界面

4 結語

本設計以Visual Basic 6.0作為開發(fā)工具，虛擬繼電保護裝置為仿真模型，構建一個可輸入一定參量、計算故障參量及仿真故障跳閘可視化的仿真實驗系統(tǒng)。本設計有操作簡便、仿真形象具體、計算精確等特點，適用于高校繼電保護課程的實驗教學。

［1］楊晶主編.VB6.0程序設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社,2004.

［2］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,2012.

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

TM77

A

1671-6469（2016）-06-0117-03

2016-09-02

管曉虎(1982-)，男，廣東梅縣人，新疆農業(yè)大學機械交通學院講師，研究方向：控制理論與控制工程、風力發(fā)電控制系統(tǒng)。