繼電保護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)

郭丙君 常虹 范宇

摘?要：虛擬仿真技術(shù)是一項(xiàng)遠(yuǎn)程教學(xué)的重要技術(shù)，本文應(yīng)用基于積件庫的方式開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，分析了繼電保護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)開發(fā)思路以及特點(diǎn)，對(duì)于開展同類的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn);積件庫;繼電保護(hù)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)

1?緒論

遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代具有重要意義，對(duì)于如繼電保護(hù)原理這樣的課程對(duì)于實(shí)踐性的教學(xué)要求是很高的，而工科課程的遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)過程中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，開展工科專業(yè)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)顯得十分必要[12]。由于學(xué)生在不同的地點(diǎn)在不同的時(shí)間來開展實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)就決定了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)不能受時(shí)間和空間的限制，目前一種基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，利用開發(fā)的積件庫可以自由的搭建相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)，該技術(shù)是開放性的，完全基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，非常適合于遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，同時(shí)基于能實(shí)不虛的原則合理地選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是十分必要的，本人基于目前使用比較廣泛的“靜一積件式教學(xué)仿真軟件”開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了繼電保護(hù)原理的遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)于開展相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有一定的指導(dǎo)意義。

2?基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬遠(yuǎn)程繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文應(yīng)用了基于積件庫為基礎(chǔ)的虛擬遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來進(jìn)行繼電保護(hù)原理遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，它是目前比較流行的虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)技術(shù)，這種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)技術(shù)的核心就是要求先要對(duì)仿真對(duì)象進(jìn)行有效的建模，可以是根據(jù)物理模型建立數(shù)學(xué)方程組，然后應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行仿真計(jì)算，將實(shí)驗(yàn)的各種要素制作成為積件，建立相關(guān)的積件庫，由學(xué)生根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)要求來搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這樣就形成了積件式教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。應(yīng)該指出基于積件庫技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完全可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運(yùn)行，完全脫離了物理環(huán)境的依賴，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以要求進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)理論的預(yù)習(xí)，設(shè)置了良好的“教學(xué)—實(shí)驗(yàn)—評(píng)測(cè)”的閉環(huán)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以滿足學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，自主管理的目的，是一種值得推廣的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

對(duì)于大型化工公司來說其供電容量比較大，供電的電壓等級(jí)也比較高，其變電所的電壓等級(jí)為110kV，而實(shí)際的高壓設(shè)備運(yùn)行時(shí)是很少有故障出現(xiàn)的，學(xué)生及公司的技術(shù)人員是難以在繼電保護(hù)方面得到相關(guān)的訓(xùn)練的。同時(shí)應(yīng)該指出：

（1）高壓大電流的實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入巨大，實(shí)驗(yàn)建設(shè)很困難;

（2）實(shí)驗(yàn)的電壓很高，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較危險(xiǎn)的;

（3）輸電線路通常是架空線路，空間高度大，模擬困難;

（4）應(yīng)用了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以設(shè)置各種故障情況，比較好地提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)系統(tǒng)，使用三段式距離保護(hù)加一次重合閘后加速作為線路主保護(hù)。通過實(shí)驗(yàn)，更好地掌握三段式距離保護(hù)及一次自動(dòng)重合閘后加速的原理及實(shí)際操作。

使用者可以通過漫游形式對(duì)整個(gè)變電站環(huán)境進(jìn)行認(rèn)識(shí)，并且結(jié)合變電站一次主接線回路圖，認(rèn)識(shí)變電站測(cè)控設(shè)備對(duì)應(yīng)使用。圖1所示為變電站場(chǎng)景。

點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)運(yùn)行菜單按鈕，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行操作狀態(tài)，進(jìn)入到220kV變電站場(chǎng)景，可以使用鍵盤方向按鍵和鼠標(biāo)進(jìn)行場(chǎng)景的漫游，結(jié)合變電站一次主接線內(nèi)容進(jìn)行變電站的布局和配置設(shè)備認(rèn)知（變壓器、斷路器、互感器、操動(dòng)機(jī)構(gòu)、220kV進(jìn)線、110kV出線、10kV、配電房、控制室等）。圖2、圖3所示為變電站及其設(shè)備。

在不同的場(chǎng)景下可以打開對(duì)應(yīng)的測(cè)控面板，外場(chǎng)景下可以打開220斷路器開關(guān)操作面板和110斷路器開關(guān)操作面板，對(duì)應(yīng)主接線查看斷路器位置，通過光字牌查開斷路器和操動(dòng)機(jī)構(gòu)狀態(tài)，并可以對(duì)一個(gè)斷路器進(jìn)行分合閘操作，觀察他們的動(dòng)作情況。如圖4所示。

圖5給出了電力系統(tǒng)三段式距離保護(hù)一次自動(dòng)重合閘后加速保護(hù)實(shí)驗(yàn)測(cè)控操作面板，圖6、7為距離保護(hù)一次及二次回路。學(xué)生可以自己進(jìn)行實(shí)驗(yàn)線路的搭建，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試，反復(fù)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，線上實(shí)驗(yàn)操作方便，滿足了教學(xué)的需要。

由于具有了遠(yuǎn)程虛擬仿真平臺(tái)，目前已經(jīng)開發(fā)了比較多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：

（1）變壓器倒閘操作;

（2）母線倒閘操作;

（3）三相一次重合閘裝置實(shí)驗(yàn);

（4）距離保護(hù)及階段式方向距離保護(hù)整定實(shí)驗(yàn);

（5）線路過電流保護(hù)與自動(dòng)重合閘綜合實(shí)驗(yàn);

（6）線路過電流保護(hù)與自動(dòng)重合閘后加速綜合實(shí)驗(yàn);

（7）供電線路電流速斷保護(hù)實(shí)驗(yàn);

（8）配電變壓器的過負(fù)荷保護(hù)實(shí)驗(yàn)等仿真實(shí)驗(yàn)。

和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)互相補(bǔ)充，發(fā)揮出各自的優(yōu)點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，滿足學(xué)生及相關(guān)公司的技術(shù)人員的自主實(shí)驗(yàn)的需求。

3?結(jié)語

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)的，它使得電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，擺脫實(shí)驗(yàn)對(duì)物理環(huán)境的依賴，教學(xué)雙方找到最適合自己的交流平臺(tái)，形成以平臺(tái)為核心的人才培養(yǎng)新的模式。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭丙君.遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)方法探討[J].教育學(xué)文摘，20191，203（1）：103104.

[2]唐鴻儒，宋愛國(guó).基于Internet的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室研究[J].測(cè)控技術(shù)，2005，25（2）：5458.

作者簡(jiǎn)介：郭丙君（1962—?），男，上海人，博士，教授，研究方向：先進(jìn)控制、工業(yè)電氣自動(dòng)化及仿真、電力電子與電力傳動(dòng)、工業(yè)過程模型化與控制。