在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，仿真已經(jīng)成為開發(fā)、運行、維護(hù)繼電保護(hù)裝置必不可少的工具。但是，這些仿真系統(tǒng)大多只能實現(xiàn)對繼電保護(hù)裝置部分功能的仿真， 即仿真是不完全的、 徹底的。 隨著計算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，基于平臺技術(shù)的開發(fā)模式得到了運用，各種類型的繼電保護(hù)裝置開發(fā)自統(tǒng)一的平臺， 這樣降低了開發(fā)的投入，縮短了開發(fā)的周期，提高了開發(fā)的質(zhì)量[1 ]。 平臺技術(shù)的運用， 為完全仿真各種類型的繼電保護(hù)裝置打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
1 平臺開發(fā)技術(shù)
1.1 平臺開發(fā)的原理
在對變壓器保護(hù)、母線保護(hù)、線路保護(hù)等主要繼電保護(hù)裝置的特征和功能進(jìn)行分析后， 可以得出這些裝置具有很多共性的地方:
（1） 具有模擬量輸入和開關(guān)量輸入， 模擬量輸出和開關(guān)量輸出，面板信號燈等；
（2） 具有保護(hù)定值、保護(hù)壓板，并配置遙測、遙信、遙控、保護(hù)事件、告警等信息。
（3） 簡單的保護(hù)邏輯可以由多個邏輯圖元通過連線組合成一張邏輯圖。 復(fù)雜的保護(hù)邏輯可以通過算法圖元（編寫邏輯算法函數(shù)）來實現(xiàn)[1，2]。
由此，可以將一臺保護(hù)裝置分解為硬件配置、軟件屬性和保護(hù)邏輯 3 個部分，如圖 1 所示。
硬件配置描述組成保護(hù)裝置的硬件特征。 這些硬件特征包括模擬量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出和面板信號燈等。 使用配置工具軟件進(jìn)行硬件資源配置。
軟件屬性描述保護(hù)裝置的軟件特征。 這些軟件特征包括保護(hù)定值、保護(hù)壓板、事件與告警、裝置錄波通道、遙測遙信遙控配置等。使用配置工具軟件進(jìn)行軟件屬性配置。
保護(hù)邏輯由邏輯圖和圖元函數(shù)構(gòu)成。 每個邏輯圖元都有 2 個函數(shù)：初始化函數(shù)和周期掃描函數(shù)。算法圖元的函數(shù)開放給開發(fā)人員編寫， 以實現(xiàn)復(fù)雜的保護(hù)邏輯，其他圖元的函數(shù)則在平臺中實現(xiàn)。使用邏輯圖工具軟件繪制保護(hù)邏輯圖。 一個過流保護(hù)邏輯圖的實例如圖 2 所示。
由圖 2 可見，保護(hù)邏輯圖由輸入圖元、算法圖元、過程圖元和輸出圖元組成，從左至右，很直觀地描述數(shù)據(jù)的處理過程和流向。 “相電流過流”算法圖元有 5 個輸入和 6 個輸出。 當(dāng)“過流保護(hù)控制字”投入，A 相、B相、C 相電流有一相或多相大于 “相電流過流定值”的時候，經(jīng)過“相電流過流延時”定時器，并經(jīng)“保護(hù)壓板”的閉鎖，輸出“相電流過流動作”信號、“相電流過流保護(hù)”事件。
1.2 平臺開發(fā)的軟件
平臺開發(fā)的軟件由 PC 側(cè)工具軟件和裝置側(cè)支撐軟件 2 個部分組成[1]。
（1） PC 側(cè)工具軟件。 配置工具軟件完成裝置硬件和軟件資源的配置， 并輸出硬件和軟件資源配置文件。邏輯圖工具軟件完成保護(hù)邏輯圖的繪制，并輸出順序化的邏輯圖信息文件。
（2） 裝置側(cè)支撐軟件。 裝置側(cè)支撐軟件負(fù)責(zé)讀取硬件配置、軟件屬性和保護(hù)邏輯圖信息，調(diào)用邏輯圖元的初始化函數(shù)進(jìn)行圖元的初始化， 并在一個或多個采樣中斷到來時按照圖元的連接順序依次執(zhí)行每個邏輯圖元的掃描函數(shù)。 裝置側(cè)支撐軟件是平臺開發(fā)技術(shù)的核心，驅(qū)動著所有邏輯圖元根據(jù)輸入計算輸出。上一個圖元根據(jù)輸入計算其輸出， 連接的下一個圖元又把上一個圖元的輸出作為輸入計算其輸出……當(dāng)所有圖元計算完成后，也就得到了*終的輸出結(jié)果。
1.3 平臺開發(fā)的特點
（1） 廣泛的適用性。平臺開發(fā)具有廣泛的適用性。適用于線路保護(hù)、母線及失靈保護(hù)、變壓器保護(hù)、發(fā)變組保護(hù)、短引線保護(hù)、電抗器保護(hù)、電容器保護(hù)等各類保護(hù)裝置的開發(fā)。
（2） 可視化與易用性。 平臺開發(fā)采用可視化的工具軟件，化繁為簡，將復(fù)雜的保護(hù)邏輯轉(zhuǎn)換為直觀的邏輯圖表達(dá)，易于使用和維護(hù)[1，3]。
（3） 良好的經(jīng)濟(jì)性。 在同一個平臺上就可以開發(fā)出各種類型的保護(hù)裝置，極大提高開發(fā)的效率、縮短開發(fā)的周期、減少開發(fā)費用與投入。
2 全功能數(shù)字仿真系統(tǒng)
平臺開發(fā)技術(shù)具有的通用性和先進(jìn)性，為基于平臺開發(fā)的繼電保護(hù)裝置的全功能數(shù)字仿真創(chuàng)造了條件。
2.1 設(shè)計
2.1.1 數(shù)字仿真系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)
（1） 仿真系統(tǒng)的結(jié)果要正確無誤，這是首要條件。如果仿真的結(jié)果與實際裝置有差異， 仿真也就失去了現(xiàn)實意義。
（2） 仿真系統(tǒng)是對保護(hù)裝置全部功能的仿真，不只是保護(hù)邏輯的仿真。保護(hù)裝置具有的功能，仿真系統(tǒng)都必須實現(xiàn)。
（3） 仿真系統(tǒng)界面友好、容易使用。采用可視化和圖形化的界面，能夠直觀的進(jìn)行仿真、測試、分析。
2.1.2 設(shè)計方案
按照平臺開發(fā)技術(shù)的思想， 要實現(xiàn)保護(hù)裝置的仿真，*關(guān)鍵的是要在仿真系統(tǒng)中實現(xiàn)裝置側(cè)支撐軟件。此外，需要模擬裝置的輸入與輸出，例如模擬采樣中斷和跳閘開出。 為了保證仿真結(jié)果與保護(hù)裝置完全一致，仿真系統(tǒng)使用保護(hù)裝置中同樣的文件， 包括硬件配置文件、 軟件屬性文件、 邏輯圖信息文件和算法函數(shù)文件。 數(shù)字仿真系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計如圖 3 所示。
（1） 平臺支撐軟件是整個仿真系統(tǒng)的核心， 使用裝置的硬件配置、軟件屬性、保護(hù)邏輯圖和經(jīng)過編譯的算法等文件，構(gòu)建虛擬保護(hù)裝置。 并對外提供虛擬裝置的輸入和輸出接口。
（2） 輸入接口提供多種類型的數(shù)據(jù)輸入， 包括保護(hù)測試儀、 故障錄波文件、PSCAD 軟件輸入等模擬量和開關(guān)量輸入；保護(hù)功能投退信息、保護(hù)定值整定數(shù)據(jù)和保護(hù)壓板投退狀態(tài)。
（3） 輸出接口提供多種類型的數(shù)據(jù)輸出， 包括模擬量輸出、開關(guān)量輸出（跳閘和發(fā)信）、面板信號燈、輸出數(shù)據(jù)到 PSCAD 軟件；保護(hù)事件、裝置告警、遙測、遙信、遙脈和錄波記錄文件。
（4） 以項目的形式來管理仿真相關(guān)的文件； 對錄波記錄文件可進(jìn)行曲線分析、諧波分析和矢量分析；通過共享內(nèi)存機(jī)制，完成與虛擬裝置的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)通信仿真。
2.2 數(shù)字仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)
2.2.1 算法函數(shù)文件編譯
算法函數(shù)文件采用 C 語言編寫，為了能夠?qū)崟r啟動和停止仿真， 所有算法函數(shù)文件編譯成可動態(tài)鏈接的 dll 文件。 在軟件中要找到算法的初始化函數(shù)，需要在函數(shù)前加入 __declspec(dllexport)聲明，聲明為導(dǎo)出函數(shù)。具體的編譯步驟如下：（1） 根據(jù)添加到仿真項目的算法源文件， 生成 Visual C++ 6.0 動態(tài)鏈接庫項目的 Makefile 文 件 ； （2） 調(diào) 用 Visual C++ 6.0 的 工 具nmake.exe 執(zhí)行編譯；（3） 通過 Windows 的管道機(jī)制，獲取 nmake 編譯的輸出結(jié)果， 顯示到軟件界面；（4）分析*后輸出的結(jié)果，獲知編譯成功或失敗。
2.2.2 模擬采樣中斷
實際保護(hù)裝置中， 邏輯圖是靠毫秒級的采樣中斷來驅(qū)動的。仿真系統(tǒng)軟件做不到這么高實時性，但是需要保證時間的精度。 為此，采用 Windows 的多媒體定時器來模擬采樣中斷，實現(xiàn)毫秒級的定時服務(wù)。具體實現(xiàn) 時 ， 需 要 包 含 頭 文 件 “mmsystem.h” 和 庫 文 件“winmm.lib”。 在定時器處理函數(shù)中，進(jìn)行采樣通道的傅氏運算，驅(qū)動邏輯圖掃描。
2.2.3 平臺支撐軟件
平臺支撐軟件實現(xiàn)裝置側(cè)支撐軟件同樣的功能，主要功能模塊如表 1 所示。 仿真處理的基本流程如圖4 所示。
邏輯圖掃描的處理流程如下：（1） 至掃描標(biāo)志，防止重入；（2） 若采樣函數(shù)被設(shè)置，執(zhí)行采樣函數(shù)，否則執(zhí)行默認(rèn)采樣函數(shù)；（3） 采樣節(jié)拍加 1：（4） 遍歷保護(hù)邏輯圖， 如果采樣節(jié)拍到， 則執(zhí)行周期掃描函數(shù)；（5）記錄該節(jié)拍的通道數(shù)據(jù)，用于后續(xù)錄波使用；（6） 若開出函數(shù)被設(shè)置，執(zhí)行開出函數(shù)；（7） 清掃描標(biāo)志，程序返回。
2.2.4 仿真測試工具
為驗證、分析仿真結(jié)果，本系統(tǒng)實現(xiàn)了 2 種仿真測試工具，保護(hù)測試儀和批量波形輸入。
（1） 保護(hù)測試儀。 為方便測試，保護(hù)測試儀提供 2種工作模式：① 輸出單個狀態(tài)。 輸出的模擬量和數(shù)字量為單一狀態(tài)，通過設(shè)置變化步長，人工加減實現(xiàn)輸出的變化。 ② 輸出狀態(tài)序列。 輸出的模擬量和數(shù)字量為多個狀態(tài)組成的序列，每種狀態(tài)可設(shè)置保持時間，時間結(jié)束后切換到下一個狀態(tài)輸出，自動實現(xiàn)輸出的變化。保護(hù)測試儀啟動后，注冊采樣函數(shù)，替換默認(rèn)的采樣函數(shù)。這個采樣函數(shù)在邏輯圖掃描時被調(diào)用，用保護(hù)測試儀輸出的值填入裝置的采樣緩沖區(qū)，達(dá)到測試目的。
（2） 批量波形輸入。 保護(hù)裝置記錄的故障波形或RTDS、動模測試的實驗波形，可以批量的輸入到虛擬裝置，驗證保護(hù)的動作邏輯。 為了能夠通用，輸入的波形要** COMTRADE 格式的。 實現(xiàn)批量波形輸入，要注意如下幾點：① 進(jìn)行錄波數(shù)據(jù)通道與虛擬裝置輸入通道的匹配； ② 錄波數(shù)據(jù)前幾個周波如果數(shù)值較大，為了反映真實情況，需要在前面加幾個波形平滑處理；③ 一個錄波文件輸入完成后，要延時等待一段時間，等保護(hù)動作復(fù)歸后，再導(dǎo)入下一個錄波文件。
2.2.5 IEC 61850 通信仿真
仿真系統(tǒng)較多用于智能變電站的高壓保護(hù)， 所以只提供 IEC 61850 的通信仿真。 IEC 61850 通信程序是一個獨立進(jìn)程， 通過共享內(nèi)存與仿真系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 IEC 61850 通信進(jìn)程將要讀或?qū)懙臄?shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)的序號或數(shù)據(jù)的值等參數(shù)傳遞給仿真系統(tǒng)， 仿真系統(tǒng)再根據(jù)參數(shù)將數(shù)據(jù)值或?qū)懡Y(jié)果傳遞給 IEC 61850 通信進(jìn)程[4]。
IEC 61850 通信仿真， 主要有如下用途：（1） 驗證裝置的 ICD 模型文件；（2） 模擬裝置數(shù)據(jù)， 測試 IEC61850 客戶端。
2.3 數(shù)字仿真系統(tǒng)的應(yīng)用
目前， 數(shù)字仿真系統(tǒng)在公司高低壓繼電保護(hù)裝置的開發(fā)、測試、分析等多個方面得到了廣泛應(yīng)用。
2.3.1 數(shù)字仿真系統(tǒng)主要用途
（1） 可拋開硬件，在 PC 機(jī)上進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)或已有產(chǎn)品的完善。
（2） 可對用戶進(jìn)行培訓(xùn)， 使他們盡快掌握保護(hù)裝置的設(shè)置和調(diào)試。
（3）故障波形實時回放、分析，協(xié)助解決現(xiàn)場問題。
（4） 借助 Visual C++ 軟件， 實現(xiàn)算法文件的源碼級調(diào)試。
（5） 與 PSCAD 系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可在PSCAD 中模擬故障發(fā)生，研究保護(hù)算法。
2.3.2 PST671U 變壓器仿真實例
以 PST671U 變壓器保護(hù)仿真為例，說明數(shù)字仿真系統(tǒng)的應(yīng)用流程。
（1） 新建 “PST 671U 變壓器保護(hù)”仿真工程，選定硬件配置文件 hwcfg.ehc、 軟件屬性文件 swcfg.esc、邏輯圖信息文件 logic.egs。
（2） 添加變壓器保護(hù)的所有算法函數(shù)文件， 啟動算法編譯，生成動態(tài)鏈接庫 suanfa.dll。
（3） 設(shè)置項目參數(shù)，包括邏輯圖掃描速度、生成錄波時是否提示、是否啟動 IEC 61850 通信仿真等。
（4） 啟動仿真，若失敗給出錯誤提示信息，排查錯誤后，重新啟動仿真，直到成功為止。
（5） 仿真啟動后， 就可以進(jìn)行保護(hù)功能的測試。
① 保護(hù)參數(shù)的設(shè)置。 包括保護(hù)功能投退、保護(hù)壓板投退和保護(hù)定值整定。 比如我們要做差動保護(hù)的測試，首
先要投入差動保護(hù)功能，然后投入差動保護(hù)出口壓板，*后整定差動保護(hù)動作定值，投入差動速斷、二次諧波制動、CT 斷線閉鎖等控制字。 ② 保護(hù)功能的測試。 打開保護(hù)測試儀或批量波形輸入工具， 設(shè)置保護(hù)模擬量和數(shù)字量的輸入值，比如填寫三相電壓、電流的幅值和相角，啟動測試。 ③ 仿真結(jié)果的分析。 啟動保護(hù)測試后，通過*近事件窗口、開入開出量、裝置面板信號燈等獲知保護(hù)告警或動作事件的發(fā)生， 以此判斷保護(hù)動作行為是否正確。 通過分析錄波記錄文件，可更詳細(xì)的分析仿真結(jié)果。
（6） 保護(hù)功能測試完成后，停止仿真，保存仿真項目，退出系統(tǒng)。
3 結(jié)束語
本文從開發(fā)原理、 開發(fā)軟件及開發(fā)特點 3 個方面介紹了繼電保護(hù)裝置的平臺開發(fā)技術(shù)。 基于這一平臺技術(shù)， 給出了一種繼電保護(hù)裝置全功能數(shù)字仿真的方案，并詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)和應(yīng)用。 實際使用情況表明了此方案的正確性。 為保證仿真結(jié)果與實際裝置完全一致， 仿真系統(tǒng)使用實際裝置中同樣的文件，這是保證仿真效果的關(guān)鍵。
