0 引言
微機(jī)型線路保護(hù)裝置已經(jīng)在國內(nèi)各電力系統(tǒng)中得到廣泛使用，但由于其特有的復(fù)雜性，供電企業(yè)對微機(jī)保護(hù)的使用和維護(hù)一直處于較低的水平。隨著電力工業(yè)及仿真技術(shù)的發(fā)展，人們對繼電保護(hù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的認(rèn)識逐漸增強(qiáng)，對仿真的逼真性、實用性、靈活性的要求也日益提高[1]。
目前，所有的繼電保護(hù)仿真系統(tǒng)都不能完全地仿真繼電保護(hù)裝置[2]，仿真系統(tǒng)實現(xiàn)的僅僅是部分功能或特性，缺乏對繼電保護(hù)裝置整體性功能的仿真。例如文獻(xiàn)[3]開發(fā)的以 RCS-901 為例的距離保護(hù)仿真軟件；文獻(xiàn)[4]開發(fā)的繼電保護(hù)裝置動作邏輯的仿真系統(tǒng)；文獻(xiàn)[5]開發(fā)的以微機(jī)保護(hù)為基本建模單元的通用數(shù)據(jù)庫模型，等等。
繼電保護(hù)仿真系統(tǒng)的仿真方法主要有兩種：定值比較法和邏輯比較法[6-7]。邏輯比較法基于保護(hù)規(guī)制，實時性好[8]，但在某些運(yùn)行條件下仿真結(jié)果與實際情況有較大出入，仿真的逼真性較差[9]。定值比較法是將電力系統(tǒng)計算的電氣量與整定值相比較而實現(xiàn)故障判別的仿真方法，該方法與微機(jī)保護(hù)裝置的保護(hù)原理類似，逼真度高。
本文開發(fā)的基于實際裝置的 500 kV 線路保護(hù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)采用定值比較法，對某 500 kV 變電站線路保護(hù)柜的功能進(jìn)行完整仿真。針對培訓(xùn)這一仿真目的，引入模擬運(yùn)行線路完成線路保護(hù)仿真裝置的動態(tài)模擬實驗測試，引入繼電保護(hù)測試儀仿真裝置完成線路保護(hù)仿真裝置的保護(hù)調(diào)試，形成了集動模試驗仿真及調(diào)試仿真為一體的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)改進(jìn)了以往的電力系統(tǒng)仿真只能顯示簡單的交互界面，對動態(tài)、復(fù)雜畫面內(nèi)容表達(dá)能力欠佳；操作方式和操作界面單一；實時性不好[10]等不足，在逼真性、交互性、實時性等方面都有較好表現(xiàn)，具有很高的實用價值。
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模擬運(yùn)行線路的功能：電力系統(tǒng)運(yùn)行方式選擇（甲線、乙線同時運(yùn)行或甲線退出乙線運(yùn)行）；發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、系統(tǒng)等仿真線路參數(shù)的查詢與修改；故障點(diǎn)設(shè)置；開關(guān)工作狀態(tài)、保護(hù)動作狀態(tài)、故障狀態(tài)顯示；潮流數(shù)據(jù)實時顯示。
故障計算：1）潮流計算。直接將發(fā)電機(jī)輸出功率減半，作為支路功率；根據(jù)功率計算發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和交軸暫態(tài)電勢。2）短路計算。假定發(fā)電機(jī)交軸暫態(tài)電勢和系統(tǒng)電壓不變，計算短路電流。
系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
仿真系統(tǒng)由三部分組成：運(yùn)行線路、保護(hù)柜、繼電保護(hù)測試儀。運(yùn)行線路與保護(hù)柜構(gòu)成動模試驗仿真平臺，用于線路保護(hù)仿真裝置電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗；繼電保護(hù)測試儀與保護(hù)柜構(gòu)成保護(hù)調(diào)試仿真平臺，用于線路保護(hù)仿真裝置定值校驗測試。
運(yùn)行線路：模擬一條典型的 500 kV 雙回線運(yùn)行線路，采用二分之三開關(guān)接線。
保護(hù)柜：模擬某 500 kV 變電站的微機(jī)線路保護(hù)柜 。該保護(hù)柜 的主要布置 如下： RCS-931D 、RCS-925A、RCS-902D、電源開關(guān)、切換開關(guān)等。 繼電保護(hù)測試儀：模擬廣東電網(wǎng)范圍內(nèi)普遍使用的昂立 A460 及博電 PW466A 繼電保護(hù)測試儀。 2 仿真系統(tǒng)建模。
2.1 運(yùn)行線路模型
模擬運(yùn)行線路用于完成線路保護(hù)仿真裝置的電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗。本系統(tǒng)仿真的運(yùn)行線路為500 kV 電壓等級，包含雙回線，二分之三開關(guān)接線。
2.2 保護(hù)裝置模型
保護(hù)模型是繼電保護(hù)仿真系統(tǒng)的主要組成部分，也是仿真系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)?；诙ㄖ当容^法的保護(hù)模型根據(jù)輸入的電氣數(shù)據(jù)作出保護(hù)判斷，動作特性不受運(yùn)行方式的影響。
2.2.1 模型設(shè)計
微機(jī)線路保護(hù)裝置的軟件工作流程如圖 3 所示 。 本 文 開 發(fā) 的 微 機(jī) 線 路 保 護(hù) 裝 置（RCS-902D/RCS-925A/RCS-931D）依據(jù)此工作流程開發(fā)設(shè)計，對于不同的裝置，其仿真流程一致，區(qū)別在于流程中各部分的具體實現(xiàn)不一樣。仿真系統(tǒng)工作流程的功能設(shè)計如下：
1）采樣程序：對故障電壓、故障電流、開關(guān)量等電氣量進(jìn)行采集；
2）啟動：啟動判據(jù)的計算，根據(jù)是否滿足條件進(jìn)入正常程序或故障計算程序；
3）正常程序：開關(guān)位置狀態(tài)檢查、交流電壓斷線檢查、交流電流斷線檢查、重合閘充電等；
4）故障計算程序：各種保護(hù)的算法計算、跳閘邏輯判斷、事件報告、故障報告、波形整理；
5）整組復(fù)歸：**臨時標(biāo)志、收回各種操作命令，保護(hù)裝置返回到故障前的狀態(tài)，為下一次保護(hù)動作做準(zhǔn)備。
2.2.2 關(guān)鍵問題
判斷故障是否在保護(hù)的范圍內(nèi)是保護(hù)裝置模型設(shè)計中的關(guān)鍵問題。本文設(shè)計的線路保護(hù)仿真裝置對實際線路保護(hù)裝置的動作邏輯及各保護(hù)算法進(jìn)行仿真，使保護(hù)仿真裝置能作出與實際裝置一致的保護(hù)動作。在設(shè)計保護(hù)模型時，將線路保護(hù)裝置各保護(hù)配置模塊化處理，滿足啟動條件時進(jìn)入相應(yīng)的保護(hù)模塊進(jìn)行保護(hù)判斷。
下面僅以 RCS-931D 的三段式接地和相間距離保護(hù)為例，介紹線路保護(hù)仿真裝置保護(hù)模塊的開發(fā)。 １）保護(hù)動作邏輯保護(hù)動作邏輯是保護(hù)模塊的基礎(chǔ)，根據(jù)測量比較元件輸出邏輯信號的性質(zhì)、先后順序、持續(xù)時間等，判定故障的類型和范圍，*后確定是否發(fā)出跳閘、重合閘、不動作等信號。除啟動元件和延時元件外，保護(hù)動作邏輯可視為一個二值系統(tǒng)的組合，即由這些二值元件的組合實現(xiàn)特定的功能[4]。由此將保護(hù)動作邏輯加以簡化，認(rèn)為保護(hù)動作邏輯傳遞的主要是開和關(guān)的信號，即“0”和“1”的信號，這樣保護(hù)動作邏輯就可以簡化為一個二值系統(tǒng)[11]。對保護(hù)動作邏輯仿真可簡化為對該二值系統(tǒng)的分析仿真。
RCS-931D 的三段式接地和相間距離保護(hù)動作邏輯如圖 4 所示。該保護(hù)動作邏輯由測量比較元件、開放元件、保護(hù)啟動、壓板投入等按照一定的邏輯（“與”、“或”、“非”等）并與延時元件配合而成。該仿真系統(tǒng)基于定值比較法，保護(hù)動作邏輯中的測量比較元件涉及電氣量比較運(yùn)算，具體計算見保護(hù)算法。
２）保護(hù)算法
采用定值比較法的保護(hù)算法的實現(xiàn)：通過輸入的電氣量與給定的值比較，根據(jù)比較結(jié)果，給出“真”、“假”、“0”、“1”性質(zhì)的一組邏輯信號，從而判斷保護(hù)是否應(yīng)該啟動。三段式距離保護(hù)，阻抗繼電器由正序電壓極化，對不對稱短路有較大的保護(hù) 過 渡 電 阻 的 能 力 。 其 動 作 方 程 為 ： o o
op p ?90 < arg (U U ) < 90 ，其中：Uop 為工作電壓，UP為極化電壓。距離保護(hù)的保護(hù)算法通過計算輸入電氣量是否滿足動作方程而給出“真”、“假”性質(zhì)的邏輯信號，從而用于判斷距離保護(hù)是否該啟動。三段式距離保護(hù)各段工作電壓及極化電壓的算法.參數(shù)說明：φ –A，B，C；φφ –AB，BC，CA；ZZD為整定阻抗；K 為零序補(bǔ)償系數(shù)；I0為零序電流；UOPφ，UOPφφ 為工作電壓；UPφ ，UPφφ為極化電壓；U1φ ，U1φφ為記憶故障前正序電壓；θ1，θ2 為移相角。
2.3 繼電保護(hù)測試儀模型
線路保護(hù)裝置的保護(hù)調(diào)試通過繼電保護(hù)測試儀來完成，本文設(shè)計的繼電保護(hù)測試儀仿真裝置依據(jù)各線路保護(hù)裝置的調(diào)試大綱，模擬了如下試驗項目：電壓/電流、距離保護(hù)、零序保護(hù)、工頻變化量保護(hù)、阻抗特性、阻抗繼電器等。仿真的繼電保護(hù)測試儀能完成表 1 所示的各保護(hù)的測試。
繼電保護(hù)測試儀的各實驗項目由如下模塊成：
1）參數(shù)設(shè)置模塊：模擬實際裝置的參數(shù)設(shè)置界面，如整定值、整定倍數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)、開關(guān)量等參數(shù)設(shè)置。
2）輸出顯示模塊：試驗過程中的電壓、電流實時輸出顯示界面，如：矢量圖、輸出監(jiān)視、歷史曲線等。
3）試驗結(jié)果模塊：整理試驗結(jié)果，生成實驗結(jié)果及實驗報告。
4）輸出算法模塊：測試儀的核心部分，測試結(jié)果是否正確的關(guān)鍵。本文設(shè)計的繼電保護(hù)測試儀仿真裝置模擬了實際裝置的內(nèi)部輸出算法，具有與實
際裝置一致的輸出，可保證調(diào)試結(jié)果的正確性。 3 開發(fā)及應(yīng)用介紹
綜合考慮網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、執(zhí)行效率、顯示效果等因素，該仿真系統(tǒng)采用 Flash CS4 開發(fā)。Flash CS4 是當(dāng)前流行的動畫制作軟件，它把向量圖的**性和靈活性與位圖、聲音、動畫、**交互性融合在一起，能夠創(chuàng)作出**吸引力的動畫效果，使培訓(xùn)效果事半功倍，且其制作的動畫文件較小，適合網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。
本文開發(fā)的 500 kV 線路保護(hù)仿真系統(tǒng)應(yīng)用于廣東電網(wǎng)公司教育培訓(xùn)中心的線路保護(hù)遠(yuǎn)程培訓(xùn)系統(tǒng)中。通過與實際裝置的對比表明該仿真系統(tǒng)具有極高的逼真度：
(1) 一致的操作界面。線路保護(hù)仿真裝置及繼電保護(hù)測試儀仿真裝置具有與實際系統(tǒng)一致的操作界面，使用戶有身臨其境的感覺。該仿真系統(tǒng)對保護(hù)柜操作界面進(jìn)行仿真，保護(hù)柜上的開關(guān)關(guān)合、壓板投切、保護(hù)屏的小鍵盤等操作均與實際系統(tǒng)一致，且真實有效；繼電保護(hù)測試儀仿真裝置中的參數(shù)設(shè)置、圖形顯示、試驗報告等界面也與實際裝置一致。 (2) 一致的保護(hù)動作。針對不同的故障，線路保護(hù)仿真裝置能正確動作。線路保護(hù)仿真裝置像實際裝置一樣區(qū)分出動作邊界，反向故障時能正確區(qū)分出方向。
(3) 一致的故障輸出。仿真的運(yùn)行線路的潮流計算無誤，且滿足實時性要求；繼電保護(hù)測試儀仿真裝置具備與實際系統(tǒng)一致的輸出?？傮w看來，該仿真系統(tǒng)在實用性、逼真性、靈活性等方面均有很好的表現(xiàn)，能滿足培訓(xùn)的要求。
4 結(jié)語
本仿真系統(tǒng)采用面向?qū)嶋H裝置的思想，以廣東電網(wǎng)廣泛使用的線路保護(hù)裝置為研究對象，針對培訓(xùn)這一特殊目的，引入了繼電保護(hù)測試儀仿真裝置進(jìn)行測試仿真，實現(xiàn)了真正意義上的現(xiàn)場運(yùn)行仿真培訓(xùn)。該仿真系統(tǒng)具有界面友好、操作簡捷、功能齊全等特點(diǎn)，適用于線路保護(hù)現(xiàn)場運(yùn)行人員的仿真培訓(xùn)，對于其他的微機(jī)型繼電保護(hù)仿真系統(tǒng)的開發(fā)也有一定的借鑒意義。
