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1、继电保护仿真系统的现状及其应用The status-quo and applications ofsimulation system of relay protection冯小玲，郭袅，谭建成FENG Xiao-ling, GUO Niao，TAN Jian-cheng(广西大学电气工程学院，南宁 530004)(Electrical Engineering Department OF Guangxi Univercity，Nanning530004，Guangxi)摘要：保证继电设备在出厂前都能在其运行环境下进行检验和试验已经成为了一个非常重要的问题。文中综述了各种继电保 护仿真技术及国内外
2、应用状况，评述了这些技术的优缺点及国内外的解决方案。关键词：仿真系统；模拟仿真；数字仿真系统；RTDSAbstract： It is important to checkout and test relay devices under the condition of system operation before outside of factory This paper summarizes kinds of relay protection simulation technologies and their current application at home and abroad ,
3、 introduces theiradvantages and disadvantages and their relevant solutions at home and abroadKeywords： Simulation system； Analog simulator； Digital simulation system； RTDS1 引言 2 继电保护模拟仿真系统电力系统对继电保护设备的技术指标和产品质量的要 求已越来越高，各科研单位和制造厂家在科研上的投入也越 来越多。不管是早期的晶体管，集成电路，还是现在的微机 保护装置，其传统的生产模式和调试方法基本上是一致的， 一般采用包干制
4、，从单板到整机调试在同一工位完成，这既 影响产品质量的一致性，又难于批量生产，效率低，而整屏 的出厂检验大都采用对单屏进行人工对线而不是对构成的 保护系统进行模拟运行环境下的各种试验。然而，电力系统 是一个系统工程，其自动化产品需经组屏使用，对整屏仅仅 采用人工对线是不够的，为了提高整屏质量，要求所有整屏 在出厂前完成在运行环境下的各种试验。这种试验可以通过 建立各种物理动态模拟仿真试验室来加以实现，但是，建造 各种动态模拟试验室投资大、占地多、周期长、接线方式更 改困难，而且也不能满足对大批量产品进行试验的要求。因 此，投资少，体积小，接线方式更改方便，并能方便操作的 实用化仿真系统显得非常
5、重要。本文介绍了继电保护各仿真 技术的历史发展以及国内外应用状况，尤其目前实时数字仿 真系统以其实时性及闭环测试能力成为了仿真技术的重要 研究方向，国内外很多单位都引进了实时数字仿真器并且取 得了可信度高的试验结果，显示了它的巨大发展潜力。由于继电保护产品对电力系统安全起着至关重要的作 用，因此，总希望产品在投入电力系统运行前在真正电力系 统环境中进行各种考验，在以前，这必须建立真实物理原型 的动态模拟试验室（模拟仿真器），这些物理模型如发电机、 变压器、线路、断路器等，体积大，价格昂贵，功率大，特 别是真实的断路器，寿命短，控制回路复杂，在实验室，更 改主接线困难。况且，一般来讲只能建立单一
6、的电网，而不 能建立完全的变电站，因此这种模拟仿真试验室在当今世界 并未受到很大的青睐，一般用作新产品的开发阶段的各种试 验，以验证产品是否满足设计要求，而无法用做大规模产品 的出厂试验。为了完善继电保护产品出厂前的各种试验，依 靠动模试验室和传统的试验装置是不行的，这就促使开发研 制电力系统专用数字仿真系统。这种电力系统仿真可方便地 构造系统结构，设置参数，仿真被仿的电力系统在各种运行 工况及故障情况下的动态行为。3 继电保护数字仿真系统数字仿真是一门集计算机科学、计算数学、控制技术及 相关专业应用的综合学科。数字仿真是用描述真实系统/对象 的数学模型来代替真实系统 /对象进行试验和研究的一
7、种专 门的技术。系统数字仿真具有独特的灵活性、试验的可控制 和准确的可重复性及系统试验的安全性和经济性等诸多优 点使得这门交叉学科在许多领域中得到广泛的应用。数字仿 真系统分为两种：非实时数字仿真软件和实时数字仿真器。3.1 非实时数字仿真软件 常用的仿真工具大多为非实时的仿真程序。下面介绍国内外 应用最广泛的两种软件。3.1.1 ATP/EMTPEMTP (Electromagnetic Transients Program)是加拿大 H.W.Dommel 教授首创的电磁暂态分析软件 ,它具有分析功 能多、元件模型全和运算结果精确等优点 ,对于电网的稳态 和暂态都可做仿真分析，它的典型应用是
8、预测电力系统在某 个扰动(如开关投切或故障)之后感兴趣的变量随时间变化 的规律，将 EMTP 的稳态分析和暂态分析相结合，可以作为 电力系统保护设备实验的有力工具。ATP (The Alternative Transients Program )是 EMTP 的免 费独立版本，是目前世界上电磁暂态分析程序最广泛使用的 一个版本, 它可以模拟复杂网络和任意结构的控制系统，数 学模型广泛，除用于暂态计算，还有许多其它重要的特性。 ATP 程序正式诞生于 1984 年，由 Drs. W. Scott Meyer 和 Tsu-huei Liu所组成的世界各地的用户组不断地发展。ATP还 配备有比TAC
9、S更灵活、功能更强的通用描述语言MODELS 及图形输入程序 ATPDraw。3.1.2 PSCAD/EMTDCDennis Woodford 博士于 1976 年在加拿大曼尼托巴水电 局开发完成了 EMTDC 的初版，是一种世界各国广泛使用的电 力系统仿真软件，PSCAD是其用户界面，PSCAD的开发成功， 使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力 系统复杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字 仿真器的前置端。可模拟任意大小的交直流系统。对于上述两种运行在数字计算机上的仿真程序来说，其 限制在于：为计算被仿真系统 1s 的响应大多要花费数分钟乃 至几小时的时间。并且这
10、种非实时的仿真速度不能满足与外 部物理控制设备和保护装置进行实时交互试验的需要，因此 无法对继电器进行闭环测试。3.2 实时数字仿真系统与上述离线仿真软件相比， RTDS 的主要优势在于实时 性和带被测试设备闭环运行的能力。它不但可以用以电力系 统的仿真分析研究，它还可以提供电力系统一次设备，各类控 制系统，各种电力系统自动化设备实时数字仿真试验的闭环试 验环境。这类电力系统数字仿真器对它的实时仿真能力要求很 高。它是由高速计算机及信号输入输出通道，被仿真系统的数 学模型，实时仿真算法、良好的人机接口，以及性能优良的电 压/电流功率放大部件等综合组成。现在主要有加拿大 RTDS 技术公司研制的
11、实时数字仿真器。这种仿真器拥有比较全面 和详细的电力系统元件模型。3.2.1 RTDS(Real-Time-Digital-simulator)RTDS是由加拿大Manitoba直流研究中心(HVDC)开发 的专门用于实时研究电力系统的数字动模系统 ,该系统中的 电力系统元件模型和仿真算法是建立在已获得行业认可 ,且 已广泛应用的EMTP和EMTDC基础上的，其仿真结果与现 场实际系统的真实情况是一致的。我国自20世纪90 年代初 由原南自院引进以来，已有十多个单位先后引进该设备，提 高了我国电力系统在实时仿真方面的水平。目前，运行在 RTDS 前台工作站的软件有两个版本，一 个是必须运行在U
12、nix上的PSCAD，一个是基于JAVA平台的 RSCAD (不限制操作系统，但一般用于Windows系统)。PSCAD 软件可以分为以下几个模块：1) Draft :进行电力系统和控制系统的搭建工作。其模型 库含有当前电力系统大部分的元件和控制元件。2) Tline和Cable:编辑线路和电缆的相关参数。线路模 型可以选择贝瑞隆模型或基于频率的模型，参数可以选 择输入电气参数或物理参数。电缆也一样。3) Runtime：运行用Draft搭建的电力系统(其计算是 在 rack 上进行， Runtime 只起到控制和显示的作用)。 在 Runtime 中可以创建各种滑块、开关、按钮、仪表、 表格
13、和信号灯等元件对运行的 Case 进行控制和监视，还 可以建立一个 Script 文件对其运行进行自动化控制。 plot中的波形可以保存为mpb或comtrade格式文件。4) Multiplot和Uniplot：对保存的mpb格式波形文件 进行分析计算。可以对各波形进行简单的数学运算和傅 立叶分析。RSCAD 软件与 PSCAD 基本相同。只是界面更为友好，可 以选择显示语言为中文，标注也可以为中文，另外可以保存 波形为 jpg 图片文件，可以对所搭系统进行潮流计算，可以 以单线模式进行搭建系统，可以更改连接线颜色等。 RSCAD 软件主要的搭建系统、运行和分析均和PSCAD相似。4 实时数
14、字仿真的国内外应用4.1 国内应用东北电力集团公司在RTDS上开展了针对CSL-101B型 数字式线路保护装置的动模试验工作，目的是进一步校核在 RTDS 平台上建立电力系统模型的真实性，同时测试保护装 置的动作行为。东方电子公司也利用RTDS动模系统测试 了新开发的超高压线路保护装置DF3621I2。动模试验设备有 2 个机柜， 2 组电流、电压放大器。如图 1 所示。图1用RTDS进行保护装置动模闭环试验示意图1 ） 工作站工作站由PC机组成，主要为人机对话界面，包括仿真 系统的模型、运行方式、各种操作、参数选择、波形显示及 被试设备的动作信息等主要功能。工作站通过并行接口与 RTDS 实
15、时仿真系统进行数据信息的交换，并控制 RTDS 实时 仿真系统的仿真运行。2）RTDS 实时仿真系统RTDS 实时仿真系统是系统的核心部分，它接收工作站 的数据、操作指令来控制仿真试验。通过光电回路接收被试 设备的控制命令以及接收仿真系统断路器、刀闸等一次设备 的状态命令，根据工作站中的各种仿真数字信号，通过 D/A 变换将仿真系统的模拟波形送至电流电压放大器带动被试 验设备，并根据工作站的操作命令来完成各种仿真试验。3）电流电压放大器电流电压放大器接收由 RTDS 实时仿真系统送来的模拟 信号，通过电流电压放大输出至被试设备及系统，它必须具 有良好的线性度、稳定性以及高性能的频率特性。试验结
16、果显示RTDS能满足继电保护装置动态仿真试验 的要求，经过测试，发现被测保护装置的保护动作行为基本 与电力系统仿真情况相符合。该仿真系统与常规的由旋转设 备构成的动模试验系统相比较，不仅占地少，而且试验更灵 活、方便。4.2 国外应用早在 1992 年，加拿大 manitoba 大学和 manitoba 高压 直流中心就应用 RTDS 对商业化的距离继电器进行测试。物 理装置由继电器、功率监测器或者是电力系统稳定器组成。 图 2 是用于测试的仿真系统图。在测试中观察了三相短路、两相短路、单相接地短路时 距离继电器的动作行为，实例结果验证了运行实时仿真器测 试继电器的能力，发现在各种故障时继电器均能可靠跳闸。 文献中还阐述了用RTDS和传统的模拟仿真器相连可以大大 地改善模拟仿真器地性能3。5 应用实时数字仿真系统出现的问题RTDS 虽然具有很多优点，但它自身亦存在一
