距离保护仿真实验设计

管晓虎 江 莹 孔祥林

（新疆农业大学机械交通学院 新疆 乌鲁木齐 830052）

距离保护仿真实验设计

管晓虎 江 莹 孔祥林

（新疆农业大学机械交通学院 新疆 乌鲁木齐 830052）

继电保护是电力类专业很重要的一门课程，该课程的理论教学与实验教学在课程设置上是很紧密的。距离保护是继电保护中故障点定位的一种有效方法，文章针对继电保护理论教学抽象难懂的特点，设计了一套基于VB的距离保护仿真实验系统。利用该实验系统，学员可以直观地看到继电保护模拟动作过程，操作简便、计算精确。

距离保护；VB；仿真系统

针对抽象的继电保护原理，开发一套覆盖主要保护原理、技术水平难度适中、仿真形象具体的继电保护仿真实验教学系统是很有必要的。本课题研究的是线路继电保护仿真系统的开发，解决的主要问题是通过仿真系统使学习者深入地了解线路保护实验原理和动作特性。利用集成开发环境Visual Basic6.0对仿真系统进行设计，通过模拟现场的继电器、断路器动作过程及各种运行工况，使学员达到熟悉和提高继电保护设备操作能力的目的。

1 仿真实验系统结构

本设计是在Visual Basic6.0的面向对象的集成开发环境下建立一个标准的EXE工程，在该工程下根据需要建立若干个窗体，通过属性窗口设置各个窗体属性；添加好窗体后根据每个窗体所需实现的功能对该窗体添加相应的控件，完成空间的添加后通过属性窗口完成对各个控件属性的设置；设置好空间的属性后，再进行代码编辑[1]。该仿真系统包括线路保护演示系统界面的设计、三段式电流保护仿真模块的设计、方向性电流保护仿真模块的设计、距离保护的设计以及差动保护的设计。其中，三段式电流保护仿真模块包括同一区段三段式电流保护模块设计和相邻区段三段式电流保护模块设计，方向性电流保护仿真模块包括方向过电流保护模块设计和方向电流速断保护模块设计，差动保护模块包括纵差保护模块和横差保护模块的设计[2]。每一种保护仿真模块按实现功能又分为图形编辑模块，参数输入模块、保护动作演示模块、故障分析模块。其系统构成如图1所示。

其中，参数输入模块用来输入继电保护实验仿真所需的各项参数，如线路单位阻抗、系统阻抗、电力系统电压以及不同保护原理对应的可靠系数，等；故障诊断模块是根据学员输入的故障距离等参数对线路进行短路电流计算，进行故障判别，并且将分析结果送往保护动作演示模块。设置不同类型的故障在线路上某一点，根据输入参数和故障信息，故障诊断模块自动建立电力系统数学模型，并将故障计算结果实时提供给各个模拟模块，由模拟模块进行判断来实现逼真的继电保护动作行为演示。

图1 系统构成图

2 模块实现流程

进入仿真系统演示系统界面，可选择所需要进行演示的继电保护仿真实验，点击实验选项即弹出相应的线路模型模块和参数输入模块，线路模型模块上显示对应保护的线路图，在参数输入模块输入相应参数后点击“开始”按钮，则进行各项参数计算及结果输出，并将计算结果输入故障分析模块，故障分析模块将判断故障情况并在保护动作演示模块中以动作和声音的方式演示出来。其流程图如图2所示。

图2 流程图

3 距离保护模块设计

3.1 继电器虚拟模型

距离保护是反映故障点到保护安装地点之间的距离（或阻抗），并根据距离的远近而确定故障动作时间的一种保护装置[3]。本设计中，距离保护动作演示模型采用三段式距离保护，其组成原理如图3，图中电流继电器为起动元件lLJ，功率方向继电器即方向元件2GJ，保护I段和II段的测量元件分别是阻抗继继电器3ZKJ和4ZKJ，保护II段和III段的时间元件分别为时间继电器5SJ和6SJ，保护I、II、III段的信号元件则分别为信号继电器7XJ、8XJ、9XJ。保护各段动作后，均通过出口中间继电器10BCJ使断路器跳闸。

图3 三段式距离保护继电器虚拟模型组成原理图

当参数设置使短路故障发生在保护范围内时，1LJ起动元件和2GJ方向元件的接点均会做闭合动作，使得操作电源的正极通过其闭合接点连通测量元件3ZKJ和4ZKJ的接点以及时间继电器6SJ的线圈，此时，保护I段和II段做好动作准备，并使III段时间继电器开始计时。当设置参数使I段保护范围内发生故障时，I段3ZXJ测量元件接点做闭合动作后，正电源将通过7XJ信号继电器的线圈通电，使10BCJ出口中间继电路线圈通电从而导致其开关闭合动作，此时断路器会迅速跳闸；当设置参数使II段的保护范围内发生故障时（例如在被保护线路的末端短路时），I段3ZKJ测量元件将不会动作，此时由II段的测量元件4ZKJ动作，使5SJ时间继电器起动，经过II段的动作时限tII后5SJ接点闭合，8XJ信号继电器线圈通电后开关闭合，使10BCJ出口中间继电器线圈通电开关闭合，断路器跳闸；当参数设置使I、II段的保护范围以外发生故障时，则3ZKJ和4ZKJ测量元件均不能动作。此时，若故障落在III段的保护范围内，起动元件和方向元件均可动作，经过三段延时时间tIII后，6SJ时间继电器的接点才会闭合，再经9XJ信号继电器的线圈起动10BCJ出口中间继电器，使断路器跳闸。设计中，为简化保护装置模型，保护的起动元件兼作III段的测量元件。

3.2 线路模型

针对保护2进行距离三段式保护设计，I段、II段作为主保护，III段作为后备保护。其中，设计参数电源电压为110kV，线路单位阻抗为0.4Ω/km，线路的最大负荷电流为350A，可靠系数为0.8，电动机自启动系数为2，阻抗测量元件的返回系数取1.2。线路模型如图3。

图4 距离保护线路模型

3.3 参数输入模块与故障分析

距离保护参数输入模块可以输入整定阻抗的阻抗角、负荷阻抗的阻抗角、短路点与系统电源的距离等参数。而故障分析将根据现有的参数及输入的参数进行计算分析，将计算出保护1、保护2的整定阻抗以及测量阻抗，将测量阻抗与整定阻抗进行比较分析后，判断出保护2哪一段保护动作，并将计算分析后的数据显示在图5的界面上。

图5 距离保护参数输入输出界面

3.4 保护动作演示

保护动作演示是根据故障分析后的数据进行保护的选择、起动及动作判别，通过三段式距离保护继电器虚拟模型图3进行可视化的图形演示，通过延时继电器突出单个区段或相邻区段对应保护的动作时限以及动作延迟过程。本系统可以完成距离I段、距离II段、距离III段动作演示过程。以距离I段为例，假设故障点发生在保护范围内距离系统电源15千米处，故障分析模块计算出测量阻抗小于保护2距离I段的整定阻抗，起动元件和方向元件的接点状态均变为闭合，于是操作电源的正极通过该闭合接点连通测量元件I段II段阻抗继电器3ZKJ和4ZKJ的接点以及III段的时间继电器6SJ线圈，为保护I段和II段的动作做好准备，使III段时间继电器6SJ线圈通电，状态变为红色闪烁，开始计时。此时短路故障发生在I段保护范围内，I段测量元件3ZXJ动作，其接点闭合后，正电源立即通过信号继电器7XJ的线圈使出口中间继电路10BCJ动作，保护断路器瞬时动作跳闸，III段时间继电器6SJ复归。仿真系统动作演示如图6所示。

图6 故障点距离保护装置15千米的系统操作界面

4 结语

本设计以Visual Basic 6.0作为开发工具，虚拟继电保护装置为仿真模型，构建一个可输入一定参量、计算故障参量及仿真故障跳闸可视化的仿真实验系统。本设计有操作简便、仿真形象具体、计算精确等特点，适用于高校继电保护课程的实验教学。

［1］杨晶主编.VB6.0程序设计［M］.北京：机械工业出版社,2004.

［2］张保会，尹项根.电力系统继电保护（第二版）［M］.北京：中国电力出版社,2012.

［3］贺家李，李永丽，等.电力系统继电保护原理（第四版）［M］.北京：中国电力出版社,2010.

TM77

A

1671-6469（2016）-06-0117-03

2016-09-02

管晓虎(1982-)，男，广东梅县人，新疆农业大学机械交通学院讲师，研究方向：控制理论与控制工程、风力发电控制系统。