CN101915881B - 继电保护装置实时仿真测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种继电保护装置实时仿真测试方法，计算机在一定的仿真时间内实现对象数学模型算法的计算的同时，还要实时的通过外部模拟量、数字量接口采样外部信息量，完成模型的闭环计算，并同时输出计算结果。本发明改变了原专用化检测设备的模式，实现了实时仿真功能，并采用分层控制将解算的数据实时输出。通过分层控制技术实现大流量数据的实时传输，同时对被测试装置发出的信息进行实时回采，计算机根据信号进行拓扑分析和计算。

Description

继电保护装置实时仿真测试方法

技术领域

本发明涉及一种仿真测试方法，尤其是涉及一种继电保护装置实时仿真测试方法。

背景技术

由于计算机的飞速发展，目前，在国内市场电力系统测试装置由于其自的软、硬件不足，开发的硬件限制了其功能和性能的拓展，所以还不能满足电力系统生产和现场的使用要求，例如：体积庞大、重量重、功能不完善，而且还不能满足电力系统继电保护闭环测试的需要，同时有些继电保护测试装置技术指标和性能的缺陷已经影响到电力系统继电保护装置的正常运行、调试、整定和开发等工作，目前市场上广泛使用的是典型的回放式测试装置，部分性能指标不满足现场要求，大多数的试验装置都是由数据通讯线将微机中已计算的瞬时值数据传往D/A转换器，产生信号源，有的是逐点传送，有的是批处理传送，这对试验波形每周分隔的点数有很大关系。如果基波每周只有40个点，那么装置的幅频特性就很差，谐波叠加和变频试验只是定性试验，而非定量地进行测量，测试主要是对各类继电器进行稳态测试，由于受计算机发展水平的限制以及硬件的原因，每周波的输出点数少，为了波形平滑而外加滤波电路使整个试验仪暂态特性不好而影响常规测试精度和动态测试的准确性，这些仪器只能说是比较低档次的测试仪器，虽然能满足电力继电保护基本测试功能，但不能适应现代电力系统发展的需要。

当前对于电力系统保护设备的测试，还是采用继电保护测试仪，许多电力系统保护测试仪都不能闭环测试，测试功能单一。

随着电力系统的发展，对保护测试仪要求也越来越高，需要保护测试装置能进行闭环自动测试，减少测试干扰，提高测试准确性，即用户把检测装置和被测装置接好线后，设置参数，运行检测装置，自动根据设置检测被测装置，被测装置把测试结果通过通讯线路发送到检测装置上，检测装置根据测试结果自动给出测试报告。

发明内容

发明目的

本发明的目的是提出一种继电保护装置实时仿真测试方法，新仿真测试方法可以提高电力系统相关产品的测试准确性和工作效率，有效地减少人为误差，防止保护设备在现场运行时出现不正确动作的情况，提高电网的安全运行。

技术方案

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：计算机在一定的仿真时间内实现对象数学模型算法的计算的同时，还要实时的通过外部模拟量、数字量接口采样外部信息量，完成模型的闭环计算，并同时输出计算结果。

本发明实现的具体方案是：继电保护装置仿真测试方法，包括以下步骤：

1)计算机查找DSP的执行程序文件，如不存在或者计算机与DSP连接有错误，则计算机不进行硬件操作，并提示系错误；若DSP的执行程序文件存在，则读入该文件数据，并通过PCI总线下载到DSP中；

2)计算机根据被测试电力系统的拓扑结构进行实时仿真计算，计算出电压互感器上的电压以及电流互感器的电流；

3)上述电压和电流信息通过PCI总线下载到DSP中，通过DSP输出到D/A转换电路，再到功率放大器，输出给被测试继电保护装置；

4)被测保护装置与被仿真的电力系统构成闭环，通过被仿真的电力系统的动作行为来跳开或合上断路器开关；

计算机根据断路器开关的跳开或合上的状态得到系统的拓扑结构从而进行实时计算工作，仿真计算过程与计算机获得被测试电力系统的拓扑结构数据同时进行；

数据在计算机上进行实时运算，计算后的数据传输到DSP，再通过D/A转换电路，到功率放大器，输出给被测试继电保护装置；

高速I/O模块由单片机为核心的底层控制模块控制；

计算机作为准实时仿真层，底层控制模块和高速I/O模块共同构成实时I/O层，准实时仿真层和实时I/O层之间通过共享存储器的方式进行通信；

5)被测继电保护装置发出动作信号，计算机接收被测保护装置反馈的信息，同时给出测试报告，包括正常或者故障时的信息以及被继电保护测试装置的动作信息。

有益效果

本发明改变了原专用化检测设备的模式，实现了实时仿真功能，并采用分层控制将解算的数据实时输出。通过分层控制技术实现大流量数据的实时传输，同时对被测试装置发出的信息进行实时回采，计算机根据信号进行拓扑分析和计算。

附图说明

图1是分层控制示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明：

一、实时仿真计算

(1)被仿真系统模型

在电力系统模型中，本系统考虑如下设备的模型：

发电机：发电机模型用不同容量的三相电源代替，考虑电源的内阻抗，电源频率可恒定为50Hz，也可以任意设置；

母线变压器为：Δ/Y接法，中心点接地，具有理想的匝比系数和漏抗；

输电线路：三相输电线路用集中参数描述，即忽略相间电容耦合及对地电容的影响，仅考虑线路的正序、负序及零序阻抗；

两端母线及线路侧装有电压互感器，线路上装有电流互感器。系统模型中，两侧电源及变压器容量、电压互感器及电流互感器的变比可以任意设置。

简化了的一次系统仍保持了电力系统的基本特征，因而能正确反映系统故障时的基本周期分量和非周期分量。

(2)系统算法

在电力系统中，应用实时仿真的算法需要深入的研究和分析，这是由于电力系统的复杂性、电气设备的动态特性以及系统网络拓扑结构的改变，通常的算法是不能胜任的，分析如下：

用二阶龙库塔法，对于微分方程：

y′＝f(t，y)

则有y_n+1＝y_n+h(k₁+k₂)÷2；

其中k₁＝f(t_n，y_m)，k₂＝f(t_n+h，y_m+k₁h)；

设f中有外界作用u(t)，并设定在k/2的时间内计算机正好计算一次f，由于在t_n+h＝t_n+1时才能引入外部输入u_n+1，才具备计算k₂的条件，所以y_n+1要到t_n+1+h/2时才能计算并输出，输出量滞后半个步长，所以不能应用于实时仿真。同样，可以分析得出三阶和四阶也有其缺陷。

针对电力系统的特点，提出一类两步四阶龙库塔法，既保持连续系统离散化方法的优点，同时计算的结果又有很高的精度：

设一阶微分方程组为：

y′＝f(t，y)

其中y，f是向量；

为分析方便，将t合并到y中，

设y＝(y¹，y²，…，yⁿ)^T，其中令y⁰＝t，

则y变为y＝(y⁰，y¹，…，yⁿ)^T，又有y′＝f(y)，

设有：y_i+2＝y_i+h(a₁k₁+a₂k₂+a₃k₃+a₄k₄)

其中：

k₁＝f(y_i)

k₂＝f(y_i+hb₂₁k₁)

k₃＝f(y_i+h(b₃₁-b₃₂)k₁+hb₃₂k₂)

k₄＝f(y_i+h(b₄₁-b₄₂-b₄₃)k₁+hb₄₂k₂+hb₄₃k₃)

在步条件-2的情况下，令x＝2，则有：

b₄₃＝x，b₄₂＝2-x，b₄₁＝2，b₃₂＝2/x，b₃₁＝1，b₂₁＝1，

a₄＝1/3，a₃＝x/3，a₂＝(4-x)/3，a₁＝1/3，

则可得：

y_i+2＝y_i+h(k₁+2k₂+2k₃+k₄)/3

k₁＝f(y_i)

k₂＝f(y_i+hk₁)

k₃＝f(y_i+hk₂)

k₄＝f(y_i+2hk₃)

则公式是四阶，自变量t只在t_i，t_i+1，t_i+2三点取值，这样就保持了离散化的优点。与经典的龙库塔法比较，公式步长若取经典的龙库塔法的一半，则截断误差相同，若两组公式用相同步长计算，则比经典的龙库塔法误差大些。

分析离散化方法可以发现，离散化方法计算量小的原因实际上是微分方程：

Y′＝f(t，Y)

即

是线性方程组决定，因此，在步长条件-2的情况下，数值积分法可以减少计算量。

由于电力系统网络方程描述集中在输电线路上，而电阻R、电感L线路的动态过程由下列微分方程组描述：

U_a-Uk＝L*di_a/dt+R*i_a

U_b-Uk＝L*di_b/dt+R*i_b

U_c-Uk＝L*di_c/dt+R*i_c

式中L、R为三相电路电感和电阻，i_a、i_b、i_c为三相电流；

电路短路后的暂态过程由上式微分方程描述，因此，电力系统线路短路暂态过程的数字仿真便归结为这一微分方程组的数值求解：

$\stackrel{\·}{X}=\mathrm{AX}+\mathrm{BU}$

V＝CX+DU

上式中状态量X为线路两端的电流，V为两侧PT电压，系数矩阵A、B、C、D是与故障的边界条件及两侧断路开关通断状态相关的矩阵，U为两端三相电源电势的a、b、c分量。实时仿真算法中采用上述两步四阶龙库塔法解法。

下面为举例说明：

Xo＝(X0-X1)/3；        Ro＝(R0-R1)/3

Xm＝Xsm+Xtm+kk*X1，    Xmo＝Xo*kk

Xn＝Xsn+Xtn+(1-kk)*X1，Xno＝Xo*(1-kk)

Rm＝Rsm+Rtm+kk*R1，    Rmo＝Ro*kk

Rn＝Rsn+Rtn+(1-kk)*R1，Rno＝Ro*(1-kk)

X＝Xm+Xn，R＝Rm+Rn

   |(Xm+Xmo)  0         Xmo      Xmo  |

   |0         (Xn+Xno)  -Xno    -Xno  |

A＝|Xo        0         (X+Xo)  Xo    |

   |Xo        0         Xo      (X+Xo)|

    |Rm+Rmo+Rg  Rg         Rmo    Rmo |

    |Rg         Rn+Rno+Rg  -Rno   -Rno|

B＝-|Ro         0          R+Ro   Ro  |

    |Ro         0          Ro     R+Ro|

X＝[Ima Ina Imb Imc]′

U＝[Uma Una(Umb-Unb)(Umc-Unc)]′

通过计算机计算并实时输出为X、U即两端电流、电压信息量；

二、分层控制

从对硬件系统功能的分析来看，系统D/A通道的输出周期不得大于100μs，而开关量I/O的输入输出周期则可以长至1ms，为了产生小于100μs定时周期，外部硬件时钟对系统的组成来说是必须的。然而实验表明在系统出现突发性事件时，系统往往无法保证能及时对小于100μs的时钟中断做出响应并完成相应的计算和I/O任务。

分层控制示意图如图1所示：

在实时计算后，数据经过D/A转换，由光电隔离小信号放大器进行小信号放大，同时设计了零点漂移和直流信号的校正电路，充分保证了输出信号的平滑性和高精度性。

在与电力系统保护设备进行闭环测试时，本系统装置能够模拟实际的电力系统运行情况，当发生系统故障时，系统采集电力系统保护装置的开关跳合动作信息，并同时准确的记录时间响应，形成真正的闭环测试仿真系统。

Claims (3)

1.继电保护装置实时仿真测试方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)计算机查找DSP的执行程序文件，如不存在或者计算机与DSP连接有错误，则计算机不进行硬件操作，并提示系错误；若DSP的执行程序文件存在，则读入该文件数据，并通过PCI总线下载到DSP中；

2)计算机根据被测试电力系统的拓扑结构进行实时仿真计算，计算出电压互感器上的电压以及电流互感器的电流；

3)上述电压和电流信息通过PCI总线下载到DSP中，通过DSP输出到D/A转换电路，再到功率放大器，输出给被测试继电保护装置；

4)被测保护装置与被仿真的电力系统构成闭环，通过被仿真的电力系统的动作行为来跳开或合上断路器开关；

计算机根据断路器开关的跳开或合上的状态得到系统的拓扑结构从而进行实时计算工作，仿真计算过程与计算机获得被测试电力系统的拓扑结构数据同时进行；

数据在计算机上进行实时运算，计算后的数据传输到DSP，再通过D/A转换电路到功率放大器，输出给被测试继电保护装置；

高速I/O模块由单片机为核心的底层控制模块控制；

计算机作为准实时仿真层，底层控制模块和高速I/O模块共同构成实时I/O层，准实时仿真层和实时I/O层之间通过共享存储器的方式进行通信；

5)被测继电保护装置发出动作信号，计算机接收被测保护装置反馈的信息，同时给出测试报告，包括正常或者故障时的信息以及被继电保护测试装置的动作信息。

2.根据权利要求1所述的继电保护装置实时仿真测试方法，其特征在于，共享存储器既是通信媒介，也是数据缓冲区。

3.根据权利要求1所述的继电保护装置实时仿真测试方法，其特征在于，底层控制模块每1ms触发计算机进行一次仿真计算。

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