CN102033993B - 大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法，其中，采用虚拟继电器、配置表、逻辑梯形图对继电保护的动作行为进行模拟，并与一次系统模型进行接口，实现闭环式的大规模电力系统动态稳定仿真。本发明能够实现对大规模电力系统中各种不同保护的保护装置的不同保护功能的模拟，最大程度地满足全系统不同地区、不同用户的需求，解决了现有仿真程序中缺乏准确的继电保护模型，无法真实地反映继电保护元件控制规律的问题。
Description
技术领域
本发明属于电力系统领域，涉及一种电力系统的模拟与计算，具体涉及一种大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法。
背景技术
电力系统的数字仿真已成为电力系统规划设计、调度运行和分析研究的主要工具，电力系统各元件的数学模型以及由其构成的全系统数学模型是电力系统数字仿真的基础。模型和参数是仿真结果准确性的重要决定因素，直接影响着以此为基础的决策方案。
随着特高压国家骨干电网建设和全国联网工程的推进，我国将形成规模巨大的全国性交直流互联电网。这使得电力系统特性发生很多变化，系统的静态和动态行为变得更加复杂。近些年国内外发生的大停电事故多数起源于严重故障或连锁反应故障的冲击，引起潮流、电压和频率等电气量和原动机系统变量的长期变化过程，最终导致系统失去稳定，经济损失惨重。连锁反应事故中，继电保护装置的动作行为极为关键，是防止系统崩溃的重要防线。
目前，国内外广泛应用的电力系统分析工具对继电保护模型的研究和应用较少，尚不够深入，无法真实地反映继电保护元件的控制规律。特别是对保护误动或拒动引发的级联故障，缺乏有效的仿真处理方法。为满足我国大电网安全运行仿真的需要，准确模拟电力系统受到扰动之后整个连续的动态过程，研究适用于大规模电力系统机电暂态和中长期动态过程的继电保护建模方法是非常必要的。
在国内外常用的电力系统暂态稳定仿真程序中，PSASP稳定程序没有提供继电保护模型，仅靠预定时间后断路器的开断来实现保护功能；其他仿真软件如PSD-BPA、PSS/E、EUROSTAG、NETOMAC等等，虽然提供了一些简单的继电保护模型，但种类不够丰富，且都是以国外的继电保护装置为原型，与我国电力系统中实际广泛应用的继电保护装置有着较大区别，不能反映我国电力系统中继电保护装置的动作特性，特别是不能满足由于电力系统中网架结构的差异、运行习惯的不同和系统需求的变化，实际系统中存在着大量的继电保护非标产品的现实状态。
作为电力系统应用最为广泛的暂态仿真程序EMTP和EMTDC，虽然提供了可供保护建模的通用工具，但由于其主要用途是电力系统电磁暂态分析，对电力系统各部分均采用微分方程建模，因此精度最高，但运算量大，计算速度慢，并不适合大规模电力系统机电暂态和中长期动态过程。
在调度员培训系统(DTS)中，通常采用逻辑法或定值法对继电保护装置建模，但由于实时性的限制，这些模型往往比较粗略，仿真结果与实际情况出入较大。
近年来，有国内外学者相继提出将柔性仿真技术、混杂Petri网等理论引入继电保护建模研究，但目前多处于理论研究阶段，尚不能在广泛使用的仿真软件中得到实际应用。
在电力系统动态仿真程序中建立与实际应用的继电保护装置动作特性相一致的模型，可以克服往仿真软件不能真实反映因保护拒动或误动而产生的连锁故障的缺点，能够对电力系统全动态过程进行有效仿真，准确模拟电力系统受到扰动之后整个连续的动态过程，为分析电力系统的中长期过程动态稳定性问题和研究防止事故扩大的有效措施(例如，第3道防线等等)提供强大的仿真功能。此外，还可以进行复杂和严重事故的事后分析，研究扰动后较长时间的事故重演，以了解事故发生的本质原因，研究正确的反事故措施等。准确的继电保护模型将大大提高仿真的真实性和准确性，无论对于研究非线性超大规模电力系统动态特性机理，还是对于准确分析电力系统动态过程的稳定性问题，都具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的缺陷，提供一种大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法。
本发明在大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法中，采用虚拟继电器、配置表、逻辑梯形图对继电保护的动作行为进行模拟，并与一次系统模型进行接口，实现闭环式的电力系统动态稳定仿真。本发明能够实现对大规模电力系统中各种不同保护的保护装置的不同保护功能的准确模拟，最大程度地满足全系统不同地区、不同用户的需求，真实地反映继电保护元件控制规律。
本发明的方法具体包括下列步骤：
步骤102：预先将输入的潮流基础数据、系统网络等值参数、动态元件参数、继电保护定值进行初始化；
步骤103：动态仿真程序迭代计算得到本步长全系统模拟量和状态量，继电保护模型从保护安装地点获取相关量；
步骤104：由继电保护元件得到相应配置表，并计算得到各虚拟继电器状态；
步骤105：由逻辑图中读出一行控制逻辑，并对该行控制逻辑进行操作；
步骤106：判别是否有继电保护动作，如果有则执行步骤107，否则，执行步骤108；
步骤107：将继电保护动作信息插入到动态仿真程序的事件队列中；
步骤108：判别该继电保护元件逻辑图是否扫描完毕，若扫描完毕，则执行步骤109，否则，重复执行步骤105-108；
步骤109：判别是否所有保护元件逻辑扫描完毕，若扫描完毕，则执行步骤110，否则重复执行步骤104-109；
步骤110：判别有无继电保护动作事件发生，若有则执行步骤111，否则执行步骤113；
步骤111：改变相应断路器状态，修改网络方程的雅可比矩阵元素；
步骤112：联立求解事件触发时刻的系统状态；
步骤113：判别计算时间是否已经到了，若时间到了则结束，否则重复执行步骤103至步骤112。
依据本发明的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法，还具有在所述步骤102中的预先将输入的潮流基础数据、系统网络等值参数、动态元件参数、继电保护定值进行初始化，包括继电保护模型的对象实例化，并从潮流数据、系统网络等值参数、动态元件参数获取保护对象的初始状态，通过继电保护功能元件基本信息模型实现继电保护模型和保护对象之间的动态关联，并通过功能元件配置表建立继电保护定值和实际输入之间的映射关系。
依据本发明的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法，还具有在所述步骤103、107、111、112中动态仿真程序迭代计算得到本步长全系统模拟量和状态量，并由各继电保护模型从保护安装地点获取相关量，判断保护动作行为，继电保护动作后将信息插入到动态仿真程序的事件队列中，改变相应断路器状态，修改网络方程的雅可比矩阵元素联立求解事件触发时刻的系统状态，从而实现闭环的大规模电力系统全系统继电保护动态仿真。
依据本发明的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法，还具有在所述虚拟继电器是对真实继电器的一种模拟，并可进行特定逻辑操作。本发明还定义了输入继电器、时间继电器、脉冲继电器、输出继电器和中间继电器五类虚拟继电器。
依据本发明的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法，还具有在所述配置表是虚拟继电器和其参考源之间映射关系的一种集合，继电保护模型根据配置表找到虚拟继电器及其参考源(定值)，并根据相应输入计算得到虚拟继电器的输出状态。
依据本发明的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法，还具有在所述逻辑操作是对虚拟继电器的动作行为规范，包含输出、自保持、复位和跳转四种操作。
依据本发明的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法，还具有在所述逻辑图是描述虚拟继电器之间的逻辑关系的工具，并根据配置表所建立的映射关系，转换为一系列可以执行的判别表达式的集合，实现对保护功能的逻辑描述。
本发明的有益效果是：依照大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法，能够实现对实际电力系统中各种不同继电保护装置进行准确模拟，并与一次系统模型进行接口，实现闭环式的电力系统动态稳定仿真。本发明能够实现对大规模电力系统中各种不同保护的保护装置的不同保护功能的模拟，最大程度地满足全系统不同地区、不同用户的需求，解决了现有仿真程序中缺乏准确的继电保护模型，无法真实地反映继电保护元件控制规律的问题。
附图说明
图1为依据本发明的电力系统继电保护结构层次示意图。
图2为依据本发明的继电保护模型基本信息定义。
图3为依据本发明的继电保护模型配置表格式。
图4和图5为依据本发明的逻辑图示意。
图6为本发明的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法的流程图。
具体实施方式
以下，参考附图2-6详细描述本发明的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法。
实际电力系统中保护装置的种类繁多，每一种保护装置通常都会配置多种保护功能，而同一种保护功能又可能存在于不同的保护装置，并且各种保护之间配合情况十分复杂，没有固定的模式。此外，由于电力系统中网架结构的差异、运行习惯的不同和系统需求的变化，实际系统中存在着大量的继电保护非标产品。直接对具体的保护装置建模，进行大规模电力系统动态仿真是不可能的。从图1电力系统继电保护结构层次图可以清楚地看到，整个继电保护系统可以逐层分解为有限的若干种基本保护功能元件。因此，本发明采用面向对象的建模思想，分层次地对保护设备进行建模，提出一种基于虚拟继电器的继电保护建模方法。
1.虚拟继电器是对真实继电器的一种模拟，按其类型可以分为输入继电器，输入继电器、中间继电器、时间继电器、脉冲继电器和输出继电器。本发明引入虚拟继电器，把每个逻辑环节当成一个独立的对象来处理，从而实现保护的灵活配置。为了规范虚拟继电器的动作行为，定义虚拟继电器时必须指定触点性质。若为常开触点，则当输入大于参考源时，触点闭合，否则，触点断开。常闭则正好相反。
1)输入继电器是一种基于输入量激励的虚拟继电器，用于描述输入量在保护实现中的动作行为特性。其中，输入量可以是电流、电压等直接从仿真程序获得的输入量，也可以是阻抗、方向和差流等间接输入量或者其他状态量。输入继电器采用相关算法得到所表征输入量，并根据参考源判别其是否满足动作行为特性，如阻抗元件是否落入动作区内，选相元件是否动作等，是保护算法在仿真中的主要体现方式。
根据输入对象的不同，输入继电器可分为状态继电器、电流继电器、电压继电器、阻抗继电器，功率继电器，方向继电器等等。每一类继电器又根据相、序进一步细分。
2)时间继电器
时间继电器是对保护逻辑中计时器的模拟。只有继电器的输入在整定延时内一直保持为“1”，继电器触点方能闭合；输入一旦消失，继电器立即返回，触点也随之断开。时间继电器的参考源就是时间定值或时间常数。
3)脉冲继电器
和时间继电器不同，脉冲继电器触点的保持时间是可以设置的。在输入条件消失后，继电器触点在整定时间内可以继续保持闭合状态。脉冲继电器的参考源同样也是时间定值或时间常数。
4)输出继电器
输出继电器作为逻辑控制的结果，用于驱动被控对象，是对真实继电器的反映，在仿真中用于将执行结果返回到仿真环境中。这类继电器不需要参考源，也可以认为参考源就是输入本身。
5)中间继电器
中间继电器的作用和实际装置中的中间继电器相似，只要有输入就会有相应的输出，仅用于内部逻辑的转换，和系统的输入输出没有直接关系。
2.图2为继电保护模型配置表格式。为了使虚拟继电器能够正常工作，需要为其定义继电器类型、输入和参考源，这个过程就是配置表的形成。本发明所述配置表示虚拟继电器和参考源之间的一种映射关系，其中，参考源可以通过定值或常数的方式确定。图3所示配置表的左侧分别为虚拟继电器的、名称和触点属性，右侧为该虚拟继电器相应的定值名称、单位、数值以及该定值在保护定值表中的排列序号。
3.逻辑操作
定义输入继电器之间的逻辑关系必须是与和或，其他继电器则可以进行输出，保持，RST复位，跳转四种逻辑操作，具体定义如下：
1)输出操作：对继电器进行输出操作，输出始终受输入影响，输入一旦消失，输出随之消失。操作对象包括输出继电器、中间继电器和时间继电器。
2)保持操作：用于对继电器进行保持操作。一旦触发，不再受输入影响，只有遇到对该继电器进行复位操作，方能收回，操作对象仅限于中间继电器和输出继电器。
3)复位操作：对继电器进行复位操作，与SET配对使用，操作对象仅限于中间继电器和输出继电器。
4)跳转操作：跳转语句，用于条件选择。
4.保护逻辑建模
1-3节定义了虚拟继电器、逻辑操作和配置表，提供了对保护元件进行逻辑描述的基本工具。本发明所述逻辑图是用来描述保护动作逻辑的工具，图3和图4分别给出了一种距离保护模型和一种重合闸模型的示意逻辑图，图中各虚拟继电器右侧括号标出了相应的虚拟继电器序号。继电保护模型实现的是虚拟继电器之间的逻辑操作，途径便是逻辑图。可见，配置表描述了虚拟继电器和定值之间的映射关系，而逻辑图给出了虚拟继电器之间的逻辑关系，两者缺一不可，是保护模型的重要组成部分。由于配置表的存在，梯形图的逻辑关系转换为一系列可以执行的判别表达式的集合，逻辑图和配置表共同实现了保护功能的描述。
5.图5为继电保护模型基本信息定义格式。为了便于模型辨识和信息交换，需要对全系统的继电保护模型的保护对象等基本信息进行定义。常见的电力系统中的保护对象为线路、变压器、发电机、电容器、电抗器等。其中，图5左侧为线路或变压器等基本信息定义，右侧为发电机等基本信息定义。图中所示信息可以唯一的确定继电保护模型的功能以及被保护对象。为了方便引用，本发明对上述信息进行编码得到继电保护系统的32位功能元件唯一标识。
6.附图6为本发明实施例的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法的流程图。
如附图6所示的，根据本发明的实施例的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法包括如下步骤：
步骤101：设置计算时间T＝0，开始仿真计算；
步骤102：预先将输入的潮流基础数据、系统网络等值参数、动态元件参数、继电保护定值进行初始化，包括继电保护模型的对象实例化，并从潮流数据、系统网络等值参数、动态元件参数获取保护对象的初始状态，通过继电保护功能元件基本信息模型实现继电保护模型和保护对象之间的动态关联，并通过功能元件配置表建立继电保护定值和实际输入之间的映射关系；
步骤103：动态仿真程序迭代计算得到本步长全系统模拟量和状态量，并由各继电保护模型从保护安装地点获取相关量，为继电保护模型的输入提供接口。
步骤104：由继电保护模型索引到相应配置表，根据输入量和相应定值，分别计算得到各虚拟继电器状态；
步骤105：由逻辑图中读出一行控制逻辑，并对该行控制逻辑进行操作；
步骤106：判别是否有继电保护动作，如果有则执行步骤107，否则，执行步骤108；
步骤107：将继电保护动作信息插入到动态仿真程序的事件队列中；
步骤108：判别该继电保护元件逻辑图是否扫描完毕，若扫描完毕，则执行步骤109，对下一个继电保护模型进行逻辑扫描；否则，重复执行步骤105-108；
步骤109：判别是否全系统所有继电保护模型的逻辑扫描完毕，若扫描完毕，则执行步骤110，否则重复执行步骤104-109；
步骤110：判别此刻有无继电保护动作事件发生，若有则执行步骤111，否则执行步骤113；
步骤111：根据发生的事件进行复故障计算，改变相应断路器状态，修改网络方程的雅可比矩阵元素；
步骤112：联立求解事件触发时刻的系统状态；
步骤113：判别计算时间是否已经到了，若时间到择结束，否则重复执行步骤103至步骤112；
步骤114：计算时间到，则整个模型的本次计算结束。
综上所述，依照本发明的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法，其中，采用虚拟继电器、配置表、逻辑梯形图对继电保护的动作行为进行模拟。本发明能够实现对各种不同保护的保护装置的不同保护功能的模拟，最大程度地满足不同地区、不同用户的实际需求，建立动态仿真程序中准确的继电保护模型，真实地反映继电保护元件控制规律的问题，并建立了与一次系统模型的接口，实现闭环式的稳定仿真，能够满足大规模电力系统动态仿真对继电保护系统模拟的要求。
以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明进行的详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法，其特征在于采用虚拟继电器、配置表和逻辑梯形图对继电保护的动作行为进行模拟，并与一次系统模型进行接口，实现闭环式的大规模电力系统动态稳定仿真；
所述方法具体包括下列步骤：
步骤102：预先将输入的潮流基础数据、系统网络等值参数、动态元件参数和继电保护定值进行初始化；
步骤103：动态仿真程序迭代计算得到本步长全系统模拟量和状态量，继电保护模型从保护安装地点获取相关量；
步骤104：由继电保护元件得到相应配置表，并计算得到各虚拟继电器状态；
步骤105：由逻辑图中读出一行控制逻辑，并对该行控制逻辑进行操作；
步骤106：判别是否有继电保护动作，如果有则执行步骤107，否则，执行步骤108；
步骤107：将继电保护动作信息插入到动态仿真程序的事件队列中；
步骤108：判别该继电保护元件逻辑图是否扫描完毕，若扫描完毕，则执行步骤109，否则，重复执行步骤105-108；
步骤109：判别是否所有保护元件逻辑扫描完毕，若扫描完毕，则执行步骤110，否则重复执行步骤104-109；
步骤110：判别有无继电保护动作事件发生，若有则执行步骤111，否则执行步骤113；
步骤111：改变相应断路器状态，修改网络方程的雅可比矩阵元素；
步骤112：联立求解事件触发时刻的系统状态；
步骤113：判别计算时间是否已经到了，若时间到了则结束，否则重复执行步骤103至步骤112。
2.如权利要求1所述的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法，其特征在于，在所述步骤102中的预先将输入的潮流基础数据、系统网络等值参数、动态元件参数、继电保护定值进行初始化，包括继电保护模型的对象实例化，并从潮流数据、系统网络等值参数、动态元件参数获取保护对象的初始状态，通过继电保护功能元件基本信息模型实现继电保护模型和保护对象之间的动态关联，并通过功能元件配置表建立继电保护定值和实际输入之间的映射关系。
3.如权利要求2所述的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法，其特征在于，在所述步骤103、107、111、112中动态仿真程序迭代计算得到本步长全系统模拟量和状态量，并由各继电保护模型从保护安装地点获取相关量，判断保护动作行为，继电保护动作后将信息插入到动态仿真程序的事件队列中，改变相应断路器状态，修改网络方程的雅可比矩阵元素联立求解事件触发时刻的系统状态，从而实现闭环的大规模电力系统全系统继电保护动态仿真。
4.如权利要求3所述的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法，其特征在于，所述虚拟继电器是对真实继电器的一种模拟，并可进行特定逻辑操作。
5.如权利要求4所述的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法，其特征在于，所述配置表是虚拟继电器和其参考源之间映射关系的一种集合，继电保护模型根据配置表找到虚拟继电器及其参考源，所述参考源为定值，并根据相应输入计算得到虚拟继电器的输出状态。
6.如权利要求5所述的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法，其特征在于，所述逻辑操作是对虚拟继电器的动作行为规范，包含输出、自保持、复位和跳转四种操作。
7.如权利要求6所述的大规模电力系统动态仿真中继电保护模型的构建方法，其特征在于，所述逻辑图是描述虚拟继电器之间的逻辑关系的工具，并根据配置表所建立的映射关系，转换为一系列可以执行的判别表达式的集合，实现对保护功能的逻辑描述。
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