CN102073774A - 一种基于虚拟仪器的继电保护二次回路仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟仪器的变电站继电保护二次回路仿真方法。对于由于二次回路缺陷产生的继电保护事故，用常规的方法不易分析和判断，难以通过试验的办法再现，往往需要停电，不利于事故快速有效处理。本发明分析被仿真继电保护二次回路的功能与性质、所含元件的种类与数量、二次回路输入与输出接口数量与状态以及接口的性质；按照被仿真的继电保护二次回路，调用各种虚拟继电器、虚拟独立元件和用户自定义控件并辅以逻辑元件进行逻辑组态，构建成虚拟继电保护二次回路，利用虚拟继电保护二次回路进行仿真。本发明可以精确研究继电保护的接点竞争、二次寄生回路等问题，通过仿真试验可以提早发现继电器以及继电保护二次回路的设计缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及变电站继电保护二次回路的应用领域，具体地说是一种基于虚拟仪器的继电保护二次回路仿真方法。
背景技术
继电保护是电力系统中的重要组成部分之一，担负着控制电力系统平稳运行、保障电力系统安全的重任。而二次回路是继电保护的核心组成部分，俗称电力系统的“神经系统”，它和继电保护装置一起构成了完整的保护网络。鉴于二次回路的重要性，电力系统各级部门及相关设备制造商历来高度重视，提出了各种解决二次回路问题的办法和措施，传统的方法如：①施工前期对二次回路设计图纸进行审核，②二次回路调试中采用传统的人工对线检查，③通过保护传动试验验证二次回路的正确性等。但是二次回路的缺陷具有偶发性和隐蔽性的特点，采用传统方法测试二次回路存在较大局限性，表现在：①不直观，特别是对于复杂的二次回路，依靠人工图纸审核很难发现二次回路中的寄生回路和接点竞争，②保护传动试验很难完整验证二次回路的正确性，传动试验验证正逻辑比较容易，而反逻辑不易被验证全面，并且某些特殊回路依靠传动试验仍难以验证，③对于由于二次回路缺陷产生的继电保护事故，用常规的方法不易分析和判断，特别是运行的二次回路，难以通过试验的办法再现，往往需要停电，不利于事故快速有效处理。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供一种基于虚拟仪器的继电保护二次回路仿真平台，使现实的继电保护二次回路可以在虚拟的仿真平台上再现，进而各种难以实施的二次回路试验也可以在仿真平台上完成，从而提高二次回路的检测效率，丰富二次回路的事故调查手段，确保二次回路在设计、施工和运行等各个阶段的合理性、正确性以及可靠水平。
为此，本发明采用以下的技术方案：一种基于虚拟仪器的继电保护二次回路仿真方法，其包括如下步骤：
1)把继电保护二次回路的各个组成部分比如中间继电器、连接线缆、继电器常开接点、继电器常闭接点、保护压板、接线端子、按钮、把手、空气开关、小刀闸、指示灯、掉牌等元件通过LABVIEW图形化编程语言封装成基于虚拟技术的①虚拟独立元件模块(属于子VI类型)和②用户自定义控件(即在图形用户界面(GUI)中屏幕上的一种对象，属于.ctl类型)；所有的虚拟独立元件模块和用户自定义控件集合成虚拟独立元件库和用户自定义控件库。
2)对于复杂继电器，比如时间继电器、磁保持继电器、双位置继电器、电流继电器、电压继电器等直接创建成虚拟继电器模块，并集合成虚拟继电器库。
3)分析被仿真继电保护二次回路的功能与性质、所含元件的种类与数量、二次回路输入与输出接口数量与状态以及接口的性质；根据分析结果确定仿真中需要的虚拟继电器数量与性质、独立元件数量与性质和用户自定义控件数量与性质；按照待仿真的二次回路，调用各种虚拟继电器、虚拟独立元件、用户自定义控件等并辅以与门、或门、非门等逻辑元件进行逻辑组态，构建成虚拟继电保护二次回路。
4)通过LaBVIEW/FPGA编程环境平台，把虚拟继电保护二次回路下装到载有大规模FPGA芯片的PXIe板卡上，完成二次回路在仿真系统的映射；由基于PXI Express的机箱PXIe-1062Q、双核嵌入式主控制器PXIe-8106、板载大规模FPGA的PXI-7852R板卡构成虚拟仪器测试仪，并结合输入输出接口装置组成二次回路的仿真系统的硬件部分，整个仿真系统运行于LabVIEW/FPGA开发环境，仿真系统的软件部分有主控制程序、硬件接口驱动程序、虚拟继电器库、虚拟独立元件库、用户自定义控件库、FPGA控制与驱动程序组成，主控制程序安装在主控制器上。方便对二次回路仿真进行在线控制，可以多点、多次设置故障，实时记录、统计故障数据。
5)调整参数设置，测试整个二次回路的动作行为，比如调整某一时间继电器的延时动作时间或者调整某一继电器常开接点的返回时间，通过仿真系统来验证整定时间长短是否合理，是否适配，是否存在接点竞争现象，找到最佳时间匹配点。在各个元件的输入输出端设置监视点和断点方便进行人工干预和动作统计。并在二次回路仿真中设置不同的寄生回路，模拟二次回路开路、断线、短路；模拟元件击穿、开断；模拟接线交叉或错接。
基于FPGA技术的硬件系统，使得虚拟二次回路执行程序不占用任何CPU资源而是走纯物理逻辑，具有高实时性。同时具备多路模拟量和数字量的输入输出接口，可以独立仿真某一二次回路，也可以作为二次回路的某一部分接驳到真实的二次回路中仿真整个二次系统。基于虚拟仪器技术与FPGA技术的二次回路仿真系统的核心思想就是将实际二次回路图形化、逻辑化，并映射到仿真系统里，实时、真实的进行二次回路仿真。
本发明具有的有益效果：通过二次回路仿真系统可以完成各种继电保护二次回路和继电器的模拟，从而可以精确研究继电保护的接点竞争、二次寄生回路等问题。通过仿真试验可以提早发现继电器以及继电保护二次回路的设计缺陷，比单单的常规继电器试验更方便、更系统、更高效、更准确，最终提高了继电保护二次系统的可靠性。
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明的硬件系统结构原理图。
图2为本发明的软件架构图。
图3为本发明的二次回路仿真方法示意图。
图4为本发明的二次回路仿真流程示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，由基于PXI Express的机箱PXIe-1062Q、双核嵌入式主控制器PXIe-8106、板载大规模FPGA的PXI-7852R板卡构成虚拟仪器测试仪，并结合输入输出接口装置组成二次回路的仿真系统，整个系统运行于LabVIEW/FPGA开发环境，有主控制程序、虚拟独立元件库、虚拟继电器库、用户自定义库、FPGA程序和输入输出接口装置的驱动程序组成，主控制程序安装在主控制器PXIe-8106上。
如图3所示的二次回路仿真方法示意图，真实二次回路可以分解为复杂继电器和二次回路元件。由复杂继电器构建虚拟继电器库，由二次回路元件封装为用户自定义控件和独立元件库，最终结合必要的与非逻辑最终形成用于仿真的虚拟二次回路。
如图4所示的二次回路仿真流程示意图，具体实施方法为：
1)分析待仿真二次回路，确定虚拟继电器、独立元件、用户自定义控件数量与性质；
2)从建立好的虚拟继电器库/独立元件库/用户自定义控件库中调用相应元件，如果库中没有则创建新的虚拟继电器或用户自定义控件并添加在库中；
3)在LabVIEW/FPGA开发平台上建立HOST主控制程序；
4)利用各种虚拟元件以及与、或、非门等逻辑元件按照待仿真二次回路进行逻辑组态，构建虚拟二次回路；
5)生成FPGA控制程序并下装至FPGA板卡；
6)设置仿真参数和寄生回路或是接点竞争等故障点；
7)开始仿真；
8)得到预期仿真结果；
9)仿真结束，关闭HOST/FPGA程序，关闭仿真系统。
利用本发明对RDASS母线差动继电器二次回路进行了实际仿真，目的是研究RDASS母线差动继电器的母联断联二次回路的寄生回路与接点竞争问题。通过设置不同的双位置继电器、手合继电器和断联延时，研究母联回路是否发生误重合现象，同时研究在存在寄生回路和消除寄生回路两种状况下，保护动作情况。仿真结果如表1。
表1RDASS母线差动继电器二次回路仿真结果
| 双位置继电器延时1 | 手合继电器延时 | 断联延时 | 仿真结果 |
| 30ms | 30ms | 150ms | 不误合 |
| 31ms | 30ms | 150ms | 误合 |
| 31ms | 30ms | 200ms | 误合 |
| 60ms | 60ms | 150ms | 不误合 |
| 61ms | 60ms | 150ms | 误合 |
Claims (4)
1.一种基于虚拟仪器的继电保护二次回路仿真方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)把被仿真继电保护二次回路的各个组成部分通过LABVIEW图形化编程语言封装成虚拟独立元件模块和用户自定义控件，所有的虚拟独立元件模块和用户自定义控件集合成虚拟独立元件库和用户自定义控件库；
2）对于复杂继电器，直接创建成虚拟继电器模块，并集合成虚拟继电器库；
3）分析被仿真继电保护二次回路的功能与性质、所含元件的种类与数量、二次回路输入与输出接口数量与状态以及接口的性质；
根据分析结果确定仿真中需要的虚拟继电器数量与性质、独立元件数量与性质、用户自定义控件数量与性质；按照被仿真的继电保护二次回路，调用各种虚拟继电器、虚拟独立元件和用户自定义控件并辅以逻辑元件进行逻辑组态，构建成虚拟继电保护二次回路；
4）通过LaBVIEW/FPGA编程环境平台，把虚拟继电保护二次回路下装到载有大规模FPGA芯片的PXIe板卡上，完成二次回路在仿真系统的映射,由基于PXI Express的机箱PXIe-1062Q、双核嵌入式主控制器PXIe-8106、板载大规模FPGA的PXI-7852R板卡构成虚拟仪器测试仪，并结合输入输出接口装置组成二次回路的仿真系统的硬件部分，整个仿真系统运行于LabVIEW/FPGA开发环境，仿真系统的软件部分有主控制程序、硬件接口驱动程序、虚拟继电器库、虚拟独立元件库、用户自定义控件库、FPGA控制与驱动程序组成，主控制程序安装在主控制器上；
5）调整参数设置，测试整个二次回路的动作行为，在各个元件的输入输出端设置监视点和断点，并在二次回路仿真中设置不同的寄生回路，模拟二次回路开路、断线和短路，模拟元件击穿和开断，模拟接线交叉或错接。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的继电保护二次回路仿真方法，其特征在于：由时间继电器模块、磁保持继电器、双位置继电器、电流继电器和电压继电器直接创建成虚拟继电器模块。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟仪器的继电保护二次回路仿真方法，其特征在于：通过上述仿真方法进行继电保护寄生回路仿真试验时，多点多次设置寄生回路，评估寄生回路对整个继电保护二次回路的影响。
4.根据权利要求2所述的基于虚拟仪器的继电保护二次回路仿真方法，其特征在于：通过上述仿真方法进行继电保护二次回路接点竞争现象研究，定性定量的分析接点竞争逻辑时序关系，给出时间继电器最佳匹配整定时间。
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