CN108241771A - 基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法 - Google Patents

基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法 Download PDF

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周长江
庄哲寅
马生坤
李世倩
郭晏
张洁华
俸仲文
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BEIJING IN-TO EMULATION TECHNOLOGY Co Ltd
National Grid Jiangsu Electric Power Co Skills Training Center
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Abstract

本发明提供一种基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法，在现已成熟的电网一次设备电磁暂态仿真(DDRTS仿真***)技术的基础上，采用图形化仿真支撑平台***建立电网中各种继电保护设备的数字化模型，将电网中各级保护定值置入数字化继电保护设备模型，通过对电网进行各种电磁暂态过程仿真，观察各继电保护设备的动作情况，从而检验电网中各级继电保护定值的正确性。

Description

基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法
技术领域
本发明属于电力***领域，尤其涉及到一种基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方 法。
背景技术
现有的仿真***具有以下不足：
不能适应二次装置不断升级的趋势
仿真***室目前配置的保护装置与实际运行变电站二次设备基本一致，但是，随着保 护装置的技术更新，培训室的装置与实际运行变电站的装置肯定会出现差异，且差异有可 能逐步扩大。二次设备购置投入资金量较大，设备更新速度快就需要资金源源不断的投入， 给仿真***室升级改造带来了较大的困扰。
不能适应培训范围逐步扩展的实际需求
目前的仿真实训室只建设了220kV的仿真培训***，今后还要建立500kV和110kV电压等级的培训规模以满足江苏省各级电网单位技术人员的实训，目前仿真***室场地有限，变电站二次***设备接入规模受到较大限制，即使规模扩大，实训室的二次设备也不可能无限制接入，导致改扩建的生产培训需求不能满足。
不能适应未来二次设备***化的发展趋势
按照新一代智能变电站的设计和建设理念，二次设备将呈现就地化、站域化、***化 的趋势。原来单装置的概念，将逐步被“***化”所取代，全站甚至站间的二次设备通过光纤连接形成网络化的结构，这些发展趋势都对培训室下一步的发展提出了新的要求。例如，目前针对单套设备的定检、检修及调试工作，下一步在现场将朝着“更换式”检修的 方向发展，而类似“站域保护装置”这样的跨间隔、***化设备，将同时采集十几个甚至 几十个间隔的模拟量和开关量信息，这就要求今后的培训工作将重点从单套设备向***化 转变，对全站乃至整个区域电网的运行状况有更全面的认识，对整个***的各种异常和故 障现象有更强的分析及应对能力。
发明内容
针对以上存在的情况，结合实际生产技能培训需求，本发明提供一种基于电力***电 磁暂态实时仿真平台的二次设备数字物理混合建模方法，通过对一次电网的***化建模以 及二次***的虚拟化、数字化和真实设备的混合建模，最终达到以下目的：
实现变电站二次***数字建模，可根据现场配置的保护及其构成原理，方便、快速的 实现其数字化模型的建立，达到以二次设备数字建模工具的不变来应对保护技术的发展和 现场装置配置的变化。
实现仿真***室二次物理设备的数字化，并达到数字化模型与物理设备的互融互通。 结合一次***的定制化模型，为将来新一代智能站二次***的联合调试、电网一次、二次 ***的故障识别、分析及处理提供更强大的技术手段。
创新培训模式和管理手段，虚(数字化)实(物理设备)结合，实现变电站仿真过程中二次物理设备和二次数字模型的混合仿真，在保证实训效果的前提下大大减少目前实训场地的限制。缩减仿真***室后期资金投入。
为解决上述问题，本发明提供一种基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法，其包 括以下步骤：
将电力网络分割为N个子网络，其中，N为大于1的自然数，并根据网络分割目标函数进行每个子网络的优化，所述网络分割目标函数为：
S＝a1 2+a2 2+a3 2+as 2，
其中S为目标函数，a1、a2、a3为所述子网络中的节点数量，as为所述子网络之间的连接线数量；
为每个所述子网络分别设置不同的仿真步长，并将所述电力网络的仿真步长设置为每 个所述子网络的仿真步长的公约数；
利用所述子网络和所述电力网络的仿真步长采用EMTP方法进行仿真，建立每个子网络中的不同电力元件的模型并将其存入数据库中；
根据所述电力元件的模型建立一次***运行状态模型，并计算得到输出电压和电流并 将其存入数据库中；
根据二次设备的工作原理将二次设备分类并分别进行仿真建模，同时将该二次设备插 入至所述子网络中，并根据所述输出电压和电流计算得到所述二次设备的电气量值并将其 存入数据库中；
数据采集模块从数据库中获取二次设备的电气量值，并将该电气量值与预先存储的电 气量阈值进行比较，当该电气量值超出所述预先存储的电气量阈值时判断启动保护运算， 并计算得出保护调整值，逻辑判断模块根据所述保护调整值向该电力元件的模型发出调整 命令，即完成故障模拟。
优选的是，所述的基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中，所述电力元件为发 电机、励磁机及励磁调节装置、调速器、电动机、变压器、负荷、断路器、输电线、电抗器和串补元件。
优选的是，所述的基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中，
所述电力元件的模型采用电磁暂态仿真***构建；
所述电磁暂态仿真***获取每个步长的数据并计算完一个步长后，将数据将其存入数 据库中，然后向数据采集模块发送读取数据的命令，并且自身进入等待状态；
数据采集模块接收所述读取数据的命令后从数据库中获取数据并进行运算，并把运算 结果存入数据库中，然后向所述电磁暂态仿真***发送计算下一步长的命令，并且自身进 入等待状态；
所述电磁暂态仿真***接收所述计算下一步长的命令，进行该步长的计算。
优选的是，所述的基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中，还包括：
接收用户的修改命令，执行对每个所述电力元件和所述二次设备的参数的修改操作。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明 的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的一次***的接线 图；
图2为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的主界面图；
图3为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的同步发电机参数 设置界面；
图4为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的二次设备的电变 压器器参数设置界面；
图5为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的二次设备的电流 互感器参数设置界面；
图6为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的二次设备的电压 互感器参数设置界面；
图7为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的断路器参数设置 界面；
图8为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的线路参数设置界 面；
图9为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的二次设备的电压 通道信号配置界面；
图10为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的二次设备的电流 通道信号配置界面；
图11为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的二次设备的故障 设置界面；
图12为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的二次设备故障位 置界面；
图13为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的二次设备中故障 信息设置界面；
图14为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的实时闭环测试录 波图－单相故障重合成功图；
图15为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的实时闭环测试录 波图－单相故障重合不成功图；
图16为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的实时闭环测试录 波图－转换性故障图；
图17为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的二次设备的建模 原理图；
图18为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的数据采集模块的 示意图；
图19为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的保护运算工作示 意图；
图20为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的逻辑判断模块的 结构框图；
图21为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的压板投退示意 图；
图22为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的工频变化量保护 逻辑图；
图23为本发明提供基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法中的电流差动保护逻 辑图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实 施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其 它元件或其组合的存在或添加。
电网本身是由众多元件连接成的统一的***，对电网中继电保护设备的要求不仅仅局 限于逻辑功能正确、动作可靠，更重要的是强调各级电网的继电保护设备的动作行为必须 严格配合，在一次设备发生故障时，保护装置必须做到该动必动，不能误动。继电保护定 值作为保护设备能否正确动作的直接依据，各级继电保护装置动作行为的配合实际上就是 保护定值的配合。如果对保护定值的正确性进行校验就必须考虑到各级保护定值的逐级配 合，联系各级电网对定值进行***的校验。
由于电力***故障的瞬时性、突发性、破坏性以及故障过程的不可逆转性，现有的技 术手段尚不能对电网各级保护定值进行***的检验。本发明在现已成熟的电网一次设备电 磁暂态仿真(DDRTS仿真***)技术的基础上，采用图形化仿真支撑平台***建立电网中各种继电保护设备的数字化模型，将电网中各级保护定值置入数字化继电保护设备模型，通过对电网进行各种电磁暂态过程仿真，观察各继电保护设备的动作情况，从而检验电网中各级继电保护定值的正确性。
本发明建立的数字化继电保护设备模型完全采用真实保护装置的各种保护算法构建， 其包括电流电压瞬时值信号的采样、滤波、傅立叶变换，各种电气分量计算，线路纵差保 护、距离保护、零序保护、三相重合闸以及母线差动保护等。
在本***中电网一次***采用DDRTS***构建，并采用电磁暂态算法，而二次***即保护装置则采用图形化仿真支撑平台***构建运行，两***通过实时数据库实现数据交换以及相互指令控制。
DDRTS***的电磁暂态计算每个步长的结果数据都送入实时数据库中，保护装置则 通过采样环节从实时数据库中获取数据，如果发生动作，则通过命令方式给DDRTS***发送动作信息。
在仿真支撑平台***上对一个开关的保护建立在同一个图页上，这样在一次***图上 点击开关，查看其保护配置时，将给仿真支撑平台***发送图页调出命令，在仿真支撑平 台***上将自动显示该开关所配保护信息。
数字动态电磁仿真实验平台(DDRTS)基于微机开放式的体系结构和自主开发的全中 文图形化电力***仿真软件，电网一次***建模基于数字动态电磁仿真实验平台。平台包 括丰富的电力***元件模型，如发电机、励磁机及励磁调节装置、调速器、电动机、变压器、负荷、断路器、输电线、电抗器、串补元件等，能够根据***实际接线结构、元件参 数对一次***的运行情况进行完整的绘制及准确的计算，输出与***实际相同的电压、电 流波形。用户可以通过图形界面对电网结构和元件参数进行修改，并可灵活地改变***一 次接线方式，从而对***运行情况进行完整的仿真模拟。
模拟电网一次***可根据实训需求任意搭建，本项目以500kV变电站为例进行说明， 一次***由500kVA变电站、220kVB变电站构成。500kV的2个完整串，1台500kV主 变，220kV2条出线。一次***如图1所示。
二次***图形化控制模块支撑平台是电网二次***各种保护继电器的数字化模型的 构建以及驱动运行的平台工具，该平台采用了先进的模型构建原理，具有稳定性好、可靠 性高、代码运行效率高等特点，同时该平台还利用最新的计算机图形技术，开发了图形绘 制、图形建模以及图形化调试运行等强大的图形化功能。***还充分考虑了与其它仿真系 统的兼容性，对于其它仿真***构建的可识别的文本模型，本***可以将该文本模型自动 形成图形化的模型，或者将本文模型添加到已有的图形化模型中还可以方便地实现与其他 ***的数据连接。
***提供了一个非常直观的图形化的模型构建工具，只需从算法库中拖出算法到建模 区，即可生成一个模块，用连接线将各模块的输入输出相连，就构建成了一个新的模型， 连接线可以任意加减节点，从而美化模型的布线。各模块的输入输出量初始值可以非常方 便地进行修改，模块运行速率、运行冻结等修改也非常方便，还可以对各模块的输入输出 量的描述重新定义，总之，该***很好地体现了图形化构建模型的快速性、方便性和直观 性。
***可以非常方便地自定义一个新的算法，并且可以为该算法设计一个非常形象化的 图元；还可以无限级构建组合算法，当用几个模块构建成一个具有通用功能的模型时，可 以将该模型打包，重新定义成一个组合算法，从而可以非常方便地用该组合算法构建其它 更复杂的模型，这一过程可以无限级进行，构建出复杂的多层次的组合算法。
二次保护具体配置如下：
表1继电保护装置配置表
数字动态电磁仿真实验平台(DDRTS)基于微机开放式的体系结构和自主开发的全中 文图形化电力***仿真软件，电网一次***建模基于数字动态电磁仿真实验平台。平台包 括丰富的电力***元件模型，如发电机、励磁机及励磁调节装置、调速器、电动机、变压器、负荷、断路器、输电线、电抗器、串补元件等，能够根据***实际接线结构、元件参 数对一次***的运行情况进行完整的绘制及准确的计算，输出与***实际相同的电压、电 流波形。用户可以通过图形界面对电网结构和元件参数进行修改，并可灵活地改变***一 次接线方式，从而对***运行情况进行完整的仿真模拟。平台采用了先进的模型构建原理， 具有稳定性好、可靠性高、代码运行效率高等特点，同时该***还利用最新的计算机图形 技术，开发图形绘制、图形建模以及图形化调试运行等图形化功能。
电力***实际的保护装置种类繁多、结构复杂，保护装置建模存在很大的难度。一方 面，将电网实际配置的所有保护装置重新采购以用于仿真是不经济的；另一方面，采用虚 拟保护装置进行建模也存在以下问题：一是将电网每条支路配置的各类型号的保护装置进 行详细建模的工作量是庞大的，二是限于知识产权及商业机密，保护装置厂家对外公布的 保护逻辑和现场实际的保护装置也不尽相同，无法实现特定型号的保护装置准确模型的建 立。
继电保护通用数字模型建设思路是：以典型继电保护装置为基础，按照保护类型进行 分类，抽取同类型继电保护及安自装置的共性部分，形成装置通用模块。通过对通用模块 进行配置，形成各类保护的典型装置模型。
平台提供了一个非常直观的图形化的模型构建工具，只需从算法库中拖出算法到建模 区，即可生成一个模块，用连接线将各模块的输入输出相连，就构建成了一个新的模型， 连接线可以任意加减节点，从而美化模型的布线。各模块的输入输出量初始值可以非常方 便地进行修改，模块运行速率、运行冻结等修改也非常方便，还可以对各模块的输入输出 量的描述重新定义，总之，该平台很好地体现了图形化构建模型的快速性、方便性和直观 性。
传统的保护原理模型采用简单的比对电气量和原理定值的大小进行保护的仿真，仅能 从原理层面描述定值的合理性。本平台采用的通用保护装置模型直接从电磁暂态计算结果 获取数据，通过傅式变换及其他保护装置的真实算法处理基础数据，将带有时标的电压、 电流量输入通用保护装置模型，通过保护装置的启动判据结合保护装置的逻辑回路，仿真 保护装置的实际动作。
继电保护装置动作逻辑的仿真应能反映各种继电保护装置的原理级动作特性、各种继 电保护装置的配置关系、保护对各种故障的反映和保护的配合、保护的正确动作顺序和结 果、保护误动或拒动产生的后果等。
为了实现各类典型保护装置的逻辑仿真，需建立一个反映保护装置逻辑关系的保护逻 辑框图。保护逻辑框图不缺分保护厂家及型号，建立典型的保护动作逻辑。逻辑关系框图 除反映保护各模块之间逻辑关系外，还应具有输入输出信号量、采样频率、动作特性等属 性，以达到逼近具体保护装置的内部算法和结构的目的。
在本***中电网一次***采用DDRTS***构建，并采用电磁暂态算法，而二次***即保护装置则采用图形化仿真支撑平台***构建运行，两***通过实时数据库实现数据交换以及相互指令控制。
DDRTS***的电磁暂态计算每个步长的结果数据都送入实时数据库中，保护装置则 通过采样环节从实时数据库中获取数据，如果发生动作，则通过命令方式给DDRTS***发送动作信息。问题的关键是保护装置数据采样如何保证与DDRTS***的电磁暂态计算 同步，也就是一次***与二次***计算的同步问题。本***中采用建立互斥变量以及获取 时间标识的方式实现同步，具体的过程为DDRTS计算完一个步长后，将数据写入实时库 中，而后通知二次***可以读取数据了，并且自身进入等待状态，等待二次***的通知。 二次***得到通知后，从实时数据库中获取数据并进行运算，同时把DDRTS***计算的 时间信息告诉各个模块，由模块自行进行时间处理，并把运算结果写入到实时库中，而后 通知一次***可以读取并进行下一步长的计算了，并且自身进入等待状态。
在图形化仿真支撑平台***上构建二次***模型时，需要与DDRTS***建立联系，实现数据交换，实际上是与实时数据库建立联系，与实时数据库进行数据交换，***采用了接口算法的方式。这样在用接口算法生成模块时，只要选择相应的一次设备如开关名称、母线名称就能实现与一次***的连接。
在仿真支撑平台***上对一个开关的保护建立在同一个图页上，这样在一次***图上 点击开关，查看其保护配置时，将给仿真支撑平台***发送图页调出命令，在仿真支撑平 台***上将自动显示该开关所配保护信息。
本发明采用建立互斥变量以及获取时间标识的方式实现同步，具体的过程为DDRTS 计算完一个步长后，将数据写入实时库中，而后通知二次***可以读取数据了，并且自身 进入等待状态，等待二次***的通知。二次***得到通知后，从实时数据库中获取数据并 进行运算，同时把DDRTS***计算的时间信息告诉各个模块，由模块自行进行时间处理， 并把运算结果写入到实时库中，而后通知一次***可以读取并进行下一步长的计算了，并 且自身进入等待状态。
在图形化仿真支撑平台***上构建二次***模型时，需要与DDRTS***建立联系，实现数据交换，实际上是与实时数据库建立联系，与实时数据库进行数据交换，***采用了接口算法的方式。这样在用接口算法生成模块时，只要选择相应的一次设备如开关名称、母线名称就能实现与一次***的连接。
本发明一次***可以任意改变电网接线方式，调整电源处理和符合大小，在任意地点 设置各种故障，二次部分可以采用虚拟继电保护通用装置平台建立，也可以采用真实的通 用继电保护实验装置和DDRTS模拟的一次***无缝连接，也可以采用跟现场一样真实的 各保护厂家的实际装置与DDRTS模拟的一次***无缝连接。该***真正做到插件模式，二次部分支持虚拟装置，也支持真实通用二次实验装置，也支持真实现场的保护装置，做到了真正的即插即用。
仿真***具有基于图模库一体化技术的图形化仿真建模软件，用户可根据自己的电力 ***结构，采用图形化的方式建立数学模型。用户可以设置各种典型故障，并可任意设置 故障的类型和接地阻抗等参数。
建模***遵循开放式的原则，人机交互界面采用Windows***；
***元件参数采用数据库管理；对每一类元件和每一个元件都可以单独定义参数的上 下限，并可以由用户修改，上下限的数据保存在数据库中；
仿真输出的波形能够显示、打印、进行波形分析和以文件形式存储并回放；
具有波形回放功能，***应能读取现场录波的COMTRADE文件(不同格式和采样频率的comtrade文件)和导出大***的仿真波形，通过动态波形回放***能够打开 COMTRADE文件进行波形回放测试；
***提供对回放文件中的电压、电流波形的谐波分析功能，通过FFT计算待分析信号 的直流分量和各次谐波的幅值和相角；
具有很好的稳定性和可维护性。具有图形化、模块化、交互方式的建模环境。开发工 程师根据现场生产流程，能方便地实现电网一次主接线***的图形建模；
仿真***的软件主界面如图2所示，其建模方式采用国际最新软件标准。各个电力元 件的参数设置如图3、4、5、6、7、8所示。
输出给继电保护装置的电压通道信号配置如图9所示。
输出给继电保护装置的电流通道信号配置如图所10示。
故障位置可通过绘图控件设置连接线在***图中直接设置，如图11和12所示。
故障参数、故障类型可通过双击故障元件图标设置，如图13所示。
电磁暂态仿真采用瞬时值方式进行计算，实时仿真不仅计算***的工频电量，而且考 虑非周期和高频分量以及快速的动态过程，计算***具有以下主要功能：
***能进行电力***的电磁暂态过程实时仿真计算；
***具有优化的计算方法，在电磁暂态仿真模式下，仿真一定节点规模的***时，计 算速度可以达到实时；
***能够模拟各种类型故障和多重故障，包括区内转换型故障、区内转区外故障、区 外转区内故障等；
故障类型可以任意设置，包括故障时间、故障过渡电阻等，能够模拟重合闸的动作和 保护合于永久故障等现象，故障过程中，故障电阻可变化；
同步电机模型应为标准的PARK方程求解，在模拟电机基本特性的基础上，还可以模 拟电机的饱和以及发电机的励磁和调速***。***应提供IEEE标准的励磁和调速***，也可用户自定义励磁和调速***；
***具有固定频率电源模型，其外特性包括潮流类型(即平衡节点、PV节点、PQ节点)、有功功率、无功功率、电压幅值和电压相位；
***具有电动机模型，并可以模拟各种容量电动机的起动过程；
***具有单相双绕组变压器、三相双绕组变压器和三相三绕组变压器模型(包括自耦 变压器)，变压器中性点应包含各种接地类型；
***具有集中参数和分布参数两种线路模型，还具有同杆并架双回不换位线路模型， 可以准确模拟线路的暂态过程；
***具有高压并联电抗器的模型；
***具有电压互感器和电流互感器模型。电压互感器具有电磁式和电容式两种类型。 ***应可准确模拟CVT的暂态过程和CT的饱和过程；
***有各类无源元件模型：电阻、电感、电容、串联RL、并联RL、串联RC、并联 RC、串联RLC、并联RLC、电抗器、接地电抗器等；
***具有各类非线性元件模型：饱和电抗器、避雷器和放电间隙等；
仿真***运行效果如图14、15、16所示。
通过采用真实、准确的时标，对整个仿真***自身的时序及对外的输入、输出进行同 步控制，负责整个仿真测试过程的时序和同步控制，保证计算的实时性和多路信号的同步 性，从而保证仿真软件与真实物理设备的无缝对接。实时性应满足保护装置动作逻辑和故 障录波的要求。
仿真***保证模拟一次***线路两侧保护动作出口时间的合理性和正确性，以确保两 侧保护动作时间的同步。
仿真***实时进程控制应能保证一次完整仿真过程的时序和变电站内真实扰动、故 障、操作的时序在逻辑上、时间上保持一致。
电力***的二次***部分是一个种类繁多而又复杂的***，包含各种各样的设备，但 究其机理，不外乎若干个类别。如此，我们将原理相同的二次设备归为一类，用DDRTS自定义控制模块写一段代码来描述其共性，而将其特性部分分离出来，用若干个控制模块来标志。二次部分可由图形化仿真***的控制模块建模，其中控制模包括丰富的各类模块，利用这些基本模块，可以搭建目前电力***中所有控制器(如：发电机的励磁调节器和调速器、变阻抗元件、电压源、电流源等)。该模块包括二十多种不同的数学函数模块，十 多种不同的基本时间模块，八种信号发生器、五种逻辑函数、七种基本非线性函数模块、 三种控制函数及自定义控制变量。自定义控制变量***提供开放的平台，可以根据各种原 理保护自定义保护逻辑。
二次设备建模原理如图17所示。二次设备建模基于仿真平台，保护二次建模包括数 据采样、保护运算、逻辑判断三个模块。
数据采样建模如图18所示。
数据采样通过仿真平台信号引入，可引入电压、电流、频率等电气量，引入的电气量 可自由定义类型、设备、位置，采集到自定义的信号后，根据保护算法需要的数据，数据采样模块根据采样算法输出相关电气量并判断是否启动保护运算模块。
保护运行模块如图19所示。
保护运算模块接收数据采样输出的采样值，并输入保护预设的定值，根据保护算法， 运算出保护是否动作并开出动作信号。
保护算法可按线路、变压器、母线等保护编写通用的保护算法，例如：
工频变化量差流起动：
ΔId＞1.25ΔIdt+Idth
其中：
ΔIdt为浮动门坎，随着变化量输出增大而逐步自动提高，取1.25倍可保证门槛电压始终略高于 不平衡输出。
分别为变压器各侧电流的工频变化量。
ΔId为差流的半周积分值。
Idth为固定门坎。工频变化量差流起动元件不受负荷电流影响，灵敏度很高，起动定值由装置内 部设定，无需用户整定。
此起动元件用来开放工频变化量比率差动保护。
工频变化量比例差动保护动作方程
ΔIr＝max{|ΔI1φ|+|ΔI2φ|+....+|ΔImφ|}
其中：
ΔIdt为浮动门坎，随着变化量输出增大而逐步自动提高。取1.25倍可保证门槛电压始终略高于 不平衡输出，保证在***振荡或频率偏移情况下，保护不误动。
分别为变压器各侧电流的工频变化量。
ΔId为差动电流的工频变化量。
Idth为固定门坎。
ΔIr为制动电流的工频变化量，取最大相制动。
逻辑判断模块如图20所示，压板投退工作原理如图21所示。
保护逻辑判断运算算法可按线路、变压器、母线等保护编写通用的逻辑判断算法，如 图22和23所示。
线路实验：
任意点短路(含单相、二相和三相)；
任意点断线(含单相、二相和三相)；
复合型故障，包括***中多点接地、多点短路、任意多种一次设备同时故障、开关拒 动同时发生短路故障等；
线路暂态超越、区内外金属性故障、转换性故障、经电阻接地故障、手合到故障、***振荡及振荡中再发生故障；
暂态超越实验
在被保护线路末端模拟单相接地、两相接地、两相短路、三相短路和三相短路接地故 障，距离保护的暂态超越不应大于5％。
区内金属性故障：在保护线路出口、中点、末端各点模拟单相接地、两相接地、三相短路和三相短路接地故障。各种故障分别模拟瞬时故障和永久故障。
区外故障：在相邻线路两端模拟单相接地、两相接地、三相短路和三相短路接地故障。 各种故障均模拟瞬时故障。
转换性故障：在被保护线路内部的同一故障点模拟经不同时限的转换性故障；在被保 护线路与相邻线路之间模拟相近故障点之间的异名相转换性故障；在被保护线路与相邻线 路之间模拟跨线相间故障。
经电阻接地故障：在被保护线路内部两端及中点模拟各种带电阻的单一故障；在相邻 线路模拟各种带电阻的单一故障。单相接地故障过渡电阻为0～300Ω，相间故障电阻为 0～100Ω。
手合到故障：***为单侧电源，分别模拟被保护线路在出口、中点和末端三相接地状 态下合上断路器。
***振荡及振荡中再发生故障：线路全相运行，***因故障而发生动稳破坏；在振荡 过程中模拟被保护线路区内和区外各种短路故障
***双回线重载运行，因相邻线路发生非全相运行而引起***非全相振荡，在振荡过 程中模拟被保护线路区内和区外各种短路故障
***双回线运行，因本线路一侧断路器一相断开而引起***非全相振荡，在振荡过程 中模拟被保护线路区内和区外各种短路故障。
变压器本体及其相关实验：
变压器故障，包括相间短路、接地短路；
变压器空投试验；
变压器非电量信号：本体重瓦斯、本体轻瓦斯、有载重瓦斯、有载轻瓦斯、油温高、油温异常、压力释放和冷却器全停等；
母线实验：
母线短路；
母线接地；
瞬时性、永久性故障；
电容器、电抗器瞬时性、永久性故障实验
开关本体及其相关的实验：
开关拒动；
开关偷跳；
非全相运行；
开关的各种异常(压力降低禁止跳闸；压力降低禁止合闸；压力降低禁止重合闸；压 力降低禁止操作；开关气压、油压降低)；
开关合在有故障的线路或母线上；
二次回路实验：
TA/TV断线、极性方向、短路、二次回路开路；
供强大的组态功能，用户可以通过软件控制的独立继电器模拟二次回路任意的异常或 故障现象。
基电磁暂态仿真算法获取装置动作模拟所需测量量，并结合装置数字模型实现电网故 障回放及连锁故障仿真分析。
(1)故障量的获取
***仿真平台基于电磁暂态模型计算故障后暂态过程，输出电网各个保护位置电压、 电流等含时标的采样信息，故障回放及连锁故障仿真模块获取采样信息并输入典型保护装 置。
(2)装置测量量分析
继电保护装置通用数字模型的建模模块包括装置的结构、动作逻辑、测量量的处理方 法；引入电磁暂态提供的电流、电压数据，通过装置的测量量算法获取应用于装置动作逻 辑的测量量，进而根据装置的动作逻辑需要计算出测量阻抗、相电流、负序电流、零序电 流、功率、相电压、负序电压、零序电压等各类保护应用的测量数据。
(3)故障回放及连锁故障仿真分析
依据通用装置模型的动作逻辑，进行保护动作仿真通用方法的设计，实现考虑断路器 动作时间、重合闸时间、备自投动作、保护或断路器拒动、距离I段暂态超越、潮流转移导致躲负荷保护的误动等各类仿真分析；根据实际故障分析需要，将断路器的出口状态反馈至仿真电网模型，再次进行全网电磁暂态分析并输出至保护装置，实现保护的连锁故障仿真直至故障消失。
故障回放及连锁故障仿真分析模块根据获取的仿真范围内的设备及装置模型，确认保 护出口、断路器跳闸等固有动作时间，并综合考虑保护拒动、断路器拒动等情况。本模块 的关键技术点为整体逻辑的设计及与其他模块联合计算仿真接口。
***启动故障回放功能后，根据故障回放所需数据，分别获取仿真范围、仿真装置模 型、装置电气量采样值，并支持人为根据需要设定拒动开关或保护。数据获取完成可进行 仿真，依据获取的装置测量电气量进行装置逻辑的分析，根据分析结果确定是否进入开关 变位连锁故障仿真、开关拒动的连锁故障仿真。仿真结束后依据平台展示仿真结果，并形 成仿真报告。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运 用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地 实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限 于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
将电力网络分割为N个子网络，其中，N为大于1的自然数，并根据网络分割目标函数进行每个子网络的优化，所述网络分割目标函数为：
S＝a1 2+a2 2+a3 2+as 2，
其中S为目标函数，a1、a2、a3为所述子网络中的节点数量，as为所述子网络之间的连接线数量；
为每个所述子网络分别设置不同的仿真步长，并将所述电力网络的仿真步长设置为每个所述子网络的仿真步长的公约数；
利用所述子网络和所述电力网络的仿真步长采用EMTP方法进行仿真，建立每个子网络中的不同电力元件的模型并将其存入数据库中；
根据所述电力元件的模型建立一次***运行状态模型，并计算得到输出电压和电流并将其存入数据库中；
根据二次设备的工作原理将二次设备分类并分别进行仿真建模，同时将该二次设备***至所述子网络中，并根据所述输出电压和电流计算得到所述二次设备的电气量值并将其存入数据库中；
数据采集模块从数据库中获取二次设备的电气量值，并将该电气量值与预先存储的电气量阈值进行比较，当该电气量值超出所述预先存储的电气量阈值时判断启动保护运算，并计算得出保护调整值，逻辑判断模块根据所述保护调整值向该电力元件的模型发出调整命令，即完成故障模拟。
2.如权利要求1所述的基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法，其特征在于，所述电力元件为发电机、励磁机及励磁调节装置、调速器、电动机、变压器、负荷、断路器、输电线、电抗器和串补元件。
3.如权利要求1所述的基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法，其特征在于，
所述电力元件的模型采用电磁暂态仿真***构建；
所述电磁暂态仿真***获取每个步长的数据并计算完一个步长后，将数据将其存入数据库中，然后向数据采集模块发送读取数据的命令，并且自身进入等待状态；
数据采集模块接收所述读取数据的命令后从数据库中获取数据并进行运算，并把运算结果存入数据库中，然后向所述电磁暂态仿真***发送计算下一步长的命令，并且自身进入等待状态；
所述电磁暂态仿真***接收所述计算下一步长的命令，进行该步长的计算。
4.如权利要求1所述的基于电磁暂态仿真平台的二次设备建模方法，其特征在于，还包括：
接收用户的修改命令，执行对每个所述电力元件和所述二次设备的参数的修改操作。
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