基于C#實現(xiàn)的繼電保護(hù)實驗仿真平臺設(shè)計

大連交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院 張淏 李東輝

隨著我國電力工業(yè)飛速發(fā)展，繼電保護(hù)應(yīng)用技術(shù)不斷完善，大學(xué)在繼電保護(hù)人才培養(yǎng)方面也需要技術(shù)創(chuàng)新。實訓(xùn)教學(xué)是理論聯(lián)系實踐的直接形式，本文提出一種基于Visual Studio開發(fā)的繼電保護(hù)虛擬實驗平臺，本實驗平臺開發(fā)成本低、周期短，具有更友好的交互界面、完整的實驗流程、擬真的實驗控件和直觀的實驗效果。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行與國家生產(chǎn)生活息息相關(guān)，繼電保護(hù)技術(shù)是保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行重要技術(shù)手段。如果能在電力系統(tǒng)發(fā)生問題時快速準(zhǔn)確地切除故障，就可為國家挽回大量經(jīng)濟(jì)損失并避免造成嚴(yán)重的社會影響。因此，繼電保護(hù)對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行至關(guān)重要。

現(xiàn)在電力高校的繼電保護(hù)實驗中，通常采用硬件實驗裝置或電力系統(tǒng)仿真軟件為載體進(jìn)行實驗。通用微機(jī)繼電保護(hù)實驗教學(xué)平臺，雖然有著硬件實驗裝置直觀易懂的優(yōu)點，但實驗設(shè)備的功能僵化不易調(diào)節(jié)。而以 MATLAB與PSCAD等仿真軟件為主的實驗方法，如文獻(xiàn)[6]提出的以Simulink為基礎(chǔ)搭建的三段式電流保護(hù)實驗平臺和文獻(xiàn)[7]提出的通過PSCAD/EMTDC仿真技術(shù)設(shè)計的綜合實驗平臺等，雖然有著能夠自主調(diào)節(jié)參數(shù)，但對于初學(xué)者來說，需要花費時間行進(jìn)相關(guān)軟件學(xué)習(xí)，但是本科電力系統(tǒng)課時緊張，因此這種方式也存在較大限制。

因此，相比于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，本文提出一種基于Visual Studio中的C#自定義控件開發(fā)的實驗平臺，本平臺還原真實繼電保護(hù)實驗平臺的實驗場景，讓同學(xué)們可以進(jìn)行相關(guān)的實驗操作，熟悉掌握實驗原理、學(xué)習(xí)了解實驗內(nèi)容。能夠很有效地把虛擬的場景有機(jī)地整合在一起，有效提高學(xué)生鉆研實驗的積極性。

1 繼電保護(hù)實驗相關(guān)控件設(shè)計方法

1.1 控件設(shè)計基礎(chǔ)

C#是微軟公司為Visual Studio推出的一種簡明且類型穩(wěn)定的面向?qū)ο缶庉嬚Z言，讓程序工作者在.NET Framework上編寫能夠穩(wěn)定運行的應(yīng)用程序。因其語言學(xué)習(xí)簡單使用方便、功能廣泛和其平臺靈活的可視化用戶界面設(shè)計，廣受開發(fā)者喜愛。憑借Windows窗體里面具有自行開發(fā)控件的環(huán)境條件和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，我們可以通過自定義控件設(shè)計研究我們研究所需的控件。

1.2 控件的屬性介紹

（1）指示燈。ButtonColor控制控件主體顏色以顯示指示燈的開關(guān)狀態(tài)；ButtonColorAround用于改變控件周邊顏色；指示燈在本次實驗中有兩個作用，Buttonls判斷是否作為button類型使用，ture表示按鈕，false表示指示燈，ButtonOn 用于表示按鈕是否被按下，ture表示按下，false表示未按下。

（2）分合閘開關(guān)。合閘開關(guān)屬于一個起到反饋作用的控件，在其他軟件作為判定的if語句生效后進(jìn)行相應(yīng)分合閘操作。BreakerOn用于控制分合閘狀態(tài)，ture表示合閘，false表示分閘；Breakertrip表示是否處于跳閘狀態(tài)，ture表示跳閘，false表示正常。

（3）電壓表、電流表。其主要屬性如表1所示：

表1 電壓表電流表屬性Tab.1 Properties of voltmeter and ammeter

2 三段式電流保護(hù)實驗原理

2.1 三段式電流保護(hù)實驗原理及接線圖

三段式電流保護(hù)的作用是通過不同的過流值，設(shè)定不同的延時動作時間，通過時限配合來保證選擇性，切除短路故障。為實現(xiàn)保護(hù)動作的選擇性，各保護(hù)動作的持續(xù)時間按梯形原理設(shè)定。通常電流值越大延時時間越短，I段電流保護(hù)的電流整定值是最大的，同時延時最短。II段的電流整定值比I段的小，比III段的大，II段保護(hù)的延時小于III段保護(hù)。如圖1所示是三段式電流保護(hù)的直流驅(qū)動元件在實驗中的連接流程圖。按照實驗接線圖連接，確認(rèn)電路及各元件狀態(tài)良好后即可啟動電源開始實驗。

圖1 三段電流保護(hù)直流部分接線圖Fig.1 Wiring diagram of DC part of three-section current protection

2.2 實際實驗測試與整定

無時限電流速斷保護(hù)動作值按大于本線路末端點短路時流過保護(hù)的最大短路電流I來整定，即保護(hù)的一次動作電流為：

式中K——可靠系數(shù)，對電流速斷取1.2～1.3。

繼電器的動作電流為：

式中：K=1，電流互感器變比n采用1∶1。

帶時限電流速斷保護(hù)的一次動作電流為：

繼電器的動作電流為：

過電流保護(hù)的一次動作電流為：

式中K——可靠系數(shù)，取1.2；

Kq——自起動系數(shù)，取1.3；

K——返回系數(shù)，取0.85。

繼電器動作電流為：

經(jīng)實際實驗室的測量，我們可以設(shè)定三段電流保護(hù)繼電器的整定值分別為：3A、2A、1A，對應(yīng)的動作時限分別為0s、0.5s、1s。

3 三段式電流保護(hù)實驗平臺運行效果

3.1 三段式電流保護(hù)實驗界面設(shè)計

由于三段式電流保護(hù)所需要的連線較多，筆者對界面控件位置進(jìn)行了調(diào)整，以使整體布局相對整潔美觀，如圖2所示。

圖2 實驗平臺布置圖（連線后）Fig.2 Layout of experimental platform (after connection)

其中1號電流繼電器（后稱3LJ），1號信號繼電器（3XJ）構(gòu)成無延時電流速斷保護(hù)，電流繼電器整定值設(shè)置為3A；2號電流繼電器（2LJ），2號時間繼電器（2SJ）和2號信號繼電器（3XJ）構(gòu)成帶時限電流速斷，電流繼電器整定值設(shè)置為2A，延時時間設(shè)置為0.5s；3號電流繼電器（3LJ），3號時間繼電器（3SJ）和3號信號繼電器（3SJ）構(gòu)成定時限過電流保護(hù)，電流繼電器整定值設(shè)置為1A，延時時間設(shè)置為1s；電流表和電壓表對主線路電流進(jìn)行監(jiān)測。開關(guān)Q1、Q2分別用于切斷II、III段電流保護(hù)線路。

3.2 實驗運行步驟

在控件連線檢查無誤后即可開始虛擬三段式電流保護(hù)實驗，首先啟動電源開關(guān)，調(diào)節(jié)調(diào)壓器R1及滑動變阻器R2使主電路電壓達(dá)到20V，接著保持R1不變。緩慢調(diào)節(jié)滑動變阻器R2，觀察電流表示數(shù)，當(dāng)電流超過III段電流保護(hù)整定值1A時，1LJ動作，常開開關(guān)閉合，1SJ啟動，延時1s后1XJ指示燈的紅燈亮起，斷路器QF跳閘，分閘指示燈亮起，如圖3所示。

圖3 定時限過電流保護(hù)（III段電流保護(hù)）動作狀態(tài)Fig.3 Action state of fixed-time overcurrent protection (section III current protection)

然后，按下復(fù)位按鈕將信號繼電器指示燈復(fù)位。打開開關(guān)Q1將III段電流保護(hù)短接。閉合電閘QF使電路再次通電，調(diào)節(jié)R2，當(dāng)電流超過II段電流保護(hù)整定值2A時，2LJ動作，常開開關(guān)閉合，2SJ啟動，延時0.5s后2XJ指示燈的紅燈亮起，斷路器QF跳閘，分閘指示燈亮起，如圖4所示。

圖4 帶時限電流速斷（II段電流保護(hù)）動作狀態(tài)Fig.4 Action state of current quick break with time limit (section II current protection)

重復(fù)上述步驟可以驗證I段電流保護(hù)也可準(zhǔn)確動作。最后驗證三段電流保護(hù)的動作選擇性，先將開關(guān)Q2閉合，調(diào)節(jié)R2，當(dāng)電流達(dá)到3A時，閉合合閘開關(guān)斷電，此時斷開開關(guān)Q1，Q2，將II、III段繼電器接回電路，閉合電閘QF，此時可以觀察到，I 、II、III斷路器均動作，但1段為無延時速斷，優(yōu)先動作，1XJ指示燈的紅燈亮起，斷路器QF跳閘，分閘指示燈由亮起，其他兩段繼電器狀態(tài)復(fù)歸，如圖5所示。

圖5 三段式電流保護(hù)的動作選擇性Fig.5 Action selectivity of three-stage current protection

3.3 實驗結(jié)果分析

經(jīng)實驗測試，所設(shè)計實驗平臺可以實現(xiàn)電流電壓繼電器整定值設(shè)定和時間繼電器動作時限功能，并可準(zhǔn)確、快速完成分合閘及信號指示燈動作，與其他控件配合完成三段式電流保護(hù)的基本功能從而驗證繼電保護(hù)三段式電流保護(hù)原理。

4 結(jié)論

本次設(shè)計通過對C#軟件中多種功能控件的開發(fā)和拓展應(yīng)用，用控件構(gòu)建了繼電保護(hù)實驗平臺，完成了實驗的諸多仿真功能。仍有希望可以在這一廣泛應(yīng)用的功能基礎(chǔ)上對其他相關(guān)功能控件進(jìn)行逐步拓寬和更新擴(kuò)展，包括對整定值進(jìn)行測算并進(jìn)一步優(yōu)化控件圖形，使其更接近于實際實驗室的元件等。