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《山东大学》 2009年
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继电保护数字仿真建模方法与系统开发

许明  
【摘要】:继电保护装置的正确动作对于整个电网的安全稳定运行起着至关重要的作用。传统的保护测试手段成本高、灵活性差,对于保护装置内部元件的动作过程也无法进行观察。随着计算机技术的发展,基于纯软件的继电保护数字仿真技术受到人们的青睐。利用该技术,能够灵活再现电力系统的各种故障过程,研究不同原理保护在不同工况下的动作行为,观察保护的动态响应过程,分析影响保护正确动作的各种因素,对保护的原理进行评价和改进。因此,继电保护数字仿真技术在继电保护的研究、开发、教学以及工程师的培训中都有着重要的应用价值。 本文围绕继电保护数字仿真所涉及的一次系统建模、互感器建模、继电保护建模以及仿真系统开发等方面开展研究工作,主要研究内容如下: (1)提出了基于“极值对”记忆与遗忘特性的电流互感器模型。归纳了基于Preisach理论铁心建模的两个假设和磁化曲线的三种分类,提出铁心磁化轨迹的两个决定因素:磁场强度所经历极值点和磁场强度的变化趋势。针对前者,提出了铁心对于磁场强度“极值对”的记忆与遗忘特性:铁心会记忆磁场强度所经历的极大值点和极小值点(包括两种特殊的“极值点”),这些极值点按照时间由近及远的顺序,一一组合为“极值对”;当所处的磁场强度大于等于(小于等于)原来所记忆的极大值点(极小值点)时,铁心会遗忘该极值点所对应的“极值对”;仅剩一个极值点无法构成“极值对”时,不会发生遗忘现象;铁心所记住的最近的极值点即是铁心运行中的一般磁化曲线的起点,如果没有极值点被记住,则铁心运行于基本磁化曲线。提出了基于该特性的铁心建模方法,利用该方法建立了电流互感器数字仿真模型,仿真结果验证了该模型以及建模方法的准确性和有效性。 (2)提出了一种基于积分等效和叠加原理的CVT数值建模方法。利用梯形积分等效变换,将CVT高阶等值电路化为t时刻仅包含电流源、电阻和输入电压源的直流电路,然后建立其节点电压方程,只需求解简单的线性方程组即可完成对于CVT暂态过程的模拟;利用叠加原理将CVT一次电压分解为正常分量和故障分量,解决了算法的初始值问题。根据提出的数值建模方法设计了一种CVT暂态误差修正方案,在CVT参数已知的情况下,能够由CVT二次电压精确地计算出一次电压。仿真结果证明了CVT建模方法和暂态误差修正方法的正确性和有效性。 (3)现有振荡模型的建立都是通过改变“0-t时间段的平均频率”来实现,不能直接反映系统的实际运行状态。为解决该问题,本文提出了一种基于瞬时频率的振荡建模新方法,通过对瞬时频率的变化在约束条件下进行拟合,能准确地仿真出实际系统的振荡过程,不受“0-t时间段平均频率”的束缚。利用该方法,建立了一种全过程振荡模型,通过Matlab中的电力系统仿真软件包PSB对其振荡以及振荡中发生故障的情况进行了仿真。仿真结果表明,该模型可以准确反映预先设置的频率变化规律,满足继电保护研究的要求。 (4)针对目前继电保护数字仿真在模型种类、灵活性以及应用方面的不足,本文提出并构建了一个通用继电保护数字仿真平台。该平台具有三方面的特点:其一,建立了继电保护仿真元件库。元件库由滤波库、算法库、启动元件库、选相元件库等子库组成,包含了继电保护研究中最为常用的算法和元件模型,可以方便地搭建不同种类的继电保护模型。其二,设计了友好的人机交互界面。充分借助图形、波形、数据和向量图等形式,从可视化的角度展现系统结构、参数设置、运行状态、故障特征、继电保护工作原理及动作行为。其三,能够真实地反映电力系统正常及不同故障情况下的物理现象;反映互感器对电压、电流信号的传变过程;动态显示不同原理继电器对故障的完整响应过程,以“透明”的方式展现继电保护的工作原理和技术特点。 (5)在深入分析距离保护基本原理的基础上,利用通用仿真平台设计开发出微机型距离保护动态仿真系统。该系统能够对电力系统的各种工况,包括正常、不正常以及各类故障进行仿真,动态显示故障发生后的电磁暂态过程;能够较为完整地反映距离保护的启动、选相、阻抗计算、阻抗比较等环节的动作响应过程和相互配合情况。整套仿真系统在同一编程环境下开发,无需任何数据格式转换;一次系统仿真与距离保护仿真同步进行,逐点计算,逐点显示仿真结果。系统可以实现闭环仿真,保护的动作结果可直接反馈至一次系统模型。仿真系统设置灵活,能够对距离保护的各类影响因素进行仿真和分析。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TM771

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