继电保护课程设计可视化整定计算系统的开发与应用

崔　杨，杨　帆，肖　白，刘晓军

（东北电力大学电气工程学院，吉林 132012）

继电保护课程设计可视化整定计算系统的开发与应用

崔杨，杨帆，肖白，刘晓军

（东北电力大学电气工程学院，吉林 132012）

为实现电网网架结构自主设计、设备及线路参数及时更新、相应计算自动执行等功能，该文设计和开发了一套继电保护课程设计可视化整定计算系统。该系统基于Matlab/GUI环境，通过调用PSAT、Simulink等模块，设计集成了绘图、运算、分析、可视化输出等功能。可随时增添数据与保存常用发电机与变压器、线路型号等参数，并以图形、表格、报表等方式外化运算结果，便于可视化分析与应用。教学实践证明该系统具备绘制电力网络及自动完成电力系统潮流计算、短路计算和整定计算的功能。

继电保护；课程设计；整定计算；可视化；Matlab

《电力系统继电保护原理》是我校（东北电力大学）“电气工程及其自动化专业”（以下简称“电自专业”）的重要专业课之一，是理论与实践并重的课程。继电保护课程设计是实践教学环节的重要内容，是课堂教学的延伸和补充。课程设计要求学生在掌握电力系统继电保护基本原理的基础上，进一步掌握继电保护的整定计算方法、保护配置和装置结构。课程设计对于提高学生的综合素质、培养学生的创新精神与实践能力具有特殊作用。

我校电自专业一直采用“35 kV电网线路相间短路保护配置及整定计算”作为为期两周的继电保护课程设计题目，旨在通过对环网、平行双回线路以及单电源辐射线路进行阶段式电流保护的整定计算，掌握继电保护整定及校验的基本原则。该题目经过历届教师的不断完善，题目设计较为经典，已沿用多年。题目难易适中，计算工作量较大，学生能够在较短时间内达到熟练掌握保护整定及校验方法的目的。

然而，随着近些年电力系统的快速发展，发电机、变压器等主设备容量不断升级，传统小容量火电机组及变压器逐渐被淘汰，为反映电力系统的技术发展，必须对设计题目中原有的设备参数型号进行更新。在目前电自专业高“生师比”的现实情况下，指导教师精力有限，无法做到对每一套设计题目的设备参数进行事前校核，学生在设计过程甚至出现无法查到部分设备型号或参数不合理导致校验计算失败等问题，既浪费了宝贵的设计时间，又不利于学生的掌握，极大地影响了课程设计的效果。

本文开发了一套继电保护课程设计可视化整定计算系统，能够实现指导教师自主设计网架结构，自定义设备及线路参数，自动完成短路电流计算以及保护整定计算，并能够实现上述过程的可视化。

1　基于PSAT的可视化整定计算系统设计思路

将数字仿真融合到课程教学［1-3］的尝试已有不少先例，特别是基于一些成熟的软件平台。电力系统分析工具包PSAT（power system analysis toolbox）是基于Matlab平台开发的开源电力系统分析软件包，包含了：潮流计算PF（power flow）；连续潮流CPF（continuation power flow）；最优潮流OPF（optimal power flow）；小扰动分析SSSA（steady state stability analysis）；时域仿真TDS（time domain simulation）等功能。

为实现继电保护课程设计整定计算的可视化，本文作者基于该平台开发集潮流、短路、整定计算为一体的计算工具软件，既实现集3种运算为一体，也能查阅并修改发电机与变压器等电气设备数据库，还能直观分析、对比、导出数据，这对课程设计有极大的实用价值。同时利用Matlab提供的图形用户界面GUI（graphical user interface）向导设计器，开发相应的设置界面。

整个系统分为3个模块：上层模块、中层模块、下层模块。

上层模块即可视化模块，实现人机交流，包括两个内容：绘图与反馈。绘图即指能自由绘制电力系统网络图，并能随时修改与保存；反馈指将潮流、短路、整定计算的结果以图形、表格、报表的形式表现出来，方便分析与对比。

中层模块即数据库，它具有两个功能。一是保存整个系统运用的变量，二是作为一个上层模块与下层模块的数据接口，将绘图中的数据以及系统设置的数据传递至下层模块进行计算。

下层模块即计算模块，接收中层模块传递来的数据，并进行潮流、短路、整定等程序运算。

该系统能够实现以下目标：

（1）能够自由绘制电力网络（基于Simulink），并能保存图形文件。

（2）对于图形文件能进行潮流、短路、整定3种计算。①潮流：能够计算有功（P）、无功（Q）、电压及其相角（V-θ）；②短路：能够计算复杂情况下（同一时间多处）三相短路的短路电流（If）、任意节点电压（Vi）、任意支路电流（Ipq）；③整定：能够按预订整定原则，实现单侧电源带环路电网下的阶段式电流三段保护整定，计算整定值与灵敏度，并将整定过程可视化。

（3）能将计算结果以一定形式反馈出来（图形、表格、报表），以便分析与对比。

（4）能将整体结果导出，方便打印等操作。

（5）能查看发电机、变压器及其他设备的型号及其参数，并可以自由添加与修改。

（6）随时保存设备参数及设置参数为模板，方便后续分析与应用。

2　计算模块的设计

本文开发的计算模块具备潮流、短路、整定计算等功能。考虑到PSAT自身集成了完善的潮流计算模块，因此本文直接采用其自带程序进行潮流计算，其具体算法［4］此处不再赘述。本文以下主要介绍短路计算及整定计算模块的设计思路。

图1所示为本文设计的短路计算模块，该模块可实现指定运行方式下指定线路上任意点短路电流计算：通过阻抗阵、线路总电抗及故障分割点阻抗百分值可得到等值短路阻抗（均为标幺值），其倒数即为故障点处短路电流（近似算法）。同时还采用叠加法［5］实现了复杂短路（同时多处短路）的计算。

图1　短路计算流程Fig.1　Flow chart of short circuit calculation

图2所示为整定计算模块。本文以环网线路相间短路的阶段性电流保护整定计算为例，讨论其计算模型的实现，其他保护类型类似。阶段式电流保护的具体整定原则［6］不再赘述。

3　可视化模块的开发

Matlab提供的GUI可实现专业GUI程序设计，以下内容将基于GUI开发图形窗口、图轴、菜单、按钮、文本框等用于人机交互的可视化模块。

图3为本文开发的可视化系统主界面图，该系统可实现潮流、短路、整定计算以及数据录入、结果显示等功能为一体，具体如下：

1）绘图模块：可绘制任意电路图，并可保存为（.mdl）文件类型。

图3　可视化系统主界面Fig.3　Main interface of visualization system

2）载入文件模块：可载入图形文件，并自行转换为数字文件（.m）类型，也可直接载入数字文件。

3）设置模块：能够进行系统参量基准值、短路故障、电源次暂态电抗、负荷信息参数的设置。

4）计算模块：能进行潮流、短路、整定3种计算。

5）数据库模块：能够自行存储发电机、变压器型号及相关参数信息。

6）显示模块：能够将计算的结果以图表的方式显现出来。

7）保存模板：可实现一键存储计算模版。

此外，该模块总体结构包括以下几个部分：

1）说明区：包括菜单栏和状态栏。菜单栏：文件、设置、计算、数据库、题号模板。状态栏：显示系统当前的计算状态。

2）工具栏：依次为载入文件、绘图、设置电源次暂态参数、设置负荷参数、设置断路器正反负荷参数、设置整定计算系统的基准量、潮流计算、短路计算、整定计算、关于作者。

3）显示区：图表显示区，具有可选择显示图表数据类型、图形显示类型的方式（二维柱图与三维柱图）、静态报表、导出数据至EXCEL、显示载入数据相应的电力网络等功能。

切实加强日常监督。与各单位党委定期开展见面会，交流主体责任履行情况，督促主体责任落实落细，层层分解。抓关键少数，着力队伍日常廉洁教育和作风监督，“抓常抓长”下功夫。重点抓各单位内控制度执行，关注“三重一大”、选人用人等重点领域、环节制度的执行，发现问题及时纠正，提出书面整改建议5份。紧盯“四风”、违反“八项规定”精神问题新形式、新动向、新表现，开展违规吃喝、违规用公款等专项督查，关注重点领域、看住“关键少数”，今年查处违反“八项规定”精神问题2件。

图4　35 kV电网系统接线图Fig.4　Wiring diagram of 35 kV power grid

4　仿真应用

本文将对图4所示的35 kV环网系统进行线路保护设计，来验证所设计系统的有效性，包括：分析仿真系统各环网保护的最大运行方式、最小运行方式以及主要运行方式；计算相应的短路电流及残压；完成环网的保护配置及整定计算。相关电网参数标于图中。

基于PSAT搭建对应图4电网结构的仿真系统，如图5所示。该35 kV系统为多端电源网络，包含环网、平行双回线以及负荷支路单回线等网架结构。

图5　基于PSAT的仿真系统网络接线图Fig.5　Wiring diagram of simulation system based on PSAT

图6　整定计算参数设置Fig.6　Parameter configuration of setting calculation

图7　系统负荷参数设置Fig.7　Parameterconfigurationofloadinsimulationsystem

图8　不同运行方式下短路电流计算结果Fig.8　Calculation results of short-circuit current in different operation modes

图9　阶段式电流保护整定计算结果Fig.9　Calculation results of setting with stepped current protection

图6、图7分别为整定计算参数及系统负荷参数设置界面（限于篇幅，其他参数设置界面未全部给出）。此处可针对各类电气设备、负荷以及保护整定计算相关参数进行设置，并且完全可视化。

短路电流计算结果及阶段式电流保护整定结果分别如图8、图9所示。事实上，除以静态表格展示整定结果的形式外，本系统同样提供与图8类似的数据柱图，使得整定结果更为直观。由于可对不同参数作用下的计算结果进行直观比较，教师能够更为合理地设计整定计算题目，大大提高了教学的效率。

5　结语

本文设计了继电保护课程设计可视化整定计算系统，该系统可以实现任意网络的潮流计算、任意网络复杂三相短路情况的短路计算以及单侧电源任意网络的阶段式电流保护整定计算。通过自带数据库，可方便更新设备参数，直观的图表数据、静态报表等能满足指导教师的教学需要以及学生的设计要求。

［1］王友怀，杨增力，周虎兵，等（Wang Youhuai，Yang Zengli，Zhou Hubing，et al）.继电保护定值在线校核及预警系统开发与应用（Development and application of online verification and early-warning system for protective relay）［J］.电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSUEPSA），2015，27（6）：91-97.

［2］张勇军，张豪（Zhang Yongjun，Zhang Hao）.数字仿真工具在《电力系统分析》教学的应用（Application of digital simulation on teaching of power system analysis）［J］.电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2012，24（4）：157-160.

［3］梁振锋，康小宁，杨军晟（Liang Zhenfeng，Kang Xiaoning，Yang Junsheng）.《电力系统继电保护原理》课程教学改革研究（Study on teaching reformation of the curriculum of power system protective relaying）［J］.电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2007，19（4）：125-128.

［4］陈珩.电力系统稳态分析（第三版）［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［5］李光琦.电力系统暂态分析（第三版）［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［6］张保会，尹项根.电力系统继电保护（第二版）［M］.北京：中国电力出版社，2010.

Development and Application of Setting Calculation Visualization System in Course Design of Protective Relaying

CUI Yang，YANG Fan，XIAO Bai，LIU Xiaojun
（School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China）

To design the power grid structure independently，update the equipment and transmission line parameters timely，and perform calculations automatically，this paper develops a setting calculation visualization system for the course design of protective relaying based on Matlab/GUI.By calling modules including PSAT and Simulink，the developed system integrates functions such as graphics，computation，analysis and output visualization.Generator，transformer and line parameters can be added at any time，and visual analysis and application can be implemented by externalized result with graphs，tables，reports，etc.Teaching practice proved that this system can achieve power grid drawing，and perform the calculations of power flow，short circuit and setting automatically.

protective relaying；course design；setting calculation；visualization；Matlab

G642

B

1003-8930（2016）09-0130-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.09.021

崔杨（1980—），男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为电力系统继电保护、新能源发电联网运行分析。Email：cuiyang0432@163.com

杨帆（1991—），男，本科，助理工程师，研究方向为电力系统运行分析与控制。Email：heartbird1@126.com

肖白（1973—），男，博士，教授，研究方向为继电保护、电网规划，空间负荷预测等。Email：xbxiaobai@126.com

2015-11-26；

2016-04-12

吉林省高等教育教改研究课题、东北电力大学教学改革研究项目（J201401）