基于半实物仿真的电力系统微机保护实验平台

黄丽苏， 郝正航， 雷廷浩

（贵州大学电气工程学院，贵阳550025）

0 引 言

为了适应国家发展战略需求，我国工程教育顶层设计提出了“新工科”建设规划，并大力实施成果导向教育（Outcome based education，OBE）理念的国际标准化教育模式［1-2］。新工程教育模式强调将产业场景下的需求作为培养学生的最终结果，要求做到以学生为中心、以学生产出为导向，通过创新工程教育的方式与手段，实现产业与教育、科研与教育这两个有机融合，培养出能够支撑技术进步和产业发展的科技人才。

在现代电力工程教育中，电力系统微机保护是一门综合性、应用性、实践性较强的专业课［3-4］，其应用场景包括电力自动化装备产业和电力运行企业。为适应电力产业及行业新技术的快速发展，引导学生积极参与“双创”活动，在实验教学环节，迫切需要贯彻新工科教育理念，全面改革实验教学的方式和过程，让学生参与实验方案的构想、设计、操作实施、结果演示和总结等整个环节；培养学生的主观能动性，增强学生的创新意识和能力，提升学生解决复杂工程实践问题的技能，使之成为具有扎实理论知识和实践操作能力的专业技术人才。

1 实验方案的提出

1.1 微机保护实验教学的现状

在实际工业场景下，电力系统微机继电保护装置是以中央处理器为核心，通过数据采集得到电力系统的实时数据，根据预定算法判断电力系统是否发生故障以及故障的类型和范围等，作出跳闸或报警等动作的一种自动装置［5］。面向产业场景时，目前电力系统微机保护实验教学存在一些问题：

（1）实物实验。基于实物的实验方案有两种，其一是基于整流型、电磁型、晶体管型等传统继电保护实验平台，这种方案与当今技术现状和实际生产方面存在脱节［6］。其二是直接采购当今主流应用的微机保护工业装置作为实验装置进行演示实验。由于保护逻辑和算法已经固化到装置中，不允许修改更新，只能通过观察开关分合进行验证性实验，无法拓展为综合性、创新性的微机保护实验；同时，学生不易理解微机保护内部动作的保护逻辑控制算法［7］。

（2）离线仿真实验。由于仿真软件的限制，继电保护离线仿真实验是非实时性的，学生很难体验到微机保护是硬件和软件相结合的事实，不利于建立完整概念；再者，微机保护仿真实验可以进行基本原理和算法的学习和检验，但在提升学生针对装置的硬件设计能力、编程能力和创新能力方面稍有欠缺［8-9］。

1.2 实验平台的研制

为解决传统电力系统微机保护实验教学面向实际产业场景下存在的局限，必须借鉴新工科思维，创新实验教学模式。新模式强调实验内容和实验方法紧密结合实际工业场景，强调学生获取的知识和技能能够快速对接实际工程场景，强调以学生为中心的主动设计，突出实验任务独立完成和协同完成相结合。结合OBE理念和新工科内涵的要求，研制一种基于半实物仿真的电力系统微机保护实验平台，开启一种新型实验模式，以克服传统实验模式的缺陷和不足。该实验平台综合了软件和硬件技术，利用实时仿真器进行实时仿真，配置实物形式的嵌入式开发平台作为控制器，构成完整的闭环控制系统；采用硬件在环（hardwarein-loop，HIL）技术［10］，又叫半实物仿真，验证微机保护装置动作的正确性和控制策略的有效性。通过实时仿真器和嵌入式开发平台之间的信息反馈和控制开展微机保护实验项目，作为1 次系统的主电路模型模拟电网实际电路，2 次系统的自动化装置可以载入保护逻辑控制算法。该半实物仿真平台与电力系统及其自动化专业达到了高度统一，如图1 所示。

图1 实验平台与电力专业的契合

1.3 实验平台的优势

在产业研发的试验现场中，微机保护装置直接与实时数字仿真仪相连组成闭环系统，利用实时仿真装置对保护和控制方案进行设计、研究和试验。基于半实物仿真的微机保护实验系统采用HIL技术，该技术是目前在实际工业产品研究和测试中广泛应用的先进开发和测试手段，也为学生开展综合型、创新型实验提供了条件，体现了新工科的理念。该实验平台相较于实物实验和离线仿真实验在实验教学中有更加突出的优势：

（1）相较于实物实验。嵌入式开发平台具有较强的开放性，学生可以根据对微机保护原理的理解设计保护逻辑控制算法模型并下载到嵌入式开发平台中，有效解决了实验内容难以拓展的问题；实时仿真系统完全依据实际系统架构搭建，逻辑上能够1∶1模拟实际系统，符合企业生产和研发场景。这种新型实验模式让学生认识微机保护产品从研制到设计及调试的全过程，学生根据实验项目要求，自行查阅相关理论和工程实际情况，设计实验方案，并在实验平台上实现，实验方式灵活多样。

（2）相较于离线仿真实验。半实物仿真实验平台利用软件搭建仿真模型和编写保护逻辑控制算法程序对硬件进行配置、调试等操作，实现了软硬件结合，培养学生的编程能力、动手技能、创新意识；贯彻工程教育认证理念［11］，对实验中遇到的问题进行自主分析和讨论解决，锻炼学生解决实际问题和团队协作的能力。该实验教学模式的开展，能够帮助学生毕业后更好、更快地投入到产业生产中。

2 实验平台的构建

2.1 总体设计

基于半实物仿真的微机保护实验平台由实时仿真器、嵌入式开发平台、上位机、显示屏、示波器等硬件组成，实物连接图如图2 所示。上位机用于搭建电网1次系统和保护逻辑控制算法模型，仿真器可以实时运行电网1 次系统模型，嵌入式开发平台能够承载保护逻辑控制算法，显示屏可以实时显示决定系统稳定的所有动态信息。嵌入式开发平台、上位机和实时仿真器之间通过以太网进行通信，实时仿真器通过高清多媒体接口（high definition multimedia inferface，HDMI）线向显示屏传输实时信息。

图2 实物连接图

2.2 软硬件设计

基于HIL理念开发的半实物仿真微机保护实验平台主要是由嵌入式开发平台和实时仿真器构成的闭环系统，具体的软硬件组成和工作流程如图3 所示。实验平台中的软件包括Matlab ／ Simulink 仿真软件以及Microsoft Visual C++等C代码编写软件。

图3 整体架构和实验过程

在上位机PC 中，Matlab 因具有强大的计算能力和速度、模块化集合工具箱、图形仿真界面等特点，被广泛应用于电力仿真实验中。利用Simulink 中的电源、负载、断路器、故障等简化功能模块搭建模拟电网运行状态的电网1 次系统模型，该主电路模型经过编译运行后，转化、下载到实时仿真器中。另外，采用Simulink中的逻辑模块搭建相应的保护逻辑控制算法模型，经过仿真运行后验证控制逻辑算法的合理性，利用Matlab ／ Simulink中的Simulink Coder工具箱或针对嵌入式系统的Embedded Coder工具箱，将控制算法模型转换成C ／ C++语言模型，即通常所说的C 代码［12］，把转换生成或者学生编写的保护逻辑控制代码移植到嵌入式开发平台，与测试对象实时互动，以达到对电网1 次系统进行保护控制的目的，实现动态系统的硬件调试过程，并得到实时的仿真测试结果。代码生成技术不需要繁琐的编程过程，侧重于保护控制算法的研究，加快理论验证和算法改进过程；学生也可以利用C ／ C++语言开发软件编写微机保护的控制算法代码来锻炼学生的编程能力，减少保护逻辑控制算法2 次编程、验证的时间，提高控制算法改进和应用的效率。

基于工程应用设计的电气信息实时仿真器内置多核处理器、智能I／ O接口、高速通讯单元、智能功率变换模块等，可以实现快速控制原型、功率级快速控制原型、HIL、功率HIL 4 项基本功能［13］。该实时仿真器能够与Matlab ／ Simulink 实现无缝对接，在Matlab ／Simulink中搭建的模型经编译后，即可下载到实时仿真器中。模型在实时仿真器中运行的电压、电流值、断路器状态等信息可以传输给显示屏和嵌入式开发平台进行实时监控。

嵌入式开发平台是在控制主板上安装Ubuntu 系统构成的，该主控板是可用于工业控制的主板，基于Intel® Bay Trail架构的多核应用处理器，具有超强的数据处理能力和应用计算能力。嵌入式开发平台接收到实时仿真器反馈的实时信息后，将电网系统的运行信息与保护逻辑控制算法进行比较，经过嵌入式开发平台的分析、计算形成控制命令，并将控制信号传达给实时仿真器，改变电网1 次系统的运行状态。

显示屏能够实时显示仿真器中的系统信号，方便学生观察实验的状态变化过程。

3 实验的开展

3.1 基于工程实际背景开展实验

电力系统微机保护装置主要用于110 kV 及以下电压等级中的发电厂、变电站、配电站等和一些70 ～220 V 电压等级中系统电压、电流的保护以及测控［14］。结合工程实践背景，并根据电力系统微机保护课程要求，利用该半实物仿真实验平台开展了一系列理论验证型、综合创新型的微机保护实验，见表1。

表1 电力系统微机保护课程开展的实验内容

3.2 实验过程

基于半实物仿真的电力系统微机保护实验教学是为了加深学生对微机保护原理的认识、激发学生的自主学习和创新意识、提升学生解决工程实际问题的能力，依次经过非实时离线仿真、实时仿真、半实物仿真3 个实验阶段，如图4 所示，从理论到实际，从简单到复杂，循序渐进。

图4 3个实验阶段和目的

（1）基于Matlab ／ Simulink 的离线仿真实验。在基本原理验证阶段，利用Matlab ／ Simulink 仿真软件中的功能模块搭建电网1 次系统和保护逻辑算法模型，进行电力系统运行状态及故障分析、控制算法验证等，过程简便、快速，并且能模拟很多恶劣但现实的情况，弥补实际实验的不足［15］。搭建仿真模型为后面的实时仿真实验和半实物仿真实验奠定基础。

（2）基于实时仿真器的实时仿真实验。由于离线仿真实验的非实时性、仿真时间有限，不能真实、精确反映实际电力网络中的情形。将电网1 次系统和控制算法仿真模型转化、下载到实时仿真器上运行，能够实现实时控制系统的运行状态、观察系统运行信号变化的全过程。实时仿真实验能够快速评估和优化微机保护控制方案，方便有效地验证控制策略，有助于系统设计与集成，为接下来的半实物仿真实验做准备。

（3）实时仿真器联合嵌入式平台的半实物实验。非实时离线仿真实验和实时仿真实验只是针对微机保护原理的简单验证和控制算法的迅速改进，忽略了工程实际中硬件操作环节。基于半实物仿真的微机保护实验能够检验仿真控制模型中保护逻辑算法在实际控制中的作用，改善在实际控制中的不足，并可测试在各种故障甚至极端情况下嵌入式开发平台的控制性能。半实物仿真实验能契合微机保护设备的开发、调试、使用等环节，经过该实验检验后的嵌入式开发平台制作为工业产品，便成为实际电力系统微机保护装置。因此，该模式完全模拟了产业生产中微机保护装置。

本实验平台分阶段培养了学生的理论、创新、实践素养，使毕业生能以较强的综合能力快速投入到工程实践中，落实“以学生为中心”“成果为导向”和“持续改进”等工程教育理念［16］。

3.3 实验教学案例分析

以35 kV配电线路为例在该实验平台上进行微机3 段式电流保护实验，电力系统电路结构如图5 所示。

图5 电力系统电路结构

根据电力系统电路结构参数和微机保护原理，计算出3 段式电流保护的电流整定值和动作时限。利用Simulink中的模块建立电网1 次系统和3 段式电流保护控制算法仿真模型，如图6 所示。

将非实时离线仿真实验中的仿真模型编译后下载到实时仿真器中，进行实时仿真和控制算法优化。然后进行半实物仿真实验，将电网1 次系统模型转化、下载到仿真器中，将优化后的3 段式电流保护控制算法模型经代码转换并移植到嵌入式开发平台中，在显示屏上观察系统实时运行状态。

对A处保护，实时观察正常运行情况下三相电流波形和保护动作情况，如图7 所示。0． 2 s 时分别在AB线路的20%、AB 线路末端、相邻线路BC 的85%处发生相间短路故障情况下，3 段式电流保护的I、II、III段电流保护作用控制下的三相电流波形和保护动作情况如图8 ～10 所示。

图6 Simulink仿真模型

图7 正常情况下电流波形和保护动作情况

图8 I段电流保护作用下电流波形和保护动作情况

由实验结果可知：关于A处保护，I段电流保护能瞬间动作，II段电流保护延时0． 5 s后动作，相邻点B处保护拒动的情况下A 处III 段电流保护延时1． 5 s后动作，则3 段式保护控制逻辑正确、能反映实际情况。

图9 II段电流保护作用下电流波形和保护动作情况

图10 III段电流保护作用下电流波形和保护动作情况

4 结 语

本文基于半实物仿真设计的电力系统微机保护实验平台，由于具有贴合工程实际的实验项目、灵活多变的实验形式、开放可拓展的软硬件结构、有序高效的实验过程，开展电力系统微机继电保护实验教学，配合理论教学环节，有利于学生对微机保护原理的理解、独立思考和团队协作意识的增强、创新和实践能力的培养，是一种先进而有效的实践教学方式。