基于C#实现的继电保护实验仿真平台设计

2022-08-23大连交通大学自动化与电气工程学院张淏李东辉

数字技术与应用 2022年8期

大连交通大学自动化与电气工程学院张淏李东辉

随着我国电力工业飞速发展，继电保护应用技术不断完善，大学在继电保护人才培养方面也需要技术创新。实训教学是理论联系实践的直接形式，本文提出一种基于Visual Studio开发的继电保护虚拟实验平台，本实验平台开发成本低、周期短，具有更友好的交互界面、完整的实验流程、拟真的实验控件和直观的实验效果。

电力系统稳定运行与国家生产生活息息相关，继电保护技术是保证电网稳定运行重要技术手段。如果能在电力系统发生问题时快速准确地切除故障，就可为国家挽回大量经济损失并避免造成严重的社会影响。因此，继电保护对电力系统安全稳定的运行至关重要。

现在电力高校的继电保护实验中，通常采用硬件实验装置或电力系统仿真软件为载体进行实验。通用微机继电保护实验教学平台，虽然有着硬件实验装置直观易懂的优点，但实验设备的功能僵化不易调节。而以 MATLAB与PSCAD等仿真软件为主的实验方法，如文献[6]提出的以Simulink为基础搭建的三段式电流保护实验平台和文献[7]提出的通过PSCAD/EMTDC仿真技术设计的综合实验平台等，虽然有着能够自主调节参数，但对于初学者来说，需要花费时间行进相关软件学习，但是本科电力系统课时紧张，因此这种方式也存在较大限制。

因此，相比于传统的实验教学模式，本文提出一种基于Visual Studio中的C#自定义控件开发的实验平台，本平台还原真实继电保护实验平台的实验场景，让同学们可以进行相关的实验操作，熟悉掌握实验原理、学习了解实验内容。能够很有效地把虚拟的场景有机地整合在一起，有效提高学生钻研实验的积极性。

1 继电保护实验相关控件设计方法

1.1 控件设计基础

C#是微软公司为Visual Studio推出的一种简明且类型稳定的面向对象编辑语言，让程序工作者在.NET Framework上编写能够稳定运行的应用程序。因其语言学习简单使用方便、功能广泛和其平台灵活的可视化用户界面设计，广受开发者喜爱。凭借Windows窗体里面具有自行开发控件的环境条件和基础结构，我们可以通过自定义控件设计研究我们研究所需的控件。

1.2 控件的属性介绍

（1）指示灯。ButtonColor控制控件主体颜色以显示指示灯的开关状态；ButtonColorAround用于改变控件周边颜色；指示灯在本次实验中有两个作用，Buttonls判断是否作为button类型使用，ture表示按钮，false表示指示灯，ButtonOn 用于表示按钮是否被按下，ture表示按下，false表示未按下。

（2）分合闸开关。合闸开关属于一个起到反馈作用的控件，在其他软件作为判定的if语句生效后进行相应分合闸操作。BreakerOn用于控制分合闸状态，ture表示合闸，false表示分闸；Breakertrip表示是否处于跳闸状态，ture表示跳闸，false表示正常。

（3）电压表、电流表。其主要属性如表1所示：

表1 电压表电流表属性Tab.1 Properties of voltmeter and ammeter

2 三段式电流保护实验原理

2.1 三段式电流保护实验原理及接线图

三段式电流保护的作用是通过不同的过流值，设定不同的延时动作时间，通过时限配合来保证选择性，切除短路故障。为实现保护动作的选择性，各保护动作的持续时间按梯形原理设定。通常电流值越大延时时间越短，I段电流保护的电流整定值是最大的，同时延时最短。II段的电流整定值比I段的小，比III段的大，II段保护的延时小于III段保护。如图1所示是三段式电流保护的直流驱动元件在实验中的连接流程图。按照实验接线图连接，确认电路及各元件状态良好后即可启动电源开始实验。

图1 三段电流保护直流部分接线图Fig.1 Wiring diagram of DC part of three-section current protection

2.2 实际实验测试与整定

无时限电流速断保护动作值按大于本线路末端点短路时流过保护的最大短路电流I来整定，即保护的一次动作电流为：

式中K——可靠系数，对电流速断取1.2～1.3。

继电器的动作电流为：

式中：K=1，电流互感器变比n采用1∶1。

带时限电流速断保护的一次动作电流为：

继电器的动作电流为：

过电流保护的一次动作电流为：

式中K——可靠系数，取1.2；

Kq——自起动系数，取1.3；

K——返回系数，取0.85。

继电器动作电流为：

经实际实验室的测量，我们可以设定三段电流保护继电器的整定值分别为：3A、2A、1A，对应的动作时限分别为0s、0.5s、1s。

3 三段式电流保护实验平台运行效果

3.1 三段式电流保护实验界面设计

由于三段式电流保护所需要的连线较多，笔者对界面控件位置进行了调整，以使整体布局相对整洁美观，如图2所示。

图2 实验平台布置图（连线后）Fig.2 Layout of experimental platform (after connection)

其中1号电流继电器（后称3LJ），1号信号继电器（3XJ）构成无延时电流速断保护，电流继电器整定值设置为3A；2号电流继电器（2LJ），2号时间继电器（2SJ）和2号信号继电器（3XJ）构成带时限电流速断，电流继电器整定值设置为2A，延时时间设置为0.5s；3号电流继电器（3LJ），3号时间继电器（3SJ）和3号信号继电器（3SJ）构成定时限过电流保护，电流继电器整定值设置为1A，延时时间设置为1s；电流表和电压表对主线路电流进行监测。开关Q1、Q2分别用于切断II、III段电流保护线路。

3.2 实验运行步骤

在控件连线检查无误后即可开始虚拟三段式电流保护实验，首先启动电源开关，调节调压器R1及滑动变阻器R2使主电路电压达到20V，接着保持R1不变。缓慢调节滑动变阻器R2，观察电流表示数，当电流超过III段电流保护整定值1A时，1LJ动作，常开开关闭合，1SJ启动，延时1s后1XJ指示灯的红灯亮起，断路器QF跳闸，分闸指示灯亮起，如图3所示。

图3 定时限过电流保护（III段电流保护）动作状态Fig.3 Action state of fixed-time overcurrent protection (section III current protection)

然后，按下复位按钮将信号继电器指示灯复位。打开开关Q1将III段电流保护短接。闭合电闸QF使电路再次通电，调节R2，当电流超过II段电流保护整定值2A时，2LJ动作，常开开关闭合，2SJ启动，延时0.5s后2XJ指示灯的红灯亮起，断路器QF跳闸，分闸指示灯亮起，如图4所示。

图4 带时限电流速断（II段电流保护）动作状态Fig.4 Action state of current quick break with time limit (section II current protection)

重复上述步骤可以验证I段电流保护也可准确动作。最后验证三段电流保护的动作选择性，先将开关Q2闭合，调节R2，当电流达到3A时，闭合合闸开关断电，此时断开开关Q1，Q2，将II、III段继电器接回电路，闭合电闸QF，此时可以观察到，I 、II、III断路器均动作，但1段为无延时速断，优先动作，1XJ指示灯的红灯亮起，断路器QF跳闸，分闸指示灯由亮起，其他两段继电器状态复归，如图5所示。