一种配电网继电保护培训装置及方法与流程

本发明涉及一种配电网继电保护培训装置及方法。

背景技术：

配电网作为电能输送的最后一个环节，直接承担对用户供电的责任，其安全运行水平直接影响供电质量，继电保护是配电网安全防线重要组成之一。目前，配电网继电保护整定值主要是在离线模式下采用方式组合的整定方法计算得到或是技术人员依据经验确定的。当系统出现某些特殊方式时，经验数据或是离线整定得到的定值可能难以满足选择性或灵敏性的要求。因此，需要对故障情形下保护的动作行为和保护之间的配合关系进行仿真模拟，以确保定值在各种运行方式下的正确性和可靠性。此外，随着分布式电源的接入，配电系统不再是简单的单电源网络，系统中的潮流方向理论上可以是任意的，这势必要影响配电网保护的灵敏性和选择性。因此，配电网继电保护配置系统的研制也有利于对分布式电源接入配电网后的继电保护整定，对促进分布式电源的发展也有着十分重要的意义。

目前配电网中继电保护整定需要专业人员来设置，继电保护的整定计算过程也较为复杂，导致继电保护从业人员工作量大、效率不高，因此需要通过仿真系统培训出更多具有高业务水平的从业人员，而现有的仿真系统大多数是针对110kV及以上的高压电力系统和变电站，高压电力系统与配电网相比，二者在网络结构、参数构成以及整定方式等方面存在一定差异，高压电力系统的继电保护仿真软件并不适用于配电网，研制一套适用于配电网尤其是中压配电网的继电保护培训系统，对于促进配电网继电保护的专业性以及系统性发展有着重要的意义和价值。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种配电网继电保护培训装置及方法，使学员对配电网结构更为了解，能够对不同故障类型和故障位置下的继电器保护整定值准确设置，既提高继电保护从业人员的业务水平，又能保证配电网继电保护的准确性和可靠性。

本发明通过以下技术方案实现：

一种配电网继电保护培训装置，包括模拟的配电网和与配电网连接的软件仿真装置，配电网包括继电器、与继电器连接用于控制继电器动作的保护装置、设置在配电网中用于使配电网发生多种短路故障的故障模拟装置和设置在配电网中与保护装置连接的互感器，软件仿真装置用于构建配电网拓扑，学员根据配电网拓扑分别计算配电网发生各种短路故障时继电器动作的电流整定值和动作时限，故障模拟装置使配电网发生某一短路故障后，学员将对应于该短路故障类型和故障位置的电流整定值和动作时限输入保护装置，保护装置将互感器获取的配电网电流与电流整定值比较，当电流大于电流整定值时，控制继电器动作，并将继电器动作时间与动作时限进行比较，以验证计算得出的电流整定值和动作时限是否正确。

进一步的，所述软件仿真装置包括输入模块、分别与输入模块连接的构图模块、第一计算模块、公式库和验证模块，公式库与第一计算模块连接，构图模块用于根据输入模块输入的接线要求及各元件的参数构建配电网拓扑，公式库用于提供各种短路故障对应的短路电流计算公式、多种保护整定原则和每一种保护整定原则包括的多种整定规则，第一计算模块用于根据从公式库中读取的短路电流计算公式和输入模块赋予的公式各变量的值计算配电网短路电流，并根据短路电流和通过输入模块从公式库中选择的其中一种整定规则计算电流整定值和动作时限，在配电网拓扑上设置故障，学员将电流整定值和动作时限通过输入模块向验证模块输入该电流整定值和动作时限，以验证计算的电流整定值及动作时限是否正确。

进一步的，所述软件仿真装置还包括分别与构图模块、公式库连接的第二计算模块、分别与第一、第二计算模块连接的判断模块和分别与判断模块和验证模块连接的报表生成模块，第二计算模块用于根据从构图模块读取的配电网拓扑信息和从公式库读取的短路电流计算公式自动计算配电网短路电流，并根据短路电流和各种整定规则计算合理范围，合理范围的上下限值分别为根据各种整定规则确定的电流整定值和动作时限的最大值和最小值，判断模块判断第一计算模块计算的电流整定值和动作时限是否在第二计算模块计算的合理范围内，若是，则将电流整定值和动作时限传输至报表生成模块，报表生成模块用于生成整定报表，整定报表中具有不同故障类型及不同故障位置所对应的电流整定值和动作时限。

进一步的，所述接线要求包括变压器数量、母线数量、支路数量、继电器数量和负载数量，所述各元件的参数包括以变电站母线为源点的源点信息向量、继电器状态向量、节点间线路长度l、线路单位长度电阻R₁、线路单位长度电抗X₁、变压器高压侧额定电压U_N、变压器额定容量S_N、变压器短路损耗ΔP_k、变压器短路电压百分比U_k％。

进一步的，所述保护整定原则包括变压器出线继电器整定原则、母线继电器整定原则、支路继电器整定原则和负载侧继电器整定原则，根据继电器所处位置的不同选择不同的保护整定原则。

进一步的，所述配电网还包括与所述继电器连接的上位机，通过上位机可控制继电器动作以构建不同的配电网结构。

进一步的，所述故障模拟模块包括从所述配电网引出至接地的故障电路，故障电路包括可调电阻、用于控制可调电阻投入不同阻值的第一开关和位于可调电阻输入侧用于导通或断开故障电路的第二开关，第一、第二开关均与所述上位机连接，由上位机控制其动作。

本发明还通过以下技术方案实现：

一种配电网继电保护培训方法，包括以下步骤：

A、根据接线要求及各元件的参数在配电网软件仿真装置中构建配电网拓扑；

B、根据配电网拓扑、各元件的参数，为软件仿真装置提供的短路电流计算公式中的变量赋值，以得到配电网各支路的短路电流，其中，软件仿真装置提供的短路电流计算公式包括计算配电网各支路负荷电流的公式、计算不同故障类型下故障支路故障电流的公式和计算短路电流的公式，各支路负荷电流采用前推回代潮流算法进行计算，故障类型包括三相短路故障或者相间短路故障，故障支路的短路电流为故障支路的负荷电流与故障电流之和，其余支路的短路电流等于该支路的负荷电流；

C、根据短路电流及配电网拓扑中继电器的位置，选择相应的整定原则中的某一种整定规则确定电流整定值和动作时限，软件仿真装置判断电流整定值及动作时限是否在合理范围内，若合理，软件仿真装置生成整定报表，整定报表中具有不同故障类型及不同故障位置所对应的电流整定值和动作时限，并进入步骤D，否则返回步骤B；

D、对确定的电流整定值和动作时限进行验证，选择在软件仿真装置中进行验证，进入步骤E，选择在配电网拓扑所对应的模拟的配电网中进行验证，进入步骤F；

E、在配电网拓扑中设置故障，根据故障类型及故障位置在整定报表中选出对应的电流整定值和动作时限，并向验证模块输入该电流整定值和动作时限，验证计算的电流整定值及动作时限是否正确；

F、在模拟的配电网中设置故障，根据故障类型及故障位置在整定报表中选出对应的电流整定值和动作时限，并向模拟配电网中的保护装置输入该电流整定值和动作时限，验证计算的电流整定值及动作时限是否正确。

进一步的，所述步骤A中，所述接线要求包括变压器数量、母线数量、支路数量、继电器数量和负载数量，所述各元件的参数包括变电站母线为源点的源点信息向量、继电器状态向量、节点间线路长度l、线路单位长度电阻R₁、线路单位长度电抗X₁、变压器高压侧额定电压U_N、变压器额定容量S_N、变压器短路损耗ΔP_k、变压器短路电压百分比U_k％。

进一步的，所述步骤C包括以下步骤：

C1、所述整定原则根据继电器所处位置的不同分为变压器出线继电器整定原则、母线继电器整定原则、支路继电器整定原则和负载侧继电器整定原则，各整定原则均包括多种不同的整定规则，根据继电器所处位置的不同选择对其中一种整定规则，结合步骤B所得的短路电流，确定电流整定值和动作时限；

C2、软件仿真装置将确定的电流整定值和动作时限与合理范围进行比较，合理范围的上下限值分别为根据各种整定规则确定的电流整定值和动作时限的最大值和最小值；

C3、当确定的电流整定值和动作时限在合理范围内时，软件仿真装置生成整定报表。

本发明具有如下有益效果：

1、学员利用软件仿真装置计算不同短路故障和故障位置下对应的电流整定值和动作时限，再利用故障模拟装置在模拟的配电网中模拟短路故障，将该短路故障类型和故障位置对应的电流整定值输入保护装置中，保护装置根据配电网电流与电流整定值的比较结果，控制继电器动作并反馈继电器动作时间，以验证电流整定值和动作时限的计算是否正确，使学员熟练掌握不同短路故障和故障位置的电流整定值和动作时限的计算方法，提高继电保护从业人员的业务水平，且保证配电网继电保护的准确性和可靠性。

2、软件仿真装置可根据要求绘制不同的配电网拓扑结构，学员计算出电流整定值和动作时限后，可直接在软件仿真装置上进行验证，而无需通过调整硬件结构来模拟多种配电网结构，既能实现培训目的，又能节省时间和培训成本。

3、对于模拟配电网，可以通过上位机控制配电网中继电器的动作，方便快速地构建数种不同的配电网结构，使学员直观地观察并熟悉多种典型配电网结构，提高继电保护从业人员的业务素质。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明配电网继电保护培训装置的原理框图。

图2为本发明配电网的电路图。

图3为本发明故障模拟装置的电路图。

图4为本发明配电网继电保护培训方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，配电网继电保护培训装置包括模拟的配电网1和与配电网连接的软件仿真装置2，配电网1包括继电器11、与继电器11连接用于控制继电器11动作的保护装置12、设置在配电网1中用于使配电网1发生各种短路故障的故障模拟装置13、设置在配电网1中与保护装置12连接的互感器14和与继电器11连接的上位机15，软件仿真装置2能够构建配电网拓扑，学员根据配电网拓扑分别计算配电网发生各种短路故障时继电器动作的电流整定值和动作时限，故障模拟装置13使模拟的配电网1发生某一短路故障后，学员将对应于该短路故障类型和故障位置的电流整定值和动作时限输入保护装置12，保护装置12将互感器14获取的配电网1的电流与电流整定值比较，当配电网1的电流大于电流整定值时，保护装置12控制继电器相应的继电器11动作，并将继电器11动作时间与动作时限进行比较，以验证计算得出的电流整定值和动作时限是否正确，其中，短路故障类型包括三相短路故障和相间短路故障。

软件仿真装置2包括输入模块21、分别与输入模块21连接的构图模块22、第一计算模块23、公式库24和验证模块28、分别与构图模块22和公式库24连接的第二计算模块25、分别与第一计算模块23、第二计算模块25连接的判断模块26和分别与判断模块26和验证模块28连接的报表生成模块27，公式库24与第一计算模块23连接。

构图模块22用于根据输入模块输入21输入的接线要求及各元件的参数构建配电网拓扑，其中，接线要求包括变压器数量、母线数量、支路数量、继电器数量和负载数量，各元件的参数包括以变电站母线为源点的源点信息向量、继电器状态向量、节点间线路长度l、线路单位长度电阻R₁、线路单位长度电抗X₁、变压器高压侧额定电压U_N、变压器额定容量S_N、变压器短路损耗ΔP_k、变压器短路电压百分比U_k％，节点间线路的电阻值R＝R₁l、电抗值X＝X₁l，变压器的电阻值电抗值

公式库用于提供三相短路故障和两相短路故障对应的短路电流计算公式、多种保护整定原则和每一种保护整定原则包括的多种整定规则。

其中，短路电流计算公式包括计算配电网拓扑各支路负荷电流的公式、计算不同故障类型下故障支路故障电流的公式和计算短路电流的公式，各支路负荷电流采用前推回代潮流算法进行计算，故障电流的公式包括三相短路故障的故障电流公式和相间短路故障的故障电流公式，故障支路的短路电流为故障支路的负荷电流与故障电流之和，其余支路的短路电流等于该支路的负荷电流；

保护整定原则根据继电器所处位置的不同可分为变压器出线继电器整定原则、母线继电器整定原则、支路继电器整定原则和负载侧继电器整定原则，每一种保护整定原则包括多种整定规则，分别为：

变压器出线继电器整定原则:

(1)过流I段：

a、按躲过本线路末端最大三相短路电流的整定规则整定：

b、按不大于本站5倍电压器低压额定容量的整定规则整定：其中，S_n为主变额定容量，U_n为主变额定电压；

c、按最小运行方式下本线路出口两相短路故障时不小于1进行灵敏度校验，若不满足灵敏度，则按与下一级线路Ι段配合的整定规则整定：I_DZΙ＝K_m*K_fz*I_DZ1,其中，灵敏度校验公式为：

d、动作时限T：若按照a中所述的整定规则进行电流整定，则T＝0s；若按照b或者c中所述的整定规则进行电流整定，则T＝0.3s；

(2)过流II段：

a、按躲过本线路末端最大三相短路电流的整定规则整定：

b、按与下级保护的I/II段配合的整定规则整定：

I_DZΙΙ＝K_m*K_fz*I_DZ1/I_DZΙΙ＝K_m*K_fz*I_DZ2；

c、按最小运行方式下本线路末端两相短路故障时不小于1.5进行灵敏度校验：

d、动作时限T：与上、下级保护时间配合：

T≤T′-ΔT，T≥T″+ΔT；

(3)过流III段：

a、按躲过最大负荷电路的整定规则整定：I_DZΙΙΙ＝K_K*K*I_f/K_fh；

b、与下级保护III段配合：I_DZΙΙΙ＝K_m*K_fz*I_DZ3；

c、按最小运行方式下本线路末端两相短路故障时不小于1.5进行灵敏度校验：

d、动作时限T：与上、下级保护时间配合：

T≤T′-ΔT，T≥T″+ΔT。

母线继电器整定原则：

(1)过流I段：

a、按躲过本线路末端最大三相短路电流的整定规则整定：

b、若按照a中所述的整定规则得到的整定电流小于1.2倍下一级分支开关最大整定值，取1.2倍下一级分支开关最大整定值；

c、动作时限T：T＝0.15s，与出线开关I段保护时间配合；

(2)过流II段：

a、若与下级继电器之间有配变则按躲过配变低压侧最大三相短路电流的整定规则整定：

b、按与下级保护的II段配合的整定规则整定：

I_DZΙΙ＝K_m*K_fz*I_DZ2；

c、按最小运行方式下本线路末端两相短路故障时不小于1.5进行灵敏度校验：

d、动作时限T：与上、下级保护时间配合：

T≤T′-ΔT，T≥T″+ΔT；

(3)过流III段：

a、按躲过最大负荷电路的整定规则整定：I_DZΙΙΙ＝K_K*K*I_f/K_fh；

b、动作时限T：与上、下级保护时间配合：

T≤T′-ΔT，T≥T″+ΔT。

支路继电器整定原则

(1)过流I段：

a、按躲过本线路末端最大三相短路电流的整定规则整定：

b、动作时限T：T＝0s；

(2)过流II段：

a、按躲过配变低压侧最大三相短路电流的整定规则整定：

b、按与下级保护的I段配合的整定规则整定：

I_DZΙΙ＝K_K*I_DZ1；

c、按最小运行方式下本线路末端两相短路故障时不小于1.5进行灵敏度校验：

d、动作时限T：与上、下级保护时间配合：

T≤T′-ΔT，T≥T″+ΔT；

(3)过流III段：

a、按躲过最大负荷电路的整定规则整定：I_DZΙΙΙ＝K_K*K*I_f/K_fh；

b、动作时限T：与上、下级保护时间配合：

T≤T′-ΔT，T≥T″+ΔT。

负载侧继电器整定原则

(1)过流I段：

a、按躲过最大运行方式下变压器低压侧三相短路时流过高压侧的短路电流的整定规则整定：

b、动作时限T：若后接1个配变，则T＝0s；若后接2个及以上配变，则T＝0.2s；

(2)过流II段：

a、按躲过最大负荷电流的整定规则整定：I_DZΙΙ＝K_K*K*I_f/K_fh；

b、动作时限T：若后接1个配变，则T＝0.3s，若后接2个及以上配变，则T＝0.5s；

其中，上述各式中字母含义如表1所示：

表1整定原则字母符号含义对照表

第一计算模块23用于根据从公式库24中读取的短路电流计算公式和输入模块21赋予的公式各变量的值计算配电网短路电流，并根据短路电流和从学员通过输入模块21从公式库24中选择的其中一种整定规则计算电流整定值和动作时限，第二计算模块25用于根据从构图模块22读取的配电网拓扑信息和从公式库24读取的短路电流计算公式自动计算配电网短路电流，并根据短路电流和各种整定规则计算合理范围，合理范围的上下限值分别为根据各种整定规则确定的电流整定值和动作时限的最大值和最小值，判断模块26判断第一计算模块23计算的电流整定值和动作时限是否在第二计算模块25计算的合理范围，若是，则将电流整定值和动作时限传输至报表生成模块27，报表生成模块27用于生成整定报表，整定报表中具有不同短路故障类型及不同故障位置所对应的电流整定值和动作时限，通过输入模块21在构图模块22构建的配电网拓扑上设置短路故障，学员根据该短路故障类型和故障位置，从整定报表中选出对应的电流整定值和动作时限，通过输入模块21输入至验证模块28，验证模块28使配电网拓扑运行仿真，观察配电网拓扑中相应的继电器是否动作及其动作时间，以验证学员计算的电流整定值及动作时限是否正确。

如图2所示，本实施例中，配电网11包括通过继电器910实现手拉手连接的第一路线和第二路线、与第一、第二路线中的继电器连接的保护装置(图中未画出)、与保护装置连接的互感器(图中未画出)和负载，第一路线包括电源V1、变压器T1、第一母线L1、从第一母线L1引出的第一线路、串接在电源V1和变压器T1之间的连接线上的继电器111、串接在变压器T1和第一母线L1之间的连接线上的继电器911、串接在第一线路上的继电器912、继电器913、继电器914，继电器910串接在第一线路上，继电器912、继电器913之间的线路形成第一支路L2，继电器913、继电器914之间的线路形成第二支路L3，继电器914、继电器910之间的线路行程第三支路L4，分别从第一支路L2、第二支路L3和第三支路L4引出接负载，第二路线包括电源V2、变压器T2、第二母线L5、从第二母线L5引出的第二线路、串接在电源V2和变压器T2之间的连接线上的继电器121、串接在变压器T2和第二母线L5之间的连接线上的继电器921、串接在第二线路上的继电器922、继电器923、与第二线路连接的第三母线L6、分别从第三母线L6引出的第三线路和第七支路L10、串接在第三线路上的继电器924、继电器925、串接在第四线路上的继电器926、设置在第一母线L1和第二母线L5之间的连接线上的继电器900，继电器922、继电器923之间的线路形成第四支路L7，继电器924、继电器925之间的线路形成第五支路L8，继电器910、继电器925之间的线路形成第六支路L9，分别从第二母线L5、第三母线L6、第七支路L10引出接负载，电源V1和电源V2输出电压相同，变压器T1和变压器T2规格相同，第一支路L2、第二支路L3、第三支路L4、第七支路L10均为1km架空线，第四支路L7为0.5km电缆线加上2km架空线，第五支路L8为2km架空线。

如图3所示，故障模拟装置包括从配电网1引出至接地的故障电路，故障电路包括可调电阻53、用于控制可调电阻53投入不同阻值的第一开关56和位于可调电阻53输入侧用于导通或断开故障电路的第二开关57，第一开关56和第二开关57均与上位机15连接，由上位机15控制其动作，第一开关56包括开关K10、K11、K12和K13，第二开关57包括开关K4、K5和K6。

如图4所示，配电网继电保护培训方法，包括以下步骤：

A、根据接线要求及各元件的参数在配电网软件仿真装置中构建配电网拓扑，其中，接线要求包括变压器数量、母线数量、支路数量、继电器数量和负载数量，所述各元件的参数包括变电站母线为源点的源点信息向量、继电器状态向量、节点间线路长度l、线路单位长度电阻R₁、线路单位长度电抗X₁、变压器高压侧额定电压U_N、变压器额定容量S_N、变压器短路损耗ΔP_k、变压器短路电压百分比U_k％；

B、根据配电网拓扑、各元件的参数，为软件仿真装置提供的公式中的变量赋值，以得到配电网各支路的短路电流，其中，软件仿真装置提供的公式包括计算配电网各支路负荷电流的公式、计算不同故障类型下故障支路故障电流的公式和计算短路电流的公式，各支路负荷电流采用前推回代潮流算法进行计算，故障类型包括三相短路故障或者相间短路故障，故障支路的短路电流为故障支路的负荷电流与故障电流之和，其余支路的短路电流等于该支路的负荷电流；

C、根据短路电流及配电网拓扑中继电器的位置，选择相应的整定原则中的某一种整定规则确定电流整定值和动作时限，软件仿真装置判断电流整定值及动作时限是否在合理范围内，若合理，软件仿真装置生成整定报表，整定报表中具有不同故障类型及不同故障位置所对应的电流整定值和动作时限，并进入步骤D，否则返回步骤B，具体为：

C1、整定原则根据继电器所处位置的不同分为变压器出线继电器整定原则、母线继电器整定原则、支路继电器整定原则和负载侧继电器整定原则，各整定原则均包括多种不同的整定规则，根据继电器所处位置的不同选择对其中一种整定规则，结合步骤B所得的短路电流，确定电流整定值和动作时限；

C2、软件仿真装置将确定的电流整定值和动作时限与合理范围进行比较，合理范围的上下限值分别为根据各种整定规则确定的电流整定值和动作时限的最大值和最小值；

C3、当确定的电流整定值和动作时限在合理范围内时，软件仿真装置生成整定报表；

D、对确定的电流整定值和动作时限进行验证，选择在软件仿真装置中进行验证，进入步骤E，选择在配电网拓扑所对应的模拟的配电网中进行验证，进入步骤F；

E、在配电网拓扑中设置故障，根据故障类型及故障位置在整定报表中选出对应的电流整定值和动作时限，并向验证模块输入该电流整定值和动作时限，验证计算的电流整定值及动作时限是否正确；

F、在模拟的配电网中设置故障，根据故障类型及故障位置在整定报表中选出对应的电流整定值和动作时限，并向模拟配电网中的继电器保护装置输入该电流整定值和动作时限，验证计算的电流整定值及动作时限是否正确。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。