王鸣江 　范春菊 　房鑫炎 
（上海交通大学电气工程系　上海　200240）

1　引言
　　随着计算机技术的发展，计算机保护在我国电力系统中的应用越来越广泛。目前微机继电保护仍是电力系统及其自动化领域的最重要的研究方向之一，因此，各院校也相应开设了微机保护课程，但是微机保护的教学工作以及保护装置的测试工作无论是在教材或实验室建设还是保护测试具体装置方面都明显滞后于微机保护在现场的应用工作。这一现象如果不能得到及时的改变，必将影响微机保护的运行维护管理及进一步的开发完善工作，从而将影响到微机保护的推广应用工作。为了配合微机保护的教学和科研工作，我们决定开发这一基于图形界面的微机保护实验平台。这样既可以用于科研仿真调试，又可以作为一个实验平台，使得学生在学习微机保护的过程中，了解微机保护的实际操作运行过程，形象地学习微机保护装置的构造、原理以及运行方式。该系统在实际应用中取得了良好的效果。 
2　系统结构
　　整个系统结构如图1所示。按照其实现的功能可分为如下几个主要部分。
2．1　系统管理界面
　　该部分实现了对电力系统的图形界面的管理，包括友好的人机对话界面；系统结构和参数的维护；在对系统进行仿真时，基于图形界面的被仿真保护方案的选择；电力系统短路点的设定；可以方便地调用系统的各个功能模块。
2．2　信息数据库及其接口
　　信息数据库存储整个系统的结构，元件，参数以及图元参数。通过ODBC接口，数据库很容易与管理界面连接，可以在平台界面上实时完成对数据库数据的增加、删除、和修改。
2．3　短路电流计算和整定计算
　　该部分是整个仿真实现的基础。在确定需要仿真的保护后，就可以通过菜单调用该模块，利用一系列的对话框，可由用户指定短路的类型，系统运行方式，保护整定原则等，然后自动完成短路电流的计算和保护的整定。


2．4　整定值修改和保护监控
　　在完成对保护的整定之后，可以在平台界面上通过菜单调用该模块，通过对话框上设置的按钮可以很容易地取得保护中原来的整定值，然后根据短路电流计算和整定计算单元得到的定值对其进行修改。启动该模块之后，该模块就开始对保护装置实现监控。若保护装置有事件报告上送，可以及时进行处理。
2．5　EMTP暂态仿真及D／A转换
　　在完成对保护整定值的预设之后，就可以启动EMTP程序对系统故障暂态过程进行仿真。该模块将EMTP程序作为一个子进程挂接在管理平台上，实现了对EMTP的自动调用。在EMTP仿真完成后，该模块从EMTP的输出文件中利用操作流将采样数据取出，根据一二次侧变比进行折算后直接送入D／A转换装置。D／A转换将模拟量输出接入保护装置，就完成了整套继电保护仿真的闭环。 
3　软件实现
3．1　底层数据库的设计
　　数据库结构的设计是整个设计过程的关键。根据系统设计的需要，通过详细分析电网的继电保护的各种信息，可将系统继电保护的各种信息分为下面几大类：（1）电力系统元件参数；（2）保护设备信息；（3）网络参数。
　　通过对电力网的各种信息进行详细的分析，根据系统设计的需要，在数据库结构设计时对信息进行进一步的分类组合，可将ACCESS数据库的表归为三类：元件参数表；保护设备信息表；电网参数表。
　　1）元件参数表：包括线路参数表，变压器参数表，发电机参数表，电动机参数表等。各个参数表中包含了各类元件的参数信息和一部分网络拓扑信息，如元件的连接信息等。
　　2）保护设备信息表：包括线路设备信息表，变压器设备信息表，发电机设备信息表等。保护设备信息实际上也是对应系统中的各类元件的。
　　3）网络参数信息表：主要包括节点信息表，支路信息表，线路的互感信息表等。此外，数据库中还包含了一些通用的索引表，如标准导线参数表，变压器铭牌参数表等。
3．2　图形界面管理和数据库接口
　　软件的操作界面是用户与软件内核交互的桥梁，一个设计友好、操作简便的图形化界面对于改善应用软件的人机交互性至关重要。为了获得一个简洁直观、操作方便的图形界面，本系统采用了国际流行的面向对象的程序设计（OPP，Object－Oriented Programming）技术。
　　首先对系统进行了对象分解，从中抽象出对象，类，子类，建立系统的对象模型。然后又设计了各个电力设备图元类的内部数据结构的表示和这些类的操作方法。其中，CelecObject是所有子类的基类，是一个抽象类。它定义了其派生类的一些共有的属性和公共接口，主要包括图形界面中的一些属性和操作，如元件在图形界面中的坐标和选中、删除、旋转等基本操作。ClineObject类的定义主要是为了方便图元的绘制时的坐标存储。而Cbreaker、CairLine、Ctran2等则是电力系统中具体元件的抽象，都是可实例化的类。这些类在数据库中都有对应的表，每个具体的元件信息在表中对应一个记录，而元件的属性则与记录中的字段一一对应。应用程序与数据库之间的这种连接与接口，正好可以通过开放式的数据库互联（ODBC）来实现。
3．3　短路电流计算和整定计算
　　短路电流计算分为两部分：相间故障时的短路电流计算和接地故障时的短路电流计算。对于相间短路，电源为系统电源；而对于接地短路的零序电流，电源为故障处的零序电压Ud0，因此我们必须计算出该电压，计算公式为：

相接地）
式中，UФ，Z1，和Z0分别为系统相电压，故障点的等值正序阻抗和零序阻抗。计算这两个阻抗时，为了在计算中避免比较复杂的矩阵求解运算，采取了递归路径搜索的办法。计算分为两个阶段，第一个阶段是进行相对于故障点的等值阻抗的计算；第二个阶段是根据等值阻抗来计算线路上流过的短路电流。电流计算设计了一个递归程序，其主要的迭代式设计为：

　　采取递归搜索的办法计算短路电流的最大的好处就在于编程思想非常简单，易于实现，而且不需要进行极耗内存的矩阵运算；缺点是只适用于辐射型网络，因此应用有一定的局限。
　　对于保护的整定，由于整定原则繁多，相邻线路之间的配合关系复杂，在具体整定的时候需要根据电网的配置来判断应采取什么样的整定原则进行整定。因此，在这里提供了一组对话框界面，以便操作人员能方便的进行选择保护配置，整定原则和计算系数（如可靠系数，配合系数等）。本系统能够让操作人员选择多种整定原则来进行计算，分别列出整定结果和计算过程。如果有必要，操作人员还可以选择或修改整定结果，用该整定值进行灵敏度校验。
3．4　保护通讯模块
　　为了真正实现对系统保护整个过程的仿真，必须要实现系统平台与保护装置之间实时的通讯。这一部分模块主要包括了两个方面的功能：1）对保护整定值的修改；2）对保护状态的随时监控以及保护事件报告的及时处理。
3．4．1　串口通讯方法选择
　　利用VisualC＋＋6．0在windows的环境下串口通信程序可以用两种方法实现：一是利用ActiveX控件，即Microsoft CommunicationsControl；另一个就是使用API通信函数。使用ActiveX控件，程序实现非常简单，结构清晰，缺点是欠灵活；使用API通信函数的优缺点则基本上于之相反。本系统中，利用ActiveX控件，依托一个对话框，实现串口的通讯。
3．4．2　接受数据的处理
　　完成读写的函数很简单，GetInput（）和SetOutput（）就可。两个函数的原型是VARIANTGetInput（）及void SetOutput（const VARIANT＆newValue），其中都要使用VARIANT类型。但是无论是在PC机读取上传数据时还是在PC机发送下行命令时，一般都习惯于使用字符串的形式（也可以说是数组形式）。而VARIANT虽然可以用BSTR表示字符串，但所有的BSTR都是包含宽字符，即使没有定义＿UNICODE＿UNICODE也是这样。WinNT支持宽字符，而Win95并不支持。为解决上述问题，本系统在实际处理数据时使用CbyteArray。
3．4．3　差错控制
　　实现对保护的无差错控制，必须建立一套通讯规约。我们设定通讯采用全双工的方式，串行，异步，无奇偶校验，一位起始位，八位数据位，一位停止位。通讯速率为2400BR。为了防止通讯差错，我们通讯时上下发送的控制字与事件报告都采用了如下的报文格式。 

　　同时还设定了出错处理过程。接收侧在收到报文之后，在一固定的时间t1内收不完整帧报文，或者收到的报文本身出错，此时向发送侧回答出错命令（NAK）。发送侧在发出报文之后，在一固定的时间t2内收不完（或收不到）应答报文，或者收到的报文本身出错，或者收到的报文是NAK，此时认为本次通讯出错。
3．5　EMTP暂态仿真和D／A转换
3．5．1　EMTP仿真输入文件的形成
　　EMTP仿真需要一个具有严格规定格式的数据输入文件。该文件要求对所需仿真的系统结构有详细的描述。要对任意选定的线路进行仿真，就需要输入不同数据的文件。要想随时自动生成这些文件，有着极大的困难。为了解决这个通用性的问题，本系统采用了等效的办法，将待仿真母线一侧的系统等效为一个单端电源的系统。电源电压取为母线电压，系统阻抗取为该母线处的等值阻抗。根据这些参数，按照单端电源的情况，利用C＋＋中的数据流操作，随时都可以形成一个等效网络的数据文件。其中，母线电压的值，可以通过ODBC读取该母线的数据库中的参数得到；而母线处的系统等值电抗可由前述的短路电流计算模块得到。EMTP程序的启动则采用进程调用的方式。
3．5．2　D／A转换
　　在这一模块中，以一片80C196KB单片机和两片AD7841数模转换器为核心，外加内存、接口电路还有其它一些必要的电路组成一个D／A转换装置。该装置主要可完成如下的功能：1）和PC机通讯，完成数据的发送和接收；2）对数据进行变换，以适合硬件要求；3）对数据进行D／A转换（要求严格控制对所采样数据的转换时间，即符合50 Hz的频率）；4）输出模拟量波形，同时还可提供波形观察，即对PC机所传输来的数据进行图形显示；5）保留对软件升级的能力。
　　在完成EMTP仿真后，将EMTP的输出文件通过数据流的操作，从中抽取需要的一次侧的采样数字量。通过取得数据库中故障所在母线处CT、PT的变比，将这些采样值折算到二次侧的量，然后通过串行口送入D／A转换装置，该装置在进行数模转换后，可直接将输出送入保护装置，电器接口已经在D／A转换的环节内完成。保护在测得输入随时由对其进行监视的主程序捕获，这样也就完成了对电力系统继电保护整个过程的仿真。 
4　应用实例
　　整个仿真过程，以广州罗涌网为简单的实例，对坦尾站处保护测试其相间过流一段。首先由界面选定罗涌网坦山线，测试的保护为坦尾站处保护。然后由整定计算模块对保护进行整定，按躲本线末故障（低压闭锁）的原则，显示整定过程如下：
　　Kk＝1．300，山村站母线故障Imax＝14 840．615安培；Izd＝Kk＊Imax／Nct＝120．580安培，Zxt．max＝6．289欧姆，Zl＝0．855欧姆，Kk＝1．300；Uzd＝Zl＊100 V／（Kk＊（Zxt．max＋Zl））＝9．207伏特；Zxt．min＝3．619欧姆，Zbh＝Udz＊Zxt．min／（100－Udz）＝0．367，Tzd＝0．000秒．最终得到整定值120．580安培．然后启动保护通讯和监控模块，对DEP－575保护装置进行定值修改．重新回到界面随机选择故障为大方式下两相接地，故障点在坦山线50％处（坦山线全长2．063 km）．然后就可以开始进行仿真，由系统后台计算大方式下两相接地故障时：坦尾站处母线等值阻抗为4．086Ω；电压等级110 kV；用户选择的故障点为离坦尾站50％处。
　　由此形成EMTP数据文件big20．dat，再由界面菜单启动EMTP程序，进行暂态仿真计算，得到的结果自动形成输出文件通过串口输入D／A转换装置，D／A输出即时输入DEP－575保护单元，保护相间过流一段迅速准确动作，整个过程完全实现了界面化操作。 
5　结论
　　本系统从电力系统的建模，系统数据库的构建，图形化界面管理，短路电流的计算，到EMTP的暂态仿真，以及一次侧的采样数据转换到二次侧的数据和数模转换，完成了对电力系统继电保护整个过程的暂态仿真。本系统配置灵活，可有多种用途，既可用于电力系统的图形界面管理，又可用于系统输电线路的整定计算，也能用于对保护装置的测试。不但能作为一个教学试验平台，也可作为一个微机保护科研的软件系统。为微机保护装置的研发和试验提供了便利的测试手段。
参考文献
1　贺家李，宋从矩．电力系统继电保护原理．北京：水利电力出版社，1994．
2　陈睿，谢新洲．新一代信息管理系统——面向对象信息管理系统的分析与设计．北京：航空工业出版社，1993．
3　候俊杰．深入浅出MFC．华中理工大学学报，1998
4　David J．Kruglinski．Inside VisualC＋＋（第四版）．北京：清华大学出版社，1998．