【文章內容簡介】 上式獨立判斷勵磁涌流的存在與否，以便決定是否閉鎖差動保護[2]。 微機變壓器差動保護的差動速斷當差動電流大于最大可能勵磁涌流時立即出口跳閘。這種常規(guī)保護的傳統(tǒng)做法也被引用到計算機差動保護中，其判據(jù)為 （448）式中，為額定電流；為相對于額定電流的勵磁涌流倍數(shù)，可根據(jù)系統(tǒng)阻抗、變壓器和CT特性來整定，大約在5 10之間。 微機變壓器差動保護的啟動判斷相電流差突變量選相位原理：若已判別出為接地故障，則：若：|ΔIb－ΔIc| ε，判為A相單相接地； 若：|ΔIc－ΔIa| ε，判為B相單相接地； 若：|ΔIa－ΔIb| ε，判為C相單相接地。 實踐和分析證明，如果ε值選擇過高，會因靈敏度不夠而誤判；如果ε值選擇過低，則可能在單相接地時，其他兩個條件也滿足，從而引起誤判。因此，經(jīng)過近一步分析和計算，得出其實用判據(jù)：若：m|ΔIb－ΔIc||ΔIa－ΔIb|且m|ΔIb－ΔIc||ΔIc－ΔIa|，判A相接地；若：m|ΔIc－ΔIa||ΔIb－ΔIc|且m|ΔIc－ΔIa||ΔIa－ΔIb|，判B相接地；若：m|ΔIa－ΔIb||ΔIc－ΔIa|且m|ΔIa－ΔIb||ΔIb－ΔIc|，判C相接地。在大多數(shù)電力系統(tǒng)結構情況下，m可根據(jù)系統(tǒng)情況選4~8之間。第五章 虛擬仿真平臺基于虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)出的虛擬設備或裝置以其成本低廉、功能強大、易于更新、維護調試方便、開放性強等特點而受到了人們的普遍關注和青睞。本章所研究的微機型差動保護的研究及虛擬保護裝置平臺的設計與運行仿真就體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術的應用。該虛擬仿真平臺是用Visual Basic高級程序設計語言編寫開發(fā)的，它與實際微機保護裝置的軟件結構、算法以及運行過程等基本相同，主要區(qū)別僅在于實際微機保護裝置是通過硬件通道對現(xiàn)場信號進行實時采樣，而虛擬仿真平臺是從已有的故障數(shù)據(jù)文件中采集數(shù)據(jù)，而且虛擬仿真平臺對數(shù)據(jù)文件中數(shù)據(jù)的采樣過程設計得與實際微機保護裝置的采樣過程相仿。故障數(shù)據(jù)文件可以完全憑現(xiàn)場運行實測的故障數(shù)據(jù)來生成，但是考慮到搜集現(xiàn)場實測故障數(shù)據(jù)往往較為困難，因此利用MATLAB仿真軟件來仿真，可較好地解決電力系統(tǒng)中各種故障情況下較為準確地獲取故障數(shù)據(jù)的問題。將MATLAB仿真得到的系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)根據(jù)不同的故障情況按相應文件名保存為數(shù)據(jù)文件，供虛擬仿真平臺調用。虛擬平臺利用VB強大的調試功能，進行斷點設置、單步運行和全速運行，可方便地對所設計和編寫的各種微機保護軟件功能模塊進行運行調試，可仿真整個微機保護裝置的運行過程及運行結果。虛擬現(xiàn)實技術VR（Virtual Reality）是基于計算機應用的一門現(xiàn)代新興技術，是現(xiàn)代科學技術的高度發(fā)展在應用領域中的結晶和反映，其應用越來越廣泛。微機保護虛擬仿真平臺可實現(xiàn)對一些保護的新原理、將要開發(fā)的微機保護的軟件設計思路、軟件流程等預先進行仿真性地檢驗與調試。 虛擬仿真平臺主界面圖1 虛擬仿真平臺主界面系統(tǒng)示意圖放在界面上的圖片框picture1中，保護裝置設置在變壓器的一次側和二次側。故障位置分為變壓器內部故障和外部故障，由兩個命令按鈕mand5控件的通、斷狀態(tài)來設置。內部故障和外部故障又分別分為單相接地、兩相短路和三相短路故障類型，由組合框bo1控件選擇。出口信息文本框text7用于顯示保護動作的出口信息或一些相應的告警信息。主程序存放在運行按鈕mand1控件中，點擊該控件后微機保護主程序正式投入運行。定時器控件timer1用于模擬實際微機保護裝置的定時采樣中斷服務（該定時器控件在程序運行時處于非顯示的隱藏狀態(tài)），按照設定的定時間隔來中斷。定值設置按鈕mand6用于調出定值設置輔助界面，開入量設定按鈕mand7用于調出開入量設定輔助界面。運行燈在點擊運行按鈕投入運行時點亮，啟動燈在程序運行中判斷出有故障而啟動時點亮。 虛擬仿真平臺輔助界面 定值設置界面圖2 定值設置界面在定值設置界面中設置保護定值并保存在定值文件中供虛擬仿真平臺隨時調用。 開入量設定界面圖3 開入量設定界面由于虛擬仿真平臺除了通用計算機外無任何硬件設備，因此針對實際微機保護中的開入量，在虛擬仿真平臺中是由開入量設定界面設定，并保存在開入量文件中供虛擬仿真平臺隨時調用。 虛擬保護裝置軟件流程 運行主程序模塊圖4 運行主程序流程圖讀取定值文件中定值在實際保護中，需要用戶來設置定值，以便在保護的動作判斷等模塊中運用。在虛擬仿真平臺中，通過在界面上設置定值，生成定值文件來存放定值，虛擬保護仿真運行時再從定值文件中讀取定值。讀取開入量文件中開入量在實際保護中，可通過壓板的投入與否來確定某些保護功能是否投入，并且一些外部的運行狀態(tài)等是通過一些開關狀態(tài)來判斷。在虛擬仿真平臺中，通過在界面上設置開入量來仿真投退壓板或外部運行狀態(tài)，并將開入量存入開入量文件，保護仿真運行時再從開入量文件中讀取相應的開入量。選擇原始故障數(shù)據(jù)文件在實際微機保護中，電力系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)、、經(jīng)過微機系統(tǒng)的模入通道被送至微機，在微機中通過編制定時采樣中斷服務程序，對實時故障數(shù)據(jù)進行定時采樣。在虛擬仿真平臺中，由于沒有硬件設備，所以是將實際微機保護定時采樣中斷服務程序的從硬件中采集數(shù)據(jù)而改為從文件中采集數(shù)據(jù)。虛擬仿真平臺事先利用MATLAB軟件仿真生成各種故障情況下的多個原始故障數(shù)據(jù)文件（根據(jù)不同故障情況以不同文件名存放），虛擬微機保護在仿真運行前，通過在界面上選定故障位置、故障相別，從而確定相應的原始故障數(shù)據(jù)文件。在時鐘控件的定時中斷服務程序中，不斷地從相應故障數(shù)據(jù)文件中讀取對應時刻的故障數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行處理，計算出相間電流工頻變化量等，通過查詢定值及開入量，判斷是否故障，從而確定出口信息。經(jīng)預處理后生成故障數(shù)據(jù)文件在實際微機保護中，根據(jù)所設定的采樣頻率利用定時器進行定時中斷，在定時中斷服務程序中完成采樣。假設采樣周期為5/3ms（即每工頻周期采樣12個點），也就是說每5/3ms響應一次中斷，進入定時采樣中斷服務程序。而在虛擬仿真平臺中，是利用VB的Timer控件來模仿實際的采樣過程。當時鐘控件Timer記時滿時，響應中斷，轉至Timer中的中斷服務子程序。然而在系統(tǒng)微機中所有的任務都是在Windows操作系統(tǒng)控制下完成的，因此VB中的時鐘控件Timer的定時間隔不可能準確地按照微機保護的采樣周期來響應中斷，而且定時間隔也不可能小到5/3ms的程度（一般在操作系統(tǒng)控制下的最小定時間隔不小于1/18s = 56ms）。為解決這個問題，我們對原始故障數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)進行預處理。由MATLAB生成的原始故障數(shù)據(jù)文件中的故障數(shù)據(jù)點的間隔是非常密的（由MATLAB仿真時的精度設置決定），近似于連續(xù)信號（），將原始故障數(shù)據(jù)文件經(jīng)處理后(提取按微機保護采樣周期為間隔的數(shù)據(jù)點，將間隔之間的數(shù)據(jù)點丟棄)，生成按微機保護采樣周期為間隔存放的故障數(shù)據(jù)文件，即新生成的故障數(shù)據(jù)文件中的相鄰兩數(shù)據(jù)的時間間隔剛好是設定的采樣周期（例如5/3ms），這樣當Timer控件響應中斷，進入中斷服務程序讀取故障數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)時，更新故障數(shù)據(jù)指針，讀取下一個故障數(shù)據(jù)點，就可以模擬按實際采樣周期（5/3ms）采樣一次的過程。初始等待WAIT（本課題是采用QDB=1來完成初始等待）在程序中開辟了存放4個周波數(shù)據(jù)（即4周12點/周=48點）的采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，由于程序剛開始運行時采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中尚未放滿采樣數(shù)據(jù)而處于隨機狀態(tài)，若直接進行故障判別則會出現(xiàn)誤判，因此程序初始運行后首先要等待采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中放滿數(shù)據(jù)，即先將等待標志W(wǎng)AIT置1（QDB=1），WAIT標志為1時（QDB=1 時），定時中斷服務程序中只完成采樣流程而不進行故障啟動判斷、故障數(shù)據(jù)計算等流程，當采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中放滿采樣數(shù)據(jù)（例如經(jīng)過48點的采樣）后，將WAIT標志清0（QDB標志清0），結束等待進入正常運行流程。 采樣中斷服務程序模塊圖5 采樣中斷服務程序流程圖采樣文件指針的更新在實際微機保護中，因為是實時數(shù)據(jù)，所以不存在此問題，只需要響應中斷進行采樣即可。而在仿真中是用故障數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)來代替實時數(shù)據(jù)，每次進入定時中斷服務程序，需要更新采樣文件指針以讀取故障數(shù)據(jù)文件中下一個數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)。另外故障數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)點總是有限的，讀完時（即指針到文件末尾時）要停止程序的采樣及運行計算和判別過程。采樣數(shù)據(jù)的更新與排隊在程序開辟的采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（采樣數(shù)組）中保存48點（4個周波）的最新采樣數(shù)據(jù)，每采一個新點數(shù)據(jù)，則更新采樣數(shù)據(jù)存放指針，用新點數(shù)據(jù)取代數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的最舊點數(shù)據(jù)。為了取數(shù)方便，采樣數(shù)據(jù)的存放采用暫存區(qū)擴展法進行數(shù)據(jù)排隊，即采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的容量擴展為需要保存的數(shù)據(jù)點的2倍（即96點）。擴展區(qū)中保存的數(shù)據(jù)與非擴展區(qū)的完全相同，擴展區(qū)相當于是一個映像區(qū)。3．內部相位校正在MATLAB軟件仿真時，由于變壓器的三角形星形接法，就產(chǎn)生了電流相位的變化，而互感器沒有解決這個問題，所以，在虛擬仿真平臺軟件設計時，需要對相位進行校正。具體方法見附錄程序。故障啟動判斷采用相電流突變量作為單相接地故障的判據(jù)，當相電流突變量連續(xù)4次大于啟動定值，則判為出現(xiàn)故障，置啟動標志，啟動計時器清0并開始計時。 故障處理模塊圖6 故障處理程序流程圖1． 差動保護壓板當啟動標志置1時，就轉入故障處理模塊。首先判斷差動保護壓板是否投入（差動保護壓板的狀態(tài)可以通過開入量設置按鈕進行輸入 ）。當其投入后，就可以進行故障判斷了。2．故障發(fā)生后，各種保護動作的判斷當差動保護壓板投入后，先進行差動判斷。當差動電流大于最大可能勵磁涌流時，則立即轉到跳閘出口，其判據(jù)為。式中，為額定電流；為相對于額定電流的勵磁涌流倍數(shù)，可根據(jù)系統(tǒng)阻抗、變壓器和CT特性來整定，大約在510之間；不滿足差動判斷就進行二次諧波制動的判斷，當滿足諧波制動條件時，二次諧波制動；同理，二次諧波制動條件也不滿足，則進入比率差動的判斷，滿足條件即動作。3．斷路器位置當以上條件均不滿足，則看是不是斷路器位置不對應（偷跳造成）造成的故障，若是，則轉到跳閘后出口；若不是，則整組復歸（即所有標志和出口信息清0）并返回。 跳閘出口模塊圖7 跳閘出口程序流程圖當主程序中有報告（即報告標志置1）時，則判斷出口類型是否為3，若跳令和收跳令標志均為0，則執(zhí)行跳閘，發(fā)出三跳令；然后進行延時。當延時超過5秒時（一般第一次不會達到），就整組復歸；未到，則進行40ms延時的判斷。40ms也未到，就中斷返回；延時到達40ms，再判斷斷路器的狀態(tài)，如上圖，以此類推，進行下面收跳令、故障相電流及250ms等判斷。當三相電流都小于所輸入的無流定值，則判為無流；無流就收回跳閘令后中斷返回。 虛擬保護裝置運行結果采用MATLAB軟件對變壓器發(fā)生內、外部的模型進行各種情況下的短路故障仿真，仿真數(shù)據(jù)保存為數(shù)據(jù)文件供虛擬平臺調用。 變壓器內部故障該仿真針對變壓器內部故障，虛擬仿真平臺運行情況如下：選擇故障相別（以三相短路故障為例）。按下運行按鈕，故障相別組合框閃爍代表采樣正在進行，同時點亮運行燈（顯示紅色）。采樣數(shù)據(jù)進行處理，判斷突變量超過定值，保護啟動點亮啟動燈（紅色）。給出口信息：“內部三相短路故障”，故障相別組合框停止閃爍。仿真運行的結果界面如圖8：圖8 變壓器內部故障三相短路時保護動作仿真結果圖 變壓器外部故障虛擬仿真平臺運行情況如下：選擇故障線路及故障相別（以A相接地故障為例）。按下運行按鈕，故障相別組合框閃爍代表采樣正在進行，同時點亮運行燈（顯示紅色）。采樣數(shù)據(jù)進行處理，判斷突變量超過定值，保護啟動點亮啟動燈（紅色）。仿真運行的結果界面如圖9：圖9 變壓器外部A相接地故障時保護動作仿真結果圖第六章 結論變壓器在電力系統(tǒng)中的地位十分重要，同時大容量的電力變壓器也是十分昂貴，因此，必須根據(jù)變壓器的容量和重要程度考慮裝設性能良好，工作可靠的保護裝置。差動保護就是變壓器最為重要的主保護，而微機型變壓器差動保護在減小變壓器勵磁涌流影響、提高變壓器保護的靈敏度及可靠性等方面有著較大優(yōu)勢。本課題的主要要求是對微機型變壓器差動保護原理及特點進行詳細分析、研究，用MATLAB仿真軟件針對各種故障情況進行仿真分析并輸出仿真結果，編制微機型變壓器差動保護程序的流程框圖，然后，按照程序框圖的基本流程用Visual Basic語言編制出變壓器差動保護裝置的虛擬開發(fā)平臺軟件。通過近三個月來的學習，我基本上完成了本次畢業(yè)設計的任務與要求，基本掌握變壓器短路的特點和變壓器差動保護的原理及特性，熟悉了微機保護的基本算法和應用算法，學會了使用MATLAB軟件對電力系統(tǒng)故障進行仿真和利用虛擬現(xiàn)實技術設計并開發(fā)虛擬微機保護裝置的步驟及過程。在MATLAB上仿真得出的結果和在虛擬平臺上得出的結論基本符合書本上的理論結果。通過本次畢業(yè)設計，使我們對所學專業(yè)知識進行了綜合的應用，也使我們的分析問題和解決問題的能力得到了提高。參考文獻[1]、:中國電力出版社,1994:171173,181.[2]、::29, 3135,5761,67,156157.[3]、::1.[4]、張志競,(上冊).北京::3540[5]、張保會,:,5[6]、楊新民,[M].北京:,9[7]、楊奇遜. 微型機繼電保護基礎[M].北京:,11[8]、[M].北京:,2[9]、(第二版)[M].北京:[10]、[M].北京:[11]、[M].北京:,1[12]、鐘麟,[M].北京:,1[13]、[M].北京:,3[14]、 ：[15]、 Basic程序設計[M].北京:,8[16]、張鈞良Visual B