基于半實物仿真的電力系統(tǒng)微機保護實驗平臺

黃麗蘇， 郝正航， 雷廷浩

（貴州大學電氣工程學院，貴陽550025）

0 引 言

為了適應國家發(fā)展戰(zhàn)略需求，我國工程教育頂層設計提出了“新工科”建設規(guī)劃，并大力實施成果導向教育（Outcome based education，OBE）理念的國際標準化教育模式［1-2］。新工程教育模式強調將產業(yè)場景下的需求作為培養(yǎng)學生的最終結果，要求做到以學生為中心、以學生產出為導向，通過創(chuàng)新工程教育的方式與手段，實現(xiàn)產業(yè)與教育、科研與教育這兩個有機融合，培養(yǎng)出能夠支撐技術進步和產業(yè)發(fā)展的科技人才。

在現(xiàn)代電力工程教育中，電力系統(tǒng)微機保護是一門綜合性、應用性、實踐性較強的專業(yè)課［3-4］，其應用場景包括電力自動化裝備產業(yè)和電力運行企業(yè)。為適應電力產業(yè)及行業(yè)新技術的快速發(fā)展，引導學生積極參與“雙創(chuàng)”活動，在實驗教學環(huán)節(jié)，迫切需要貫徹新工科教育理念，全面改革實驗教學的方式和過程，讓學生參與實驗方案的構想、設計、操作實施、結果演示和總結等整個環(huán)節(jié)；培養(yǎng)學生的主觀能動性，增強學生的創(chuàng)新意識和能力，提升學生解決復雜工程實踐問題的技能，使之成為具有扎實理論知識和實踐操作能力的專業(yè)技術人才。

1 實驗方案的提出

1.1 微機保護實驗教學的現(xiàn)狀

在實際工業(yè)場景下，電力系統(tǒng)微機繼電保護裝置是以中央處理器為核心，通過數(shù)據(jù)采集得到電力系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，根據(jù)預定算法判斷電力系統(tǒng)是否發(fā)生故障以及故障的類型和范圍等，作出跳閘或報警等動作的一種自動裝置［5］。面向產業(yè)場景時，目前電力系統(tǒng)微機保護實驗教學存在一些問題：

（1）實物實驗。基于實物的實驗方案有兩種，其一是基于整流型、電磁型、晶體管型等傳統(tǒng)繼電保護實驗平臺，這種方案與當今技術現(xiàn)狀和實際生產方面存在脫節(jié)［6］。其二是直接采購當今主流應用的微機保護工業(yè)裝置作為實驗裝置進行演示實驗。由于保護邏輯和算法已經固化到裝置中，不允許修改更新，只能通過觀察開關分合進行驗證性實驗，無法拓展為綜合性、創(chuàng)新性的微機保護實驗；同時，學生不易理解微機保護內部動作的保護邏輯控制算法［7］。

（2）離線仿真實驗。由于仿真軟件的限制，繼電保護離線仿真實驗是非實時性的，學生很難體驗到微機保護是硬件和軟件相結合的事實，不利于建立完整概念；再者，微機保護仿真實驗可以進行基本原理和算法的學習和檢驗，但在提升學生針對裝置的硬件設計能力、編程能力和創(chuàng)新能力方面稍有欠缺［8-9］。

1.2 實驗平臺的研制

為解決傳統(tǒng)電力系統(tǒng)微機保護實驗教學面向實際產業(yè)場景下存在的局限，必須借鑒新工科思維，創(chuàng)新實驗教學模式。新模式強調實驗內容和實驗方法緊密結合實際工業(yè)場景，強調學生獲取的知識和技能能夠快速對接實際工程場景，強調以學生為中心的主動設計，突出實驗任務獨立完成和協(xié)同完成相結合。結合OBE理念和新工科內涵的要求，研制一種基于半實物仿真的電力系統(tǒng)微機保護實驗平臺，開啟一種新型實驗模式，以克服傳統(tǒng)實驗模式的缺陷和不足。該實驗平臺綜合了軟件和硬件技術，利用實時仿真器進行實時仿真，配置實物形式的嵌入式開發(fā)平臺作為控制器，構成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)；采用硬件在環(huán)（hardwarein-loop，HIL）技術［10］，又叫半實物仿真，驗證微機保護裝置動作的正確性和控制策略的有效性。通過實時仿真器和嵌入式開發(fā)平臺之間的信息反饋和控制開展微機保護實驗項目，作為1 次系統(tǒng)的主電路模型模擬電網(wǎng)實際電路，2 次系統(tǒng)的自動化裝置可以載入保護邏輯控制算法。該半實物仿真平臺與電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)達到了高度統(tǒng)一，如圖1 所示。

圖1 實驗平臺與電力專業(yè)的契合

1.3 實驗平臺的優(yōu)勢

在產業(yè)研發(fā)的試驗現(xiàn)場中，微機保護裝置直接與實時數(shù)字仿真儀相連組成閉環(huán)系統(tǒng)，利用實時仿真裝置對保護和控制方案進行設計、研究和試驗?；诎雽嵨锓抡娴奈C保護實驗系統(tǒng)采用HIL技術，該技術是目前在實際工業(yè)產品研究和測試中廣泛應用的先進開發(fā)和測試手段，也為學生開展綜合型、創(chuàng)新型實驗提供了條件，體現(xiàn)了新工科的理念。該實驗平臺相較于實物實驗和離線仿真實驗在實驗教學中有更加突出的優(yōu)勢：

（1）相較于實物實驗。嵌入式開發(fā)平臺具有較強的開放性，學生可以根據(jù)對微機保護原理的理解設計保護邏輯控制算法模型并下載到嵌入式開發(fā)平臺中，有效解決了實驗內容難以拓展的問題；實時仿真系統(tǒng)完全依據(jù)實際系統(tǒng)架構搭建，邏輯上能夠1∶1模擬實際系統(tǒng)，符合企業(yè)生產和研發(fā)場景。這種新型實驗模式讓學生認識微機保護產品從研制到設計及調試的全過程，學生根據(jù)實驗項目要求，自行查閱相關理論和工程實際情況，設計實驗方案，并在實驗平臺上實現(xiàn)，實驗方式靈活多樣。

（2）相較于離線仿真實驗。半實物仿真實驗平臺利用軟件搭建仿真模型和編寫保護邏輯控制算法程序對硬件進行配置、調試等操作，實現(xiàn)了軟硬件結合，培養(yǎng)學生的編程能力、動手技能、創(chuàng)新意識；貫徹工程教育認證理念［11］，對實驗中遇到的問題進行自主分析和討論解決，鍛煉學生解決實際問題和團隊協(xié)作的能力。該實驗教學模式的開展，能夠幫助學生畢業(yè)后更好、更快地投入到產業(yè)生產中。

2 實驗平臺的構建

2.1 總體設計

基于半實物仿真的微機保護實驗平臺由實時仿真器、嵌入式開發(fā)平臺、上位機、顯示屏、示波器等硬件組成，實物連接圖如圖2 所示。上位機用于搭建電網(wǎng)1次系統(tǒng)和保護邏輯控制算法模型，仿真器可以實時運行電網(wǎng)1 次系統(tǒng)模型，嵌入式開發(fā)平臺能夠承載保護邏輯控制算法，顯示屏可以實時顯示決定系統(tǒng)穩(wěn)定的所有動態(tài)信息。嵌入式開發(fā)平臺、上位機和實時仿真器之間通過以太網(wǎng)進行通信，實時仿真器通過高清多媒體接口（high definition multimedia inferface，HDMI）線向顯示屏傳輸實時信息。

圖2 實物連接圖

2.2 軟硬件設計

基于HIL理念開發(fā)的半實物仿真微機保護實驗平臺主要是由嵌入式開發(fā)平臺和實時仿真器構成的閉環(huán)系統(tǒng)，具體的軟硬件組成和工作流程如圖3 所示。實驗平臺中的軟件包括Matlab ／ Simulink 仿真軟件以及Microsoft Visual C++等C代碼編寫軟件。

圖3 整體架構和實驗過程

在上位機PC 中，Matlab 因具有強大的計算能力和速度、模塊化集合工具箱、圖形仿真界面等特點，被廣泛應用于電力仿真實驗中。利用Simulink 中的電源、負載、斷路器、故障等簡化功能模塊搭建模擬電網(wǎng)運行狀態(tài)的電網(wǎng)1 次系統(tǒng)模型，該主電路模型經過編譯運行后，轉化、下載到實時仿真器中。另外，采用Simulink中的邏輯模塊搭建相應的保護邏輯控制算法模型，經過仿真運行后驗證控制邏輯算法的合理性，利用Matlab ／ Simulink中的Simulink Coder工具箱或針對嵌入式系統(tǒng)的Embedded Coder工具箱，將控制算法模型轉換成C ／ C++語言模型，即通常所說的C 代碼［12］，把轉換生成或者學生編寫的保護邏輯控制代碼移植到嵌入式開發(fā)平臺，與測試對象實時互動，以達到對電網(wǎng)1 次系統(tǒng)進行保護控制的目的，實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)的硬件調試過程，并得到實時的仿真測試結果。代碼生成技術不需要繁瑣的編程過程，側重于保護控制算法的研究，加快理論驗證和算法改進過程；學生也可以利用C ／ C++語言開發(fā)軟件編寫微機保護的控制算法代碼來鍛煉學生的編程能力，減少保護邏輯控制算法2 次編程、驗證的時間，提高控制算法改進和應用的效率。

基于工程應用設計的電氣信息實時仿真器內置多核處理器、智能I／ O接口、高速通訊單元、智能功率變換模塊等，可以實現(xiàn)快速控制原型、功率級快速控制原型、HIL、功率HIL 4 項基本功能［13］。該實時仿真器能夠與Matlab ／ Simulink 實現(xiàn)無縫對接，在Matlab ／Simulink中搭建的模型經編譯后，即可下載到實時仿真器中。模型在實時仿真器中運行的電壓、電流值、斷路器狀態(tài)等信息可以傳輸給顯示屏和嵌入式開發(fā)平臺進行實時監(jiān)控。

嵌入式開發(fā)平臺是在控制主板上安裝Ubuntu 系統(tǒng)構成的，該主控板是可用于工業(yè)控制的主板，基于Intel? Bay Trail架構的多核應用處理器，具有超強的數(shù)據(jù)處理能力和應用計算能力。嵌入式開發(fā)平臺接收到實時仿真器反饋的實時信息后，將電網(wǎng)系統(tǒng)的運行信息與保護邏輯控制算法進行比較，經過嵌入式開發(fā)平臺的分析、計算形成控制命令，并將控制信號傳達給實時仿真器，改變電網(wǎng)1 次系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

顯示屏能夠實時顯示仿真器中的系統(tǒng)信號，方便學生觀察實驗的狀態(tài)變化過程。

3 實驗的開展

3.1 基于工程實際背景開展實驗

電力系統(tǒng)微機保護裝置主要用于110 kV 及以下電壓等級中的發(fā)電廠、變電站、配電站等和一些70 ～220 V 電壓等級中系統(tǒng)電壓、電流的保護以及測控［14］。結合工程實踐背景，并根據(jù)電力系統(tǒng)微機保護課程要求，利用該半實物仿真實驗平臺開展了一系列理論驗證型、綜合創(chuàng)新型的微機保護實驗，見表1。

表1 電力系統(tǒng)微機保護課程開展的實驗內容

3.2 實驗過程

基于半實物仿真的電力系統(tǒng)微機保護實驗教學是為了加深學生對微機保護原理的認識、激發(fā)學生的自主學習和創(chuàng)新意識、提升學生解決工程實際問題的能力，依次經過非實時離線仿真、實時仿真、半實物仿真3 個實驗階段，如圖4 所示，從理論到實際，從簡單到復雜，循序漸進。

圖4 3個實驗階段和目的

（1）基于Matlab ／ Simulink 的離線仿真實驗。在基本原理驗證階段，利用Matlab ／ Simulink 仿真軟件中的功能模塊搭建電網(wǎng)1 次系統(tǒng)和保護邏輯算法模型，進行電力系統(tǒng)運行狀態(tài)及故障分析、控制算法驗證等，過程簡便、快速，并且能模擬很多惡劣但現(xiàn)實的情況，彌補實際實驗的不足［15］。搭建仿真模型為后面的實時仿真實驗和半實物仿真實驗奠定基礎。

（2）基于實時仿真器的實時仿真實驗。由于離線仿真實驗的非實時性、仿真時間有限，不能真實、精確反映實際電力網(wǎng)絡中的情形。將電網(wǎng)1 次系統(tǒng)和控制算法仿真模型轉化、下載到實時仿真器上運行，能夠實現(xiàn)實時控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)、觀察系統(tǒng)運行信號變化的全過程。實時仿真實驗能夠快速評估和優(yōu)化微機保護控制方案，方便有效地驗證控制策略，有助于系統(tǒng)設計與集成，為接下來的半實物仿真實驗做準備。

（3）實時仿真器聯(lián)合嵌入式平臺的半實物實驗。非實時離線仿真實驗和實時仿真實驗只是針對微機保護原理的簡單驗證和控制算法的迅速改進，忽略了工程實際中硬件操作環(huán)節(jié)?；诎雽嵨锓抡娴奈C保護實驗能夠檢驗仿真控制模型中保護邏輯算法在實際控制中的作用，改善在實際控制中的不足，并可測試在各種故障甚至極端情況下嵌入式開發(fā)平臺的控制性能。半實物仿真實驗能契合微機保護設備的開發(fā)、調試、使用等環(huán)節(jié)，經過該實驗檢驗后的嵌入式開發(fā)平臺制作為工業(yè)產品，便成為實際電力系統(tǒng)微機保護裝置。因此，該模式完全模擬了產業(yè)生產中微機保護裝置。

本實驗平臺分階段培養(yǎng)了學生的理論、創(chuàng)新、實踐素養(yǎng)，使畢業(yè)生能以較強的綜合能力快速投入到工程實踐中，落實“以學生為中心”“成果為導向”和“持續(xù)改進”等工程教育理念［16］。

3.3 實驗教學案例分析

以35 kV配電線路為例在該實驗平臺上進行微機3 段式電流保護實驗，電力系統(tǒng)電路結構如圖5 所示。

圖5 電力系統(tǒng)電路結構

根據(jù)電力系統(tǒng)電路結構參數(shù)和微機保護原理，計算出3 段式電流保護的電流整定值和動作時限。利用Simulink中的模塊建立電網(wǎng)1 次系統(tǒng)和3 段式電流保護控制算法仿真模型，如圖6 所示。

將非實時離線仿真實驗中的仿真模型編譯后下載到實時仿真器中，進行實時仿真和控制算法優(yōu)化。然后進行半實物仿真實驗，將電網(wǎng)1 次系統(tǒng)模型轉化、下載到仿真器中，將優(yōu)化后的3 段式電流保護控制算法模型經代碼轉換并移植到嵌入式開發(fā)平臺中，在顯示屏上觀察系統(tǒng)實時運行狀態(tài)。

對A處保護，實時觀察正常運行情況下三相電流波形和保護動作情況，如圖7 所示。0． 2 s 時分別在AB線路的20%、AB 線路末端、相鄰線路BC 的85%處發(fā)生相間短路故障情況下，3 段式電流保護的I、II、III段電流保護作用控制下的三相電流波形和保護動作情況如圖8 ～10 所示。

圖6 Simulink仿真模型

圖7 正常情況下電流波形和保護動作情況

圖8 I段電流保護作用下電流波形和保護動作情況

由實驗結果可知：關于A處保護，I段電流保護能瞬間動作，II段電流保護延時0． 5 s后動作，相鄰點B處保護拒動的情況下A 處III 段電流保護延時1． 5 s后動作，則3 段式保護控制邏輯正確、能反映實際情況。

圖9 II段電流保護作用下電流波形和保護動作情況

圖10 III段電流保護作用下電流波形和保護動作情況

4 結 語

本文基于半實物仿真設計的電力系統(tǒng)微機保護實驗平臺，由于具有貼合工程實際的實驗項目、靈活多變的實驗形式、開放可拓展的軟硬件結構、有序高效的實驗過程，開展電力系統(tǒng)微機繼電保護實驗教學，配合理論教學環(huán)節(jié)，有利于學生對微機保護原理的理解、獨立思考和團隊協(xié)作意識的增強、創(chuàng)新和實踐能力的培養(yǎng)，是一種先進而有效的實踐教學方式。