基于C#實現的繼電保護實驗仿真平臺設計

大連交通大學自動化與電氣工程學院 張淏 李東輝

隨著我國電力工業飛速發展，繼電保護應用技術不斷完善，大學在繼電保護人才培養方面也需要技術創新。實訓教學是理論聯系實踐的直接形式，本文提出一種基于Visual Studio開發的繼電保護虛擬實驗平臺，本實驗平臺開發成本低、周期短，具有更友好的交互界面、完整的實驗流程、擬真的實驗控件和直觀的實驗效果。

電力系統穩定運行與國家生產生活息息相關，繼電保護技術是保證電網穩定運行重要技術手段。如果能在電力系統發生問題時快速準確地切除故障，就可為國家挽回大量經濟損失并避免造成嚴重的社會影響。因此，繼電保護對電力系統安全穩定的運行至關重要。

現在電力高校的繼電保護實驗中，通常采用硬件實驗裝置或電力系統仿真軟件為載體進行實驗。通用微機繼電保護實驗教學平臺，雖然有著硬件實驗裝置直觀易懂的優點，但實驗設備的功能僵化不易調節。而以 MATLAB與PSCAD等仿真軟件為主的實驗方法，如文獻[6]提出的以Simulink為基礎搭建的三段式電流保護實驗平臺和文獻[7]提出的通過PSCAD/EMTDC仿真技術設計的綜合實驗平臺等，雖然有著能夠自主調節參數，但對于初學者來說，需要花費時間行進相關軟件學習，但是本科電力系統課時緊張，因此這種方式也存在較大限制。

因此，相比于傳統的實驗教學模式，本文提出一種基于Visual Studio中的C#自定義控件開發的實驗平臺，本平臺還原真實繼電保護實驗平臺的實驗場景，讓同學們可以進行相關的實驗操作，熟悉掌握實驗原理、學習了解實驗內容。能夠很有效地把虛擬的場景有機地整合在一起，有效提高學生鉆研實驗的積極性。

1 繼電保護實驗相關控件設計方法

1.1 控件設計基礎

C#是微軟公司為Visual Studio推出的一種簡明且類型穩定的面向對象編輯語言，讓程序工作者在.NET Framework上編寫能夠穩定運行的應用程序。因其語言學習簡單使用方便、功能廣泛和其平臺靈活的可視化用戶界面設計，廣受開發者喜愛。憑借Windows窗體里面具有自行開發控件的環境條件和基礎結構，我們可以通過自定義控件設計研究我們研究所需的控件。

1.2 控件的屬性介紹

（1）指示燈。ButtonColor控制控件主體顏色以顯示指示燈的開關狀態；ButtonColorAround用于改變控件周邊顏色；指示燈在本次實驗中有兩個作用，Buttonls判斷是否作為button類型使用，ture表示按鈕，false表示指示燈，ButtonOn 用于表示按鈕是否被按下，ture表示按下，false表示未按下。

（2）分合閘開關。合閘開關屬于一個起到反饋作用的控件，在其他軟件作為判定的if語句生效后進行相應分合閘操作。BreakerOn用于控制分合閘狀態，ture表示合閘，false表示分閘；Breakertrip表示是否處于跳閘狀態，ture表示跳閘，false表示正常。

（3）電壓表、電流表。其主要屬性如表1所示：

表1 電壓表電流表屬性Tab.1 Properties of voltmeter and ammeter

2 三段式電流保護實驗原理

2.1 三段式電流保護實驗原理及接線圖

三段式電流保護的作用是通過不同的過流值，設定不同的延時動作時間，通過時限配合來保證選擇性，切除短路故障。為實現保護動作的選擇性，各保護動作的持續時間按梯形原理設定。通常電流值越大延時時間越短，I段電流保護的電流整定值是最大的，同時延時最短。II段的電流整定值比I段的小，比III段的大，II段保護的延時小于III段保護。如圖1所示是三段式電流保護的直流驅動元件在實驗中的連接流程圖。按照實驗接線圖連接，確認電路及各元件狀態良好后即可啟動電源開始實驗。

圖1 三段電流保護直流部分接線圖Fig.1 Wiring diagram of DC part of three-section current protection

2.2 實際實驗測試與整定

無時限電流速斷保護動作值按大于本線路末端點短路時流過保護的最大短路電流I來整定，即保護的一次動作電流為：

式中K——可靠系數，對電流速斷取1.2～1.3。

繼電器的動作電流為：

式中：K=1，電流互感器變比n采用1∶1。

帶時限電流速斷保護的一次動作電流為：

繼電器的動作電流為：

過電流保護的一次動作電流為：

式中K——可靠系數，取1.2；

Kq——自起動系數，取1.3；

K——返回系數，取0.85。

繼電器動作電流為：

經實際實驗室的測量，我們可以設定三段電流保護繼電器的整定值分別為：3A、2A、1A，對應的動作時限分別為0s、0.5s、1s。

3 三段式電流保護實驗平臺運行效果

3.1 三段式電流保護實驗界面設計

由于三段式電流保護所需要的連線較多，筆者對界面控件位置進行了調整，以使整體布局相對整潔美觀，如圖2所示。

圖2 實驗平臺布置圖（連線后）Fig.2 Layout of experimental platform (after connection)

其中1號電流繼電器（后稱3LJ），1號信號繼電器（3XJ）構成無延時電流速斷保護，電流繼電器整定值設置為3A；2號電流繼電器（2LJ），2號時間繼電器（2SJ）和2號信號繼電器（3XJ）構成帶時限電流速斷，電流繼電器整定值設置為2A，延時時間設置為0.5s；3號電流繼電器（3LJ），3號時間繼電器（3SJ）和3號信號繼電器（3SJ）構成定時限過電流保護，電流繼電器整定值設置為1A，延時時間設置為1s；電流表和電壓表對主線路電流進行監測。開關Q1、Q2分別用于切斷II、III段電流保護線路。

3.2 實驗運行步驟

在控件連線檢查無誤后即可開始虛擬三段式電流保護實驗，首先啟動電源開關，調節調壓器R1及滑動變阻器R2使主電路電壓達到20V，接著保持R1不變。緩慢調節滑動變阻器R2，觀察電流表示數，當電流超過III段電流保護整定值1A時，1LJ動作，常開開關閉合，1SJ啟動，延時1s后1XJ指示燈的紅燈亮起，斷路器QF跳閘，分閘指示燈亮起，如圖3所示。

圖3 定時限過電流保護（III段電流保護）動作狀態Fig.3 Action state of fixed-time overcurrent protection (section III current protection)

然后，按下復位按鈕將信號繼電器指示燈復位。打開開關Q1將III段電流保護短接。閉合電閘QF使電路再次通電，調節R2，當電流超過II段電流保護整定值2A時，2LJ動作，常開開關閉合，2SJ啟動，延時0.5s后2XJ指示燈的紅燈亮起，斷路器QF跳閘，分閘指示燈亮起，如圖4所示。

圖4 帶時限電流速斷（II段電流保護）動作狀態Fig.4 Action state of current quick break with time limit (section II current protection)

重復上述步驟可以驗證I段電流保護也可準確動作。最后驗證三段電流保護的動作選擇性，先將開關Q2閉合，調節R2，當電流達到3A時，閉合合閘開關斷電，此時斷開開關Q1，Q2，將II、III段繼電器接回電路，閉合電閘QF，此時可以觀察到，I 、II、III斷路器均動作，但1段為無延時速斷，優先動作，1XJ指示燈的紅燈亮起，斷路器QF跳閘，分閘指示燈由亮起，其他兩段繼電器狀態復歸，如圖5所示。

圖5 三段式電流保護的動作選擇性Fig.5 Action selectivity of three-stage current protection

3.3 實驗結果分析

經實驗測試，所設計實驗平臺可以實現電流電壓繼電器整定值設定和時間繼電器動作時限功能，并可準確、快速完成分合閘及信號指示燈動作，與其他控件配合完成三段式電流保護的基本功能從而驗證繼電保護三段式電流保護原理。

4 結論

本次設計通過對C#軟件中多種功能控件的開發和拓展應用，用控件構建了繼電保護實驗平臺，完成了實驗的諸多仿真功能。仍有希望可以在這一廣泛應用的功能基礎上對其他相關功能控件進行逐步拓寬和更新擴展，包括對整定值進行測算并進一步優化控件圖形，使其更接近于實際實驗室的元件等。