用于变电站仿真培训系统的二次回路仿真方法

摘要

本发明公开一种用于变电站仿真培训系统的二次回路仿真方法，包括如下步骤：根据二次回路元件属性建立元件数学模型；采用广度优先搜索方式，对节点数组重新排序；采用深度优先搜索方式，形成回路单元；计算所有节点电压；接收变电站仿真培训系统的输入并处理；根据回路状态改变状况计算回路中节点电压。本发明根据回路接线的特点，以回路为单元进行拓扑简化，再分析回路主干电路的工作状态，最后反向回推到原始拓扑网络，实现整个二次回路电气网络的仿真分析。

说明书

技术领域

本发明涉及一种二次回路仿真方法，尤其涉及一种用于变电站仿 真培训系统的二次回路仿真方法，属于电力系统仿真技术领域。

背景技术

众所周知，电力系统的电气设备分为一次设备和二次设备。一次 设备是构成电力系统的主体，它是直接生产、输送和分配电能的设备， 包括发电机、电力变压器、断路器、隔离开关、电力母线、电力电缆 和输电线路等。二次设备是对一次设备进行控制、调节、保护和监测 的设备，它包括控制器具、继电保护和自动装置、测量仪表、信号器 具等。二次设备通过电压互感器和电流互感器与一次设备取得电气联 系。一次设备及其连接的回路称为一次回路。二次设备按照一定的规 则连接起来以实现某种技术要求的电气回路称为二次回路。该二次回 路包括发电厂和变电所一次设备的控制、调节、继电保护和自动装置、 测量和信号回路以及操作电源系统等。

随着电力系统规模的不断扩大，变电站一、二次系统日益复杂， 对变电运行、继电保护专业人员的理论索质和技能水平要求也越来越 高，同时对二次回路相关业务的培训也提出了更高的要求。由于电力 系统自身的特点，光靠理论分析往往难以得到全面的知识，必须与实 验研究相结合才能获得较全面的工作经验。电力系统的实验方法，可 以在实际电力系统上进行，也可以在电力系统仿真模型上进行。目前， 变电站仿真培训系统己成为国内变电运行专业人员的有效培训工具， 但其无法直接用于变电运行、继电保护专业人员二次回路技能水平的 培训。

在现有的二次回路仿真方法中，二次回路实时分析方法有很多， 主要归纳为两类：

一类是与分析电力系统一次网络类似，需要建立关联矩阵。这类 方法分析二次回路时需要做很多假设，通过简化回路来回避模型的非 线性问题。与电网一次网络相比较，二次回路也存在规模庞大、元件 特性复杂的情况，使得关联矩阵计算规模很大。

另一类是对开关网络进行抽象，用图论类分析方法分析回路元件 连通关系。这类方法在分析二次回路正常动作逻辑时很有效，但由于 该方法忽略了元件电阻，使其在回路发生接触不良、经过渡电阻接地 等故障时无法准确判断元件动作结果，也无法提供用于查找故障的测 量数据（节点电压），这对二次回路仿真而言是重大缺陷。

发明内容

针对现有技术所存在的不足，本发明所要解决的技术问题在于提 供一种用于变电站仿真培训系统的二次回路仿真方法。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种用于变电站仿真培训系统的二次回路仿真方法，包括以下步 骤：

根据二次回路元件属性建立元件数学模型；

采用广度优先搜索方式，对节点数组重新排序；

采用深度优先搜索方式，形成回路单元；

计算所有节点电压；

接收变电站仿真培训系统的输入并处理；

根据回路状态改变状况计算回路中节点电压。

其中较优地，所述根据二次回路元件属性建立元件数学模型的步 骤进一步包括：

根据二次回路元件的物理特性对二次回路元件分类；

根据二次回路元件的拓扑特性、电气特性、动作逻辑建立元件数 学模型。

其中较优地，所述对节点数组重新排序的步骤进一步包括：

对元件数组进行初始化；

读入下一个元件数据，在0到元件总数范围内判断是否有元件与 当前元件相连；

如果所述元件与新元件相连，则将所述新的元件组存入到下一个 元件数组中，原有的下一个元件数组后移，同时将元件总数加1，再 读入下一个元件重复上述步骤；

如果该元件没有与新的元件相连，则将该元件存入元件数组中， 同时将元件总数加1，再读入下一个元件数据重复上述步骤；

按照上述步骤依次循环，直至遍历所有的元件为止。

其中较优地，所述采用深度优先搜索方式的步骤进一步包括：

先搜索出所有主回路，然后搜索全部支路，形成回路单元。

其中较优地，所述搜索出所有主回路的步骤进一步包括：

首先初始化回路支路元件信息数组，从正母线开始搜索；

判断是否有元件相连，如果没有元件数组相连，则搜索结束；

如果有，则存入临时回路，继续判断元件数组另一端是否为负母 线，此时回路支路总数加1；

如果另一端是负母线，则将临时回路存入回路支路元件信息数组， 并标记所述回路支路元件信息数组的所有元件已搜索过，继续从正母 线开始搜索；

如果另一端不是负母线，则判断另一端是否已经在回路中，将回 路支路总数加1；

如果另一端在回路中，将临时回路存入回路支路元件信息数组， 并标记回路支路元件信息数组的所有元件已搜索过，继续从正母线开 始搜索；

如果另一端不在回路中，则判断是否还有元件数组相连，继续搜 索直至搜索完毕。

其中较优地，所述搜索全部支路的步骤进一步包括：

步骤1:遍历搜索到的回路和支路，在0到元件数组最大值范围内， 判断节点所连接元件是否都已被搜索过；

步骤2:如果所述节点所连接元件没有搜索过，继续判断所述节点 所连元件是否有未搜索过的元件；

步骤3:如果所述节点所连元件没有未搜索过的元件，则返回；

步骤4:如果所述节点所连元件有未搜索过的元件，则将所述节点 所连元件存入临时回路，从当前元件搜索，直至已经读入回路的节点 或悬空节点；

步骤5:如果最后一个节点悬空，且未清空临时回路，返回步骤2；

步骤6:如果最后节点不是悬空节点，将临时回路存入回路支路元 件信息数组，标记该回路支路元件信息数组中所有元件已搜索过，返 回步骤2。

其中较优地，所述计算所有节点电压的步骤进一步包括：

简化处理串联的短路元件和并联的短路元件；

计算无分支的回路节点电压，回推计算全局节点电压。

其中较优地，简化处理串联的短路元件的步骤进一步包括：

在0到元件数组最大值范围内，依次判断元件数组当前状态是否 为短接且无分支状态；

如果是，则合并开关数组两端节点，继续简化其他串联的短路元 件；

如果不是，则直接返回继续简化其他串联的短路元件，直至所有 串联的短路元件都简化处理完毕。

其中较优地，简化处理并联的短路元件的步骤进一步包括：

在0到元件数组最大值范围内，依次判断该节点是否有分支；

如果没有分支，则返回简化其他并联的短路元件；

如果有分支，则遍历该节点开始的所有支路，并且判断支路状态 是否为连通且设置当前元件电阻值为0；

如果不满足上述条件，则返回简化其他并联的短路元件；

如果满足上述条件，则合并支路头尾节点后返回简化其他并联的 短路元件。

其中较优地，所述回推计算全局节点电压的步骤进一步包括：

计算无分支的回路节点电压；

计算当前元件电阻值不为0的并联支路节点电压；

从已经算出电压的节点出发，搜索与之短接的节点，赋予电压值；

搜索开断支路和回路节点，赋予电压值；

对剩下的节点置孤立节点标志。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：二次回路电流、 关键点电压直接采用欧姆定律快速准确地计算，根据节点电压计算数 据能更准确地分析、判断二次回路的动作情况，不存在大规模矩阵计 算，使得计算量大大降低，可为查找故障提供测量数据。

附图说明

图1是本发明所提供的二次回路仿真方法的整体流程示意图；

图2是端子i的数学模型示例图；

图3是二次回路电路节点重新排序的示意图；

图4是广度优先搜索，节点重新排序的示意图；

图5是广度优先搜索的流程示意图；

图6是二次回路电路节点形成回路单元的示意图；

图7是深度优先搜索，从正母线开始搜索回路的流程示意图；

图8是深度优先搜索，搜索并联支路的流程示意图；

图9是简化前的二次回路电路图；

图10是简化开路后的二次回路电路图；

图11是简化串联元件后的二次回路电路图；

图12是简化并联元件后的二次回路电路图；

图13是简化处理串联短路元件的流程示意图；

图14是简化处理并联短路元件的流程示意图；

图15是回推全局节点电压的流程示意图；

图16是设置虚拟元件实现故障模拟的二次回路电路图；

图17是重新计算状态改变的回路节点电压的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供一种用于变电站仿真培训系统的二次回 路仿真方法，包括如下步骤：根据二次回路元件属性建立元件数学模 型；采用广度优先搜索方式，对节点数组重新排序；采用深度优先搜 索方式，形成回路单元；计算所有节点电压；接收变电站仿真培训系 统的输入并处理；根据回路状态改变状况计算回路中节点电压。下面 对本二次回路仿真方法的具体操作步骤展开详细的说明。

首先，介绍根据二次回路元件属性建立元件数学模型的步骤。

在本发明中，根据二次回路元件的物理特性将二次回路元件分类。 二次回路元件分为导线、端子、触点、继电器、切换开关、电阻六类。 根据二次回路元件的拓扑特性、电气特性、动作逻辑建立元件数学模 型。

如图2所示，下面以端子为优选例，对建立元件数学模型的步骤 详细说明。端子属于双端元件，因此端子的拓扑属性可以用两端节点、 分合状态来定义。例如，正常时，端子电阻为0可忽略不计；但有接 触不良等异常时，可能存在过渡电阻，需要增加电阻属性。由于端子 属于手动操作元件，自身无动作逻辑。除此之外，根据变电站仿真培 训系统的需要，需增加元件颜色、初始分合状态、当前元件异常类型 等其他属性。建立端子元件的数学模型如表1所示：

表1端子元件的数学模型

大多数二次回路元件为双端元件，例如二次回路中的双位置继电 器、切换开关等元件也可以分解为n个双端元件。因此，为方便拓扑 搜索，在拓扑搜索时忽略元件类型、电气属性等，将所有元件抽象为 开关元件存放于元件数组（cb）中。该元件数组只记录元件拓扑特性， 例如元件的首末节点。此外，定义节点数组（nd），节点数组记录广度 优先搜索的排序结果以及回路分析计算出的节点电压。

如图2所示，每个元件与元件数组、节点数组之间为一一对应的 关系。端子i、元件j、节点k、节点n都是数组的形式对应。其中端 子i数组，包括端子名称id、首端节点nd、末端节点znd、元件序号 i_cb、首端节点序号i_nd、末端节点序号i_znd；元件j数组包括元 件名称id、首端节点nd、末端节点znd、首端节点序号i_nd、末端节 点序号i_znd；节点k数组包括节点名称id、节点所接首个元件序号 p_cb1、节点电压。

其次，介绍采用广度优先搜索方式，对节点数组重新排序的步骤。

广度优先搜索方式简单讲就是从根节点至末端节点，一级一级地 分层遍历。在本发明中，从正母线出发搜索到负母线为止。下面以如 图3所示的典型二次回路为例对广度优先搜索方式展开说明。

如图3、图4所示，从正母线开始，到负母线结束。将正母线标 记为节点0，与正母线相联的导线有两条，第一条导线的断点处标记 为节点1，第二条导线与正母线连接，同为节点0；然后经过两个元件 继电器和二极管，继电器后的节点标记为节点2，二极管后的节点标 记为节点3；从节点2出发经过电阻元件到达负母线，则将负母线标 记为节点4；从节点3出发经过电阻后的节点标记为节点5；从节点5 出发经过继电器元件与电容元件，则将继电器后的节点标记为节点6， 电容后的节点标记为节点7；从节点6出发经过电阻元件到达负母线 节点4，从节点7出发经过电阻后的节点标记为节点8，又经过元件后 到负母线节点4；广度优先搜索完成。

如图5所示，首先对元件数组进行初始化，此时元件总数（lv_cb） 为0。读入下一个元件数据，在0到元件总数范围内判断是否有元件 数组与该元件数组相连。如果该元件数组与新的元件数组相连，则将 该新的元件数组存入到下一个元件数组（cb[i+1]）中，原有的下一个 元件数组（cb[i+1]）后移，同时将元件总数加1（Lv_cb++）。再读入 下一个元件数组循环。如果在0到元件总数范围内没有元件数组与该 元件数组相连，则将该元件数组存入以元件总数为元件名称的元件数 组（cb[lv_cb]）中，同时将元件总数加1（Lv_cb++），再读入下一个 元件数据循环。按照上述方法依次循环，直至遍历完所有的元件数组 为止。

再次，介绍采用深度优先搜索方式，形成回路单元。

深度优先搜索方式是按照一定的方向，先搜索出所有主回路（即 从正母线到负母线只有一条线路，没有支路），然后在剩下未搜索部分 的元件中梳理出全部支路（头尾节点至少有一个不在小母线上），所有 回路和支路搜索结果存在回路支路元件信息数组（loop）内。搜索出 所有主回路时，对于直流回路，从正母线到负母线；交流回路，从分 相电源点到中性点。本发明中以直流回路为优选例，交流回路计算方 法类似。采用深度优先搜索方式搜索时，只需要判断两节点的连接关 系，不需要判断元件分合状态。

下面以如图3所示的典型二次回路为例对用深度优先搜索方式， 形成回路单元的步骤详细说明。如图6所示，节点0、节点2与节点4 经过的回路为第一轮搜索主回路；节点0、节点3、节点5、节点6与 节点4经过的部分，和节点5、节点7、节点8与节点4经过的部分， 这两部分为第二轮搜索并联支路，此时回路支路元件信息数组上限为 2，回路支路总数（lv_loop）上限为3。经过两轮搜索，剩下的支路、 节点不参与回路计算，只需在计算完回路电流、电压后，通过拓扑搜 索判断剩下的节点跟有电节点的连通状态即可。对图6所示的典型二 次回路深度优先搜索时，两轮搜索的深度优先搜索程序流程如图6、 图7所示。

第一轮搜索如图7所示，首先初始化回路支路元件信息数组，此 时回路支路总数为0。从正母线节点出发，判断是否有元件数组相连， 如果没有元件数组相连，则搜索结束；如果有，则存入临时回路，继 续判断元件数组另一端是否为负母线，此时回路支路总数加1 （lv_loop++）；如果另一端是负母线，则将临时回路存入回路支路元 件信息数组（loop[lv_loop]），并标记该回路支路元件信息数组的所 有元件已搜索过，继续从正母线出发；如果另一端不是负母线，则判 断另一端是否已经在回路中，需将回路支路总数加1（lv_loop++）， 如果另一端在回路中，将临时回路存入回路支路元件信息数组 (loop[lv_loop])，并标记回路支路元件信息数组的所有元件已搜索 过，继续从正母线出发；如果不在回路中，则判断是否还有元件数组 相连，继续下面的判断。

第二轮搜索如图8所示，遍历第一轮搜索到的回路和支路，在0 到元件数组最大值范围内，判断该节点数组所连接元件数组是否都已 被搜索过；如果没有搜索过，继续判断该节点数组所连元件数组是否 还有未搜索过的元件数组；如果没有未搜索过的元件数组，则返回； 如果有未搜索过的元件数组，则存入临时回路，从该元件数组搜索下 去，直至搜索到已经读入回路的节点或悬空节点；如果最后一个节点 悬空，且未清空临时回路，返回判断是否该节点数组所连元件数组还 有未搜索过的元件数组；如果最后节点不是悬空节点，将临时回路存 入回路支路元件信息数组（loop[lv_loop]），标记该回路支路元件信 息数组（loop）所有元件已搜索过，返回判断是否该节点数组所连元 件数组是否还有未搜索过的元件数组。元件信息数组存放所有回路和 支路所包含的元件信息，每一个回路支路元件信息数组为一个不定长 数组，按从正母线到负母线方向顺序存放该回路上所有元件的编号。

再次，介绍计算所有节点电压的步骤。

完成拓扑搜索、排序后，进行一次全局计算，计算所有节点电压。 考虑到二次回路的特殊性，它多数是并联于两电源母线之间，互相并 不影响，完全可以分解为各个独立回路进行计算。而且二次回路元件 大多为开关元件（即只具有分合两种状态，电阻可忽略不计），因此在 合并并联支路和串联支路后，回路最终大多可简化为一个电阻。而回 路开断状态下，则可通过拓扑连通搜索即可确定节点电压。在上述拓 扑分析的基础上，结合元件的分合状态，判断所有回路的连通状态。 如果支路呈断开状态，则不进行合并处理。如图9所示，R₆支路开路， 则不参与合并计算。如图10所示，如果支路呈连通状态，则将其合并 到主回路。R₄、R₅串联，合并简化为如图11所示的R₇。R₇与R₂并联， 合并后得R₈，最后简化为一个如图12所示的没有分支的回路，采用欧 姆定律可以直接根据两端母线电压计算关键节点电压V₁、V₂；根据主 回路关键节点的电压再反向回推，可计算出合并到主回路的所有支路 的节点电压。下面以图10所示电路为例说明计算支路节点电压的方 法，根据节点电压V₁、V₂可计算出节点电压V₃，计算公式为

V₃=V₁-(V₁–V₂)×R₄/(R₄+R₅)。

将变电站二次回路简化成简单的单一有向回路并计算所有节点电压 的步骤的方法如图13至图15所示。

第1步，简化处理串联的短路元件。如图13所示，在0到元件数组 最大值范围内，依次判断元件数组当前状态是否为短接且无分支状态， 如果是，则合并元件数组两端节点，继续简化其他串联的短路元件；如 果不是，则直接返回继续简化其他串联的短路元件，直至所有串联的短 路元件都简化处理完毕。

第2步，简化处理并联的短路元件。如图14所示，在0到元件数组 最大值范围内，依次判断该节点是否有分支；如果没有分支，则返回简 化其他并联的短路元件；如果有分支，则遍历该节点开始的所有支路， 并且判断支路状态是否为连通且设置当前元件电阻值为0（r=0）；如果不 满足条件，则返回简化其他并联的短路元件；如果满足条件，则合并支 路头尾节点后返回简化其他并联的短路元件。

第3步，回推节点电压。如图15所示，计算简化无分支的回路节点 电压；计算当前元件电阻值不为0（r≠0）的并联支路节点电压；从已经 算出电压的节点出发，搜索与之短接的节点，赋予电压值；搜索开断支 路和回路节点，赋予电压值；对剩下的节点置孤立节点标志。

再次，介绍接收变电站仿真培训系统的输入并处理的步骤。

变电站仿真培训系统运行之后，实时接收变电站一二次设备操作 和认为设置的缺陷，由此导致二次回路元件发生状态变化后，系统只 计算该元件所在支路或回路电流、电压。考虑到继电器动作逻辑，此 计算过程可能按二次回路动作顺序循环多次，直至回路中再没有元件 发生状态改变。变电站仿真培训系统接收变电站一二次设备操作信息， 处理后改变二次回路元件的状态；二次回路仿真软件实时扫描数据库， 检测二次回路元件状态。缺陷仿真，将二次回路元件异常分为短路、开 路、接地和阻值变化四类，通过在回路支路元件信息数组（loop）中增 加虚拟元件（短路导线、接地导线、电阻等）或修改元件状态来实现故 障状态的模拟。

如图16所示，设置缺陷，端子1经过渡电阻接地：在端子1接地端 与地之间加一个虚拟电阻元件，只在计算用的回路支路元件信息数组中 添加，并标记为虚拟元件，并不影响原始二次回路的拓扑结构，可实现 模拟端子1经过渡电阻接地的故障，。

最后，根据回路状态改变状况计算回路中节点电压。

按二次回路动作顺序，循环多次计算包含状态变化元件的支路或回 路的节点电压。如图17所示，元件状态更新，如果检测到元件更新（例 如，动作或元件异常），修改合并后回路元件信息数组（loop1），变位元 件所在回路重新计算，判断继电器是否动作或复归，如果没有变化则结 束计算；如果发生变化，则返回，如此循环计算回路中节点电压。

综上所述，本发明将二次回路分析计算转化为二次回路拓扑分析 及等效简化，经简化后直接利用欧姆定律计算关键节点电压，然后根 据回路拓扑关系及元件电气特性推算全网节点，不存在大规模矩阵计 算，可以快速准确的实现二次回路节点电压计算。本发明根据节点电 压计算数据能更准确地分析、判断二次回路元件的动作结果。

上面对本发明所提供的用于变电站仿真培训系统的二次回路仿真 方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本 发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对 本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。