继电器仿真
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表 1 继电器边界定义示例
Table 1 Example of relay modal definition
ID
1
2
特性
多边形
圆
区段
3
3
变量
DIM r, x;
DIM z,a,o;
LINE(0,0,0,15);
LINE(0,0,x,0);
边界
LINE(0,0,x,-7); LINE(0,r,0,-120);
定值名称
区号
默认值
2
2
1
r
1
132
接地电阻定值
255
1
2
2
1
x
1
133
接地 I 段电抗定值
255
2
2
2
2
r
1
132
接地电阻定值
255
1
2
2
2
x
1
134
接地 II 段电抗定值
255
3
2
2
3
r
1
132
接地电阻定值
255
1
2
2
3
x
1
135
接地 III 段电抗定值
255
5
2
2
-1
Kx
1
110
零序电抗补偿系数
此外，一个完整的继电器模型，还应包 括动作边界定义中的变量以及动作量定义 中的变量和对应装置的定值项之间的对应 关系，以便在运行时在线读取定值。 2.3 模型存储
根据前文描述的继电器模型中各要素 之间的关系和组织层次，模型的存储分三个 表进行，分别命名为 RlyTmpl、RlyDev、 VarMatch。其中，RlyTmpl 用来存储继电器 的动作边界定义和区段数，记录继电器 key、 继电器名称、继电器类别、继电器区段数、 边界变量描述、边界定义等信息；RlyDev 用来定义装置型号及其内部所包含的继电 器，以及每种继电器的动作量及其计算公 式，有型号 key，型号名称、所含继电器数 目、每种继电器对应的 key 及该继电器下的 动作量计算公式、公式变量等信息； VarMatch 用来存储继电器边界变量、动作变 量与定值的对应的关系，其字段定义有装置 型号 key、继电器 key、区段号Leabharlann Baidu变量名以 及与之对应的定值项，定值项的确定需 CPU 号、定值项 ID、定值名称、定值区号、默 认值等进行定位。
= 0)，其中 cFileDir 表示录波文件所在目录， pWaveData 表示录波数据，pMainFrm 表示 波形分析程序的主窗口。
此外，为了便于检查继电器模型的定义 是否正确、以及方便增加新的模型，我们还 开发了继电器模型维护程序。考虑到继电器 边界定义脚本的编译与图形绘制，以及根据 保护装置的定值对边界变量和动作变量进 行赋值等功能可以共用，各程序的组成和相 互关系如下表：
下面以 CSC101 下的接地继电器[6]为 例，给出了其接地距离继电器的定义，各数 据表的记录值，分别见表 2-1、表 2-2、表 2-3。
RlyId 2
表 2-1 RlyTmpl
Table2-1 A Record of RlyTmpl
名称
类别
区段
变量描述
接地距离
多边形
3
dim r,z;
动作边界 (同表 1)
显然上述关键字并不足以描述所有继 电器的动作边界，这点可根据实际需要扩充 新的关键字来满足需求，但已有的工作将不
受影响。 1.2 动作边界定义
为了在程序实现时能准确区分和绘制 不同特性的继电器，继电器模型动作边界的 定义除图形描述外，还包括 ID、特性、区 段、变量等。这里以多边形和圆特性距离继 电器[4]为例来说明如何通过前文描述的脚 本语言来定义继电器的动作边界（见表 1）。
0 引言
近年来，随着故障信息系统基本功能的 日臻完善和运行稳定性的提高，大量的故障 数据得以及时上传和存储，如何在这些数据 的基础上开展继电保护动作行为分析、仿真 以及动作过程的可视化回放等高级应用功 能受到了广泛关注。[1][2][3]
本文介绍了一种采用脚本描述实现的 继电器软件仿真模型，该模型的优点是继电 器边界、区段和动作量是通过脚本语言来描 述定义的，可根据不同的保护装置灵活变 化，从而避免了因边界特性或动作量计算的 不同而重新编写程序。本文还详细介绍了该 模型在故障信息系统中的应用及程序实现。 在脚本定义的继电器模型基础上，用户只需 针对某一具体保护设定其定值项和继电器 模型中各变量的对应关系，并根据保护装置 原理编辑其动作量计算公式，然后调取现场 保护装置的定值即可完成继电器定义的实 例化，读取录波数据后就能进行继电器动作 轨迹、区段时间图等动作过程的显示。保护 继电器的建模和使用非常简单，不易出错， 而且继电器模型和保护装置的定义都是独 立于程序的，极大地提高了软件的通用性和 灵活性。
1 继电器边界定义
1.1 脚本语言 为了实现继电器模型的定义可独立于
仿真程序，我们建立了用于描述继电器边界
特性的脚本语言，然后在脚本语言的基础上 开发了相应的解释程序。考虑常见的继电器 边界以直线、多边形、圆弧为主，所以绘图 的脚本关键字定义了 DIM、LINE、ARC、 CIRCLE 等，分别用来表示变量定义、直线、 圆弧和圆。下面是对常用的变量、直线和圆 弧定义等脚本关键字及语法的介绍：
3）ARC：用于定义圆弧。语法格式： ARC（坐标种类，圆心参数 1，圆心参数 2， 半径，起始角，终止角）或 ARC（坐标种 类，圆心参数 1，圆心参数 2，半径，起点 参数 1，起点参数 2，终点参数 1，终点参数 2）。各参数的意义可参照 LINE 的解释。
4）CIRCLE：用于定义阻抗圆。语法格 式：CIRCLE（整定值，灵敏角，偏移量）。 参数[整定值]表示阻抗幅值，[灵敏角]表示 阻抗灵敏角，[偏移量]表示阻抗圆的偏移量。
CIRCLE(z,a,o);
LINE(0,r,0,270);
LINE(0,0,0,165);
在表 1 的定义中，不同的保护区段会有 不同的变量值，该值需要从实际装置的定值 单中获取，然后赋值给对应的变量，从而通 过脚本解释程序来完成不同动作区段边界 的绘制和识别。这个过程是在针对某一个具 体的保护装置建立其继电器分析模型时动 态实现的。考虑只有一个区段时，图 1-1 和 图 1-2 即为表 1 中定义的继电器所对应的边 界特性。
1）DIM：用于定义变量。语法格式： DIM 变量名称。
2）LINE：用于定义直线。语法格式： LINE（坐标种类，起点参数 1，起点参数 2， 直线倾角）或 LINE（坐标种类，起点参数 1，起点参数 2，终点参数 1，终点参数 2）。 参数[坐标种类]的值为 0 时表示迪卡尔坐标 系统，为 1 表示极坐标系统。[起点参数]表 示直线起点，[终点参数]表示直线终点，根 据坐标的不同其值有不同的含义。[直线倾 角]指直线的角度，只用于极坐标系统。
表 2-2 RlyDev
Table2-2 A Record of RlyDev
PtId
名称
RlyId
公式变量
2
CSC101
1
DIM Kr,Kx,Ka
动作量公式 (见式 1-1)
表 2-3 VarMatch
Table2-3 Example of VarMatch
PtId RlyID 区段
变量 CPU 定值 ID
255
1
2
2
-1
Kr
1
111
零序电阻补偿系数
255
1
2
2
-1
R
1
112
全线路正序电抗值
255
1
2
2
-1
X
1
113
全线路正序电阻值
255
1
3 软件实现
3.1 程序架构 在前述继电器模型的基础上，结合故障
信息系统的数据平台，即保护装置台帐信 息、保护定值、故障录波文件等基础数据， 我们采用 VC++6.0 语言开发了相应的保护 动作分析软件。在设计实现时，继电器模型 的存储使用了 SQLserver 数据库。
的数学表达式，计算出该表达式的值即可得
到动作量在某个时刻的瞬时值。基于采样值
进行计算时，则相对要简单的多，直接用采
样值替换动作量公式中的通道名称即可。
下面是某型号保护的基于向量运算的
接地阻抗继电器的动作量定义实例：
Dim Kx , Ka, Kr
（1-1）
Za = Ua /(Ia + ((Kr × Ka +
采用脚本描述的继电器仿真模型及其软件实现
XXX1 ，XXX２，XXX3
（1．国华能源投资有限公司，北京 100007； 2．中国华能集团公司华东分公司，上海 200120；3．郑州供电局，河南 郑州 450006）
摘要：本文介绍了一种采用脚本描述的继电器仿真模型及其软件实现。该模型的优点是动作边界和动作量 的计算可根据保护装置的不同灵活定义，通过设定继电器模型的变量和保护装置定值项的对应关系，在线 读取现场保护装置的定值，自动完成继电器定义的实例化，使用灵活方便。仿真软件的开发主要考虑了其 在故障信息系统中的应用，实现了根据故障录波数据绘制继电器动作轨迹图等功能，有较强的实用性。 关键词：继电器 软件仿真 动作轨迹 故障信息系统
保护装置继电器边界的定义共同作为保护
装置对应继电器模型的一部分。故障回放
时，程序自动读取公式定义并解析该公式，
在故障录波文件的基础上计算装置的动作
量，结合继电器边界绘制程序实现的各类分
析图的绘制，可以有动作量轨迹图、区段时
间图等。
2.2 动作量定义 动作量的定义包含两部分，一是变量，
二是动作量的计算公式，其中变量是和保护
图 1-1 多边形特性 Figure 1-1 Outline of the polygon relay
图 2 继电器模型组织 Figure 2 Organization of relay modal
动作量和继电器区段特性等都是和特 定型号的保护紧密相连的，随着保护型号和
生产厂家的不同而不同。虽然相同类别的继
电器，例如阻抗继电器，所采用的动作量在
计算原理上基本是一致的，但每个具体型号
的保护装置所采用的保护原理、计算方法以
及实际的运行要求等还是存在一定的差别
的[5]，为了尽可能准确地再现故障过程，这
些差别是不能被忽略的，因此，需要有以录
波文件中模拟量通道和保护定值为变量的
定义动作量计算公式的功能，该公式定义和
定值相关的，而公式中包含所定义的变量。
对动作量定义公式进行解析计算时，可以是
基于向量值，也可以是基于采样值。基于向
量值时，需要首先计算录波通道中各时刻对
应的矢量值，通常取计算时刻之前一到两个
周波的采样数据。然后用录波通道的矢量值
去替换动作量公式定义中相应的通道名称，
将公式定义转化为基于实数且可直接计算
在实际应用时，继电器分析功能通常是 和故障录波文件紧密结合在一起的，可以作 为常规录波分析软件功能的一个扩充。考虑 到新功能的增加不应对已有成熟波形分析 软件构成影响，更不能重新开发，因此，继 电器分析功能适合采用动态库的形式进行 实现。基于以上考虑，我们开发了名为 RlyIns.dll 的程序来创建一个继电器实例对 象，并通过窗口消息来传递录波数据的标线 位置等信息，以使动作量当前位置和波形程 序的标线对应，从而实现继电器分析的显示 功能。该动态库由波形分析程序在运行中动 态加载，即使加载失败亦不影响波形分析程 序的其他功能。RlyIns.dll 向波形分析程序提 供的接口定义如下：RelayInsDisPlay(char* cFileDir, void* pWaveData, void* pMainFrm
Kx × j) /(Ka + j)) × 3Io)
Zb = Ub /(Ib + ((Kr × Ka +
（1-2）
Kx × j) /(Ka + j)) × 3Io)
Zc = Uc /(Ic + ((Kr × Ka +
Kx × j) /(Ka + j)) × 3Io)
上式中，Kx、Kr 分别是电抗和电阻的 零序补偿系数，Ka 是线路正序电阻与电抗 之比。
在解释脚本定义的继电器动作边界时， 我们默认顺时针方向为整个图形的正方向。
图 1-2 园特性
Figure 1-2 Outline of the circle relay
2 继电器模型组织
2.1 继电器模型组织 建立一个完整的继电器模型，除了定义
动作边界外，还必须确定动作量。所谓动作 量，指的是继电器启动或返回所依据的物理 量，该物理量随着继电器的不同而不同，常 常要依赖于保护装置内部的算法。例如阻抗 继电器的动作量为线路测量阻抗，电流差动 继电器的动作量则依赖于两侧或多侧的差 动电流。这样，在绘制动作边界和计算动作 量时，都有不确定的变量需要从保护装置定 值中读取。同时，一个保护装置内部，通常 有若干个继电器。考虑所有这些因素后，本 文在图 2 中描述了建立继电器模型所需各要 素之间的相互关系。通过图 2 可以看出，一 个继电器模型的定义，包含 6 个方面的内容： 所属装置型号、边界、边界变量、动作量计 算公式、计算动作量时所需的整定值以及各 变量和保护装置的对应关系。
Table 1 Example of relay modal definition
ID
1
2
特性
多边形
圆
区段
3
3
变量
DIM r, x;
DIM z,a,o;
LINE(0,0,0,15);
LINE(0,0,x,0);
边界
LINE(0,0,x,-7); LINE(0,r,0,-120);
定值名称
区号
默认值
2
2
1
r
1
132
接地电阻定值
255
1
2
2
1
x
1
133
接地 I 段电抗定值
255
2
2
2
2
r
1
132
接地电阻定值
255
1
2
2
2
x
1
134
接地 II 段电抗定值
255
3
2
2
3
r
1
132
接地电阻定值
255
1
2
2
3
x
1
135
接地 III 段电抗定值
255
5
2
2
-1
Kx
1
110
零序电抗补偿系数
此外，一个完整的继电器模型，还应包 括动作边界定义中的变量以及动作量定义 中的变量和对应装置的定值项之间的对应 关系，以便在运行时在线读取定值。 2.3 模型存储
根据前文描述的继电器模型中各要素 之间的关系和组织层次，模型的存储分三个 表进行，分别命名为 RlyTmpl、RlyDev、 VarMatch。其中，RlyTmpl 用来存储继电器 的动作边界定义和区段数，记录继电器 key、 继电器名称、继电器类别、继电器区段数、 边界变量描述、边界定义等信息；RlyDev 用来定义装置型号及其内部所包含的继电 器，以及每种继电器的动作量及其计算公 式，有型号 key，型号名称、所含继电器数 目、每种继电器对应的 key 及该继电器下的 动作量计算公式、公式变量等信息； VarMatch 用来存储继电器边界变量、动作变 量与定值的对应的关系，其字段定义有装置 型号 key、继电器 key、区段号Leabharlann Baidu变量名以 及与之对应的定值项，定值项的确定需 CPU 号、定值项 ID、定值名称、定值区号、默 认值等进行定位。
= 0)，其中 cFileDir 表示录波文件所在目录， pWaveData 表示录波数据，pMainFrm 表示 波形分析程序的主窗口。
此外，为了便于检查继电器模型的定义 是否正确、以及方便增加新的模型，我们还 开发了继电器模型维护程序。考虑到继电器 边界定义脚本的编译与图形绘制，以及根据 保护装置的定值对边界变量和动作变量进 行赋值等功能可以共用，各程序的组成和相 互关系如下表：
下面以 CSC101 下的接地继电器[6]为 例，给出了其接地距离继电器的定义，各数 据表的记录值，分别见表 2-1、表 2-2、表 2-3。
RlyId 2
表 2-1 RlyTmpl
Table2-1 A Record of RlyTmpl
名称
类别
区段
变量描述
接地距离
多边形
3
dim r,z;
动作边界 (同表 1)
显然上述关键字并不足以描述所有继 电器的动作边界，这点可根据实际需要扩充 新的关键字来满足需求，但已有的工作将不
受影响。 1.2 动作边界定义
为了在程序实现时能准确区分和绘制 不同特性的继电器，继电器模型动作边界的 定义除图形描述外，还包括 ID、特性、区 段、变量等。这里以多边形和圆特性距离继 电器[4]为例来说明如何通过前文描述的脚 本语言来定义继电器的动作边界（见表 1）。
0 引言
近年来，随着故障信息系统基本功能的 日臻完善和运行稳定性的提高，大量的故障 数据得以及时上传和存储，如何在这些数据 的基础上开展继电保护动作行为分析、仿真 以及动作过程的可视化回放等高级应用功 能受到了广泛关注。[1][2][3]
本文介绍了一种采用脚本描述实现的 继电器软件仿真模型，该模型的优点是继电 器边界、区段和动作量是通过脚本语言来描 述定义的，可根据不同的保护装置灵活变 化，从而避免了因边界特性或动作量计算的 不同而重新编写程序。本文还详细介绍了该 模型在故障信息系统中的应用及程序实现。 在脚本定义的继电器模型基础上，用户只需 针对某一具体保护设定其定值项和继电器 模型中各变量的对应关系，并根据保护装置 原理编辑其动作量计算公式，然后调取现场 保护装置的定值即可完成继电器定义的实 例化，读取录波数据后就能进行继电器动作 轨迹、区段时间图等动作过程的显示。保护 继电器的建模和使用非常简单，不易出错， 而且继电器模型和保护装置的定义都是独 立于程序的，极大地提高了软件的通用性和 灵活性。
1 继电器边界定义
1.1 脚本语言 为了实现继电器模型的定义可独立于
仿真程序，我们建立了用于描述继电器边界
特性的脚本语言，然后在脚本语言的基础上 开发了相应的解释程序。考虑常见的继电器 边界以直线、多边形、圆弧为主，所以绘图 的脚本关键字定义了 DIM、LINE、ARC、 CIRCLE 等，分别用来表示变量定义、直线、 圆弧和圆。下面是对常用的变量、直线和圆 弧定义等脚本关键字及语法的介绍：
3）ARC：用于定义圆弧。语法格式： ARC（坐标种类，圆心参数 1，圆心参数 2， 半径，起始角，终止角）或 ARC（坐标种 类，圆心参数 1，圆心参数 2，半径，起点 参数 1，起点参数 2，终点参数 1，终点参数 2）。各参数的意义可参照 LINE 的解释。
4）CIRCLE：用于定义阻抗圆。语法格 式：CIRCLE（整定值，灵敏角，偏移量）。 参数[整定值]表示阻抗幅值，[灵敏角]表示 阻抗灵敏角，[偏移量]表示阻抗圆的偏移量。
CIRCLE(z,a,o);
LINE(0,r,0,270);
LINE(0,0,0,165);
在表 1 的定义中，不同的保护区段会有 不同的变量值，该值需要从实际装置的定值 单中获取，然后赋值给对应的变量，从而通 过脚本解释程序来完成不同动作区段边界 的绘制和识别。这个过程是在针对某一个具 体的保护装置建立其继电器分析模型时动 态实现的。考虑只有一个区段时，图 1-1 和 图 1-2 即为表 1 中定义的继电器所对应的边 界特性。
1）DIM：用于定义变量。语法格式： DIM 变量名称。
2）LINE：用于定义直线。语法格式： LINE（坐标种类，起点参数 1，起点参数 2， 直线倾角）或 LINE（坐标种类，起点参数 1，起点参数 2，终点参数 1，终点参数 2）。 参数[坐标种类]的值为 0 时表示迪卡尔坐标 系统，为 1 表示极坐标系统。[起点参数]表 示直线起点，[终点参数]表示直线终点，根 据坐标的不同其值有不同的含义。[直线倾 角]指直线的角度，只用于极坐标系统。
表 2-2 RlyDev
Table2-2 A Record of RlyDev
PtId
名称
RlyId
公式变量
2
CSC101
1
DIM Kr,Kx,Ka
动作量公式 (见式 1-1)
表 2-3 VarMatch
Table2-3 Example of VarMatch
PtId RlyID 区段
变量 CPU 定值 ID
255
1
2
2
-1
Kr
1
111
零序电阻补偿系数
255
1
2
2
-1
R
1
112
全线路正序电抗值
255
1
2
2
-1
X
1
113
全线路正序电阻值
255
1
3 软件实现
3.1 程序架构 在前述继电器模型的基础上，结合故障
信息系统的数据平台，即保护装置台帐信 息、保护定值、故障录波文件等基础数据， 我们采用 VC++6.0 语言开发了相应的保护 动作分析软件。在设计实现时，继电器模型 的存储使用了 SQLserver 数据库。
的数学表达式，计算出该表达式的值即可得
到动作量在某个时刻的瞬时值。基于采样值
进行计算时，则相对要简单的多，直接用采
样值替换动作量公式中的通道名称即可。
下面是某型号保护的基于向量运算的
接地阻抗继电器的动作量定义实例：
Dim Kx , Ka, Kr
（1-1）
Za = Ua /(Ia + ((Kr × Ka +
采用脚本描述的继电器仿真模型及其软件实现
XXX1 ，XXX２，XXX3
（1．国华能源投资有限公司，北京 100007； 2．中国华能集团公司华东分公司，上海 200120；3．郑州供电局，河南 郑州 450006）
摘要：本文介绍了一种采用脚本描述的继电器仿真模型及其软件实现。该模型的优点是动作边界和动作量 的计算可根据保护装置的不同灵活定义，通过设定继电器模型的变量和保护装置定值项的对应关系，在线 读取现场保护装置的定值，自动完成继电器定义的实例化，使用灵活方便。仿真软件的开发主要考虑了其 在故障信息系统中的应用，实现了根据故障录波数据绘制继电器动作轨迹图等功能，有较强的实用性。 关键词：继电器 软件仿真 动作轨迹 故障信息系统
保护装置继电器边界的定义共同作为保护
装置对应继电器模型的一部分。故障回放
时，程序自动读取公式定义并解析该公式，
在故障录波文件的基础上计算装置的动作
量，结合继电器边界绘制程序实现的各类分
析图的绘制，可以有动作量轨迹图、区段时
间图等。
2.2 动作量定义 动作量的定义包含两部分，一是变量，
二是动作量的计算公式，其中变量是和保护
图 1-1 多边形特性 Figure 1-1 Outline of the polygon relay
图 2 继电器模型组织 Figure 2 Organization of relay modal
动作量和继电器区段特性等都是和特 定型号的保护紧密相连的，随着保护型号和
生产厂家的不同而不同。虽然相同类别的继
电器，例如阻抗继电器，所采用的动作量在
计算原理上基本是一致的，但每个具体型号
的保护装置所采用的保护原理、计算方法以
及实际的运行要求等还是存在一定的差别
的[5]，为了尽可能准确地再现故障过程，这
些差别是不能被忽略的，因此，需要有以录
波文件中模拟量通道和保护定值为变量的
定义动作量计算公式的功能，该公式定义和
定值相关的，而公式中包含所定义的变量。
对动作量定义公式进行解析计算时，可以是
基于向量值，也可以是基于采样值。基于向
量值时，需要首先计算录波通道中各时刻对
应的矢量值，通常取计算时刻之前一到两个
周波的采样数据。然后用录波通道的矢量值
去替换动作量公式定义中相应的通道名称，
将公式定义转化为基于实数且可直接计算
在实际应用时，继电器分析功能通常是 和故障录波文件紧密结合在一起的，可以作 为常规录波分析软件功能的一个扩充。考虑 到新功能的增加不应对已有成熟波形分析 软件构成影响，更不能重新开发，因此，继 电器分析功能适合采用动态库的形式进行 实现。基于以上考虑，我们开发了名为 RlyIns.dll 的程序来创建一个继电器实例对 象，并通过窗口消息来传递录波数据的标线 位置等信息，以使动作量当前位置和波形程 序的标线对应，从而实现继电器分析的显示 功能。该动态库由波形分析程序在运行中动 态加载，即使加载失败亦不影响波形分析程 序的其他功能。RlyIns.dll 向波形分析程序提 供的接口定义如下：RelayInsDisPlay(char* cFileDir, void* pWaveData, void* pMainFrm
Kx × j) /(Ka + j)) × 3Io)
Zb = Ub /(Ib + ((Kr × Ka +
（1-2）
Kx × j) /(Ka + j)) × 3Io)
Zc = Uc /(Ic + ((Kr × Ka +
Kx × j) /(Ka + j)) × 3Io)
上式中，Kx、Kr 分别是电抗和电阻的 零序补偿系数，Ka 是线路正序电阻与电抗 之比。
在解释脚本定义的继电器动作边界时， 我们默认顺时针方向为整个图形的正方向。
图 1-2 园特性
Figure 1-2 Outline of the circle relay
2 继电器模型组织
2.1 继电器模型组织 建立一个完整的继电器模型，除了定义
动作边界外，还必须确定动作量。所谓动作 量，指的是继电器启动或返回所依据的物理 量，该物理量随着继电器的不同而不同，常 常要依赖于保护装置内部的算法。例如阻抗 继电器的动作量为线路测量阻抗，电流差动 继电器的动作量则依赖于两侧或多侧的差 动电流。这样，在绘制动作边界和计算动作 量时，都有不确定的变量需要从保护装置定 值中读取。同时，一个保护装置内部，通常 有若干个继电器。考虑所有这些因素后，本 文在图 2 中描述了建立继电器模型所需各要 素之间的相互关系。通过图 2 可以看出，一 个继电器模型的定义，包含 6 个方面的内容： 所属装置型号、边界、边界变量、动作量计 算公式、计算动作量时所需的整定值以及各 变量和保护装置的对应关系。