基于LabVIEW的繼電保護實驗系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：基于LabVIEW的繼電保護實驗平臺的開發(fā)將虛擬儀器技術(shù)與電力系統(tǒng)繼電保護相結(jié)合，以圖形化編程軟件LabVIEW為支撐，搭建具有信號采集與分析的多功能虛擬繼電保護實驗平臺，充分利用實驗室教學(xué)實驗裝置，突破硬件不足對實驗教學(xué)的限制，是目前高校實驗教學(xué)的迫切需要。同時該平臺可以豐富教學(xué)方式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和動手能力，對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維有很大的幫助。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器技術(shù)；LabVIEW；數(shù)字模擬平臺；繼電保護實驗

中圖分類號：G642.423 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）35-0150-02

電力系統(tǒng)繼電保護作為電氣工程專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其實驗課程對幫助學(xué)生理解繼電器的繼電特性和工作原理具有非常好的指導(dǎo)作用。雖然學(xué)校實驗室配有專業(yè)的繼電保護實驗裝置和相應(yīng)繼電器掛箱搭建起來的實驗平臺，但由于現(xiàn)有實驗設(shè)備的局限性，實際教學(xué)實驗中只能進行近似的模擬仿真，而且所搭建的平臺往往結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，僅可滿足一些演示性和驗證性實驗的要求[1]。另外，由于經(jīng)費等方面的限制，實驗設(shè)備不可能經(jīng)常的更新?lián)Q代，使得實驗教學(xué)往往落后于現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的前沿。

虛擬儀器作為當(dāng)前計算機技術(shù)與測試儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種全新的測量技術(shù)和手段，它利用計算機強大的圖形環(huán)境和運算功能，基于“軟件即是儀器”的思想，以軟件實現(xiàn)的方式模擬傳統(tǒng)儀器面板，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示功能[2-4]。虛擬儀器的“虛擬”主要有兩方面的含義：一是虛擬儀器的面板是虛擬的；二是虛擬儀器的測量功能是通過對圖形化軟件流程圖的編程來實現(xiàn)的。

目前應(yīng)用最廣泛的虛擬儀器開發(fā)平臺軟件主要有NI（National Instruments）公司的LabVIEW和Lab Windows/CVI等。這類軟件通過數(shù)據(jù)采集卡、GPIB卡等硬件模塊來實現(xiàn)虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實設(shè)備的信息交換，并提供了多種用于處理采樣數(shù)據(jù)的控件，以完成特定儀器功能的模擬[5-6]。虛擬儀器提供的工具幾乎能滿足所有模擬仿真的需要，而且任何一個用戶都可以方便靈活地用鼠標(biāo)或按鍵在計算機顯示屏幕上操作虛擬儀器軟面板的各種“旋鈕”進行測試工作，并可以根據(jù)不同的測試要求通過窗口來切換不同的虛擬儀器[7]。

經(jīng)過多年的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)具有豐富的內(nèi)涵，目前已有GPIB（General Purpose Interface Bus），DAQ（Data Acquisition），VXI（VME Extension for Instrument）和PXI（PCI Extension for Instrument）四種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，已廣泛應(yīng)用于電子測量、振動分析、故障診斷等諸多方面[8]。近年來，虛擬儀器技術(shù)逐步應(yīng)用于電力系統(tǒng)測量、電力系統(tǒng)監(jiān)控以及電力系統(tǒng)的仿真和教學(xué)中。

一、主要功能及原理介紹

電力系統(tǒng)由發(fā)電機、變壓器、電力線路及各種用電設(shè)備組成。各電氣元件及系統(tǒng)整體一般處于正常運行狀態(tài)，但也可能出現(xiàn)故障或異常運行狀態(tài)。為防止事故發(fā)生，電力系統(tǒng)繼電保護就是用來反映電氣設(shè)備發(fā)生的故障和異常運行情況，動作于斷路器跳閘或發(fā)出信號的一種有效的保護裝置。雙端電源網(wǎng)絡(luò)是典型的電力系統(tǒng)輸電線路結(jié)構(gòu)形式，在其間發(fā)生的相間故障以及所采取的保護功能是繼電保護課程理論學(xué)習(xí)和理解的基礎(chǔ)。但實驗室現(xiàn)有EPL-Ⅱ型繼電保護實驗裝置只能開展常規(guī)的繼電器動作特性實驗和單端電源結(jié)構(gòu)下的繼電保護實驗，無法模擬實際輸電系統(tǒng)中雙端電源、環(huán)網(wǎng)電源供電等復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，無法幫助學(xué)生正確理解基于方向閉鎖元件的三段式電流保護配置思想在雙端電源輸電線路上的應(yīng)用，是實驗環(huán)節(jié)中的一大不足。

將虛擬儀器技術(shù)與電氣工程類專業(yè)的繼電保護實驗相結(jié)合，同時考慮到現(xiàn)有模擬實驗平臺的局限性，開發(fā)了基于圖形化編程軟件LabVIEW的繼電保護虛擬實驗平臺。該平臺實現(xiàn)了電力系統(tǒng)故障特征的虛擬仿真和繼電保護動作過程的可視化，在此基礎(chǔ)上可以進一步開發(fā)和配置各種類型的繼電保護功能，具有很大的開發(fā)空間，同時也能很好的克服硬件（繼電器、線路結(jié)構(gòu)、測量儀表等）的制約，為鼓勵學(xué)生自主設(shè)計實驗方案搭建了良好的開放式平臺[9-10]。

1.構(gòu)成及原理

繼電保護虛擬實驗平臺的實現(xiàn)由兩部分來完成：

（1）基于EPL-Ⅱ型裝置的雙端電源輸電線路繼電保護實驗的改進設(shè)計。對實驗室現(xiàn)有實驗裝置的單端電源輻射式線路結(jié)構(gòu)進行改進，構(gòu)建了雙端電源輸電線結(jié)構(gòu)，設(shè)計了功率方向繼電保護實驗的改進方案，克服了實驗設(shè)備本身的缺陷和原實驗方法的不足，實現(xiàn)了功率方向保護“區(qū)內(nèi)故障動作、區(qū)外故障閉鎖”的基本要求，實驗步驟清晰、操作過程簡單、實驗現(xiàn)象直觀，取得良好的效果。

（2）基于LabVIEW和EPL-Ⅱ型繼電保護裝置的虛擬實驗平臺的開發(fā)。利用LabVIEW軟件模擬實現(xiàn)了典型繼電器（電流繼電器、電壓繼電器、相間功率方向繼電器、零序功率方向繼電器、各種特性的阻抗繼電器、比率制動特性的差動繼電器和重合閘繼電器等）的基本功能，并通過PCI總線和數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)了LabVIEW和繼電保護設(shè)備之間的通信，實現(xiàn)對線路的狀態(tài)監(jiān)測、故障判別并發(fā)出動作指令，進而控制斷路器動作實現(xiàn)繼電保護的功能。

EPL-II型實驗裝置和經(jīng)改造后的實驗平臺原理接線圖分別如圖1和圖2所示。

與系統(tǒng)硬件實驗平臺對應(yīng)，在上位機中采用虛擬儀器軟件LabVIEW模擬出如圖2所示的雙端電源輸電線路模型。

軟件設(shè)計中采用模塊化的設(shè)計方法，每個功能模塊實現(xiàn)相應(yīng)的功能，最后通過整合調(diào)用，實現(xiàn)系統(tǒng)整體設(shè)計。采用模塊結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是效率高，數(shù)據(jù)容易共享。由于模塊之間可以相互調(diào)用，因此可以非常靈活地組織模塊完成各種功能，達到較高的整體效率。如果需要對模塊中某一功能升級，只需改寫相應(yīng)的模塊，而不需要改動整個軟件結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要增加系統(tǒng)功能時也只需要增加相應(yīng)的軟件功能模塊即可。圖3為功率繼電器模塊，該模塊具有操作簡便、顯示直觀的特點，易于學(xué)生理解繼電器的動作特性和輸電線路保護的基本原理。

2.具體實現(xiàn)過程

上位機中的虛擬儀器平臺根據(jù)信號采集掛箱采集到的信息分析得出硬件實驗臺中電力系統(tǒng)故障在輸電線路中發(fā)生的位置，在虛擬儀器雙端電源輸電線路模型的相應(yīng)位置模擬相同類型故障，這樣就實現(xiàn)了雙端電源輸電線路在硬件實驗裝置和虛擬儀器軟件平臺中的對應(yīng)，所不同的是在虛擬儀器平臺中保護的配置和整定可根據(jù)輸電線路模型和預(yù)先設(shè)置的線路電阻、電抗等參數(shù)分析計算完成。

此外，還可以通過加裝PLC控制箱的方式將虛擬儀器平臺的繼電器模塊執(zhí)行結(jié)果反饋到硬件實驗裝置中，控制相應(yīng)的繼電器是否動作，實現(xiàn)繼電保護信息從硬件實驗裝置到上位機的虛擬儀器平臺再反饋回硬件的完整的循環(huán)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致如圖4所示。

二、實驗平臺在實際實驗中的應(yīng)用

多功能繼電保護虛擬實驗平臺搭建完成后，便可用于實現(xiàn)信號的采集與信號分析，并在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對單端電源輸電線路三段式電流保護、雙端電源輸電線路方向性電流保護和距離保護以及變壓器保護等進行仿真實驗。實驗結(jié)果表明該平臺具有以下功能：可實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的采集，數(shù)字濾波，信號分析和計算，以及數(shù)據(jù)的存儲和對歷史數(shù)據(jù)的復(fù)現(xiàn)，線路的零序保護、距離保護以及差動保護能夠迅速、可靠動作。圖5所示為虛擬儀器實驗平臺中單端電源輸電線路的三段式電流保護配合。

三、結(jié)束語

將虛擬儀器技術(shù)引入到高校實驗室的升級改造中，采用圖形化編程語言LabVIEW并充分利用學(xué)校實驗室原有的實驗裝置，開發(fā)了可用于電力系統(tǒng)繼電保護綜合實驗的數(shù)字模擬平臺。該平臺不僅能較好解決經(jīng)費投入難以完全保障、電力系統(tǒng)實驗設(shè)備昂貴等問題，還可以使學(xué)生獲得盡可能全面具體的實驗教育，而且很好的將學(xué)生學(xué)過的現(xiàn)代測試?yán)碚摗⑿畔㈦娮涌茖W(xué)、計算機開發(fā)及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)等相關(guān)知識系統(tǒng)結(jié)合起來，充實了實驗內(nèi)容，對學(xué)生綜合利用所學(xué)知識的能力培養(yǎng)大有好處，同時在繼電保護課程實驗中也取得了不錯的教學(xué)效果。

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（責(zé)任編輯：韓曉英）