微機保護虛擬實驗的開發與應用

楊宏宇++田有文++趙靜翔

摘 要 以微機兩段式電流保護為例，詳細介紹利用LabVIEW開發出一套微機保護虛擬實驗教學平臺。實踐應用表明，微機保護虛擬實驗具有成本低廉、操作方便、方便升級、功能完善的優勢，實驗教學質量顯著提升。

關鍵詞 虛擬儀器；微機保護；實驗教學；LabVIEW

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）02-0043-03

1 引言

繼電保護在電力系統中占有重要的地位，是一個必不可少的環節。微機繼電保護幾乎完全取締了傳統繼電保護裝置，在電力系統保護方面已經占到主導位置。在微機保護教學中，為了使學生加深對所學理論知識的理解，培養學生的實踐能力、分析問題和解決問題能力以及科技創新能力，往往設置一些相關實驗。但微機保護裝置價格昂貴，維護費用也高，且實驗設備功能單一，致使一些院校放棄了微機保護實驗，從而影響了教學質量。

基于虛擬儀器的實驗教學系統是建立在軟件教學基礎上的。虛擬儀器技術利用高效靈活的軟件控制高性能的硬件，增強系統功能與靈活性。虛擬儀器具有交互性、數字化、模塊化、易于網絡化等明顯特點，適合于開發虛擬實驗系統，以滿足現代實驗教學要求。所以，許多高等院校開發了電氣工程類課程的虛擬仿真實驗，大大增強了實驗教學效果。本文探索將虛擬儀器技術用于微機保護的實驗教學中，利用LabVIEW開發平臺設計出一套低成本、高效率、方便升級的微機保護教學虛擬實驗，實現微機保護實驗可視化，在原理方面、工作過程方面以及使用方面能夠讓學生更直觀、更簡單地掌握微機保護理論，以創新實驗手段和方式，優化教學活動，提高實驗教學水平。

2 微機保護實驗的開發

本文利用虛擬儀器技術開發的微機保護實驗包括兩段式電流保護、三段式電流保護、方向性電流保護、零序電流保護、自動重合閘原理等。下面以兩段式電流保護為例，即無時限電流速斷保護（電流I段）、定時限過電流保護（電流Ⅲ段），說明應用虛擬儀器技術開發微機保護實驗的過程。

系統設計 利用LabVIEW設計時，會出現有兩個部分，一個部分為前面板，另一部分為程序框圖。前面板由輸入控件和顯示控件組成，輸入控件是指旋鈕、按鈕等輸入裝置。顯示控件是指指示燈等顯示裝置。輸入控件模擬儀器的輸入裝置，為VI的程序框圖提供數據。顯示控件模擬儀器的輸出裝置，用以顯示程序框圖獲取或生成的數據。在利用LabVIEW進行程序框圖設計時，會用到一些對象，它們主要來自五大子模板，即結構子模板、數值子模板、布爾子模板、比較子模板、定時子模板。

在兩段式電流保護中，整定電流是保護動作的重要根據。電流I段保護中動作電流是為保證選擇性，保護裝置的起動電流應按躲開下一條線路出口處短路時，通過保護的最大短路電流來整定。而電流Ⅲ段保護中動作電流是按躲開被保護線路的最大負荷電流，且在自起動電流下繼電器能可靠返回來整定。這兩個整定電流是變量，且是按特定需要來隨時進行改變的，所以在程序框圖設計中需要添加兩個轉換為輸入控件的數值常量，以便用戶可以隨時更改自己輸入的數據。

電流I段保護的動作時間較小，可認為是時間為零。而電流Ⅲ段保護中，由于保護范圍很大，為保證保護動作的選擇性，其保護動作延時應比下一條線路的電流Ⅲ段的動作時間長一個時限階段。在電流Ⅲ段保護中要有時間延遲，則需要設計延時，設計時會用到結構模板中的層疊式順序結構和定時模板中的時間延時，將兩個組合起來就可以實現延時的效果，并且延時的時間長短可以再根據自己需要更改。如圖1所示，延時程序框圖。

在本系統中，當線路未出現故障時，也就是線路正常運行時，則需要顯示出來；當線路出現故障時，電流I段保護和電流Ⅲ段保護也要運行、動作、保護，則也需要顯示出來。這就要用到布爾模板中轉換為顯示控件的布爾常量，在前面板上會顯示成指示燈，燈亮不亮對應于是否在工作。

本系統還設計了總電源開關，來顯示系統是否通電。

系統功能 本系統的人機界面設計以四方微機保護裝置為背景，分別設計了電源開關、指示燈、按鍵。指示燈顯示當前裝置的工作狀況，如同實際保護裝置一樣進行相應的顯示和指示，虛擬前面板上的按鍵可用鼠標點擊進行操作。

微機保護裝置的前面板見圖2：“開”為電源開關鍵；“電流”“I段整定”“Ⅲ段整定”為輸入數據鍵；“電源”表示電源開關的狀態；“正常”表示線路處于正常狀態；“I段”表示I段保護在工作；“Ⅲ段”表示Ⅲ段保護在工作。

當裝置正常工作時，“正常”燈亮，可以通過“電流”“I段整定”“Ⅲ段整定”鍵來輸入數據，其中“I段整定”“Ⅲ段整定”輸入的是保護所需要的整定電流取值。圖3為基于LabVIEW的設計原理圖。

對于微機兩段式電流保護實驗的操作過程，首先打開電源，然后輸入兩個通過收集和運算得到的電流整定值，分別輸入到“I段整定”“Ⅲ段整定”中，其中I段整定值要比Ⅲ段整定值大。如分別輸入“5”“3”，當“電流”值為1到3 A（大于0小于3 A）時，前面板中“正常”燈會亮；然而當“電流”值為4 A（大于等于3小于5 A）時，“Ⅲ段”燈會亮，并且延時0.5 s；當“電流”值為7 A（大于等于5 A）時，“I段”燈會迅速亮。最后，當不用時，可以直接關閉電源。

3 結束語

本文利用虛擬儀器技術實現了微機保護實驗，構建了外觀與實際裝置相同、功能也與實際裝置相同且功能更多樣的微機保護虛擬實驗平臺。此虛擬實驗實現了可視化功能，通過“圖形”方式展現出實際裝置，給人一種一目了然的感覺。而且能夠彌補傳統儀器的很多不足之處，又能夠發揮其在操作、使用、價格和功能等方面的優勢，學生僅從前面板上就可以完成整個微機保護裝置的工作過程。另外，虛擬儀器技術充分將硬件軟件化，減少了以前大部分硬件檢修費用和硬件更換費用，且本身費用也相對較低；微機保護軟件落后可以進行升級更新，如果需要新的功能，則可以把新的功能模塊調用到系統中，并且不受內存大小的影響，本身自動化、智能化程度也很高。

在實踐應用中，學生可以通過修改參數、不斷調試，反復實驗，對比分析，在實踐中深刻理解和掌握微機保護的知識，使理論學習和實踐緊密結合，學習過程更加生動形象，從而提升實驗教學質量，因此在其他高校中具有推廣應用價值。

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