基于LabVIEW的電力系統繼電保護實驗系統設計

南天琦，魯文芳

（1.山東理工大學，山東 淄博 255049；2.國網山東省電力公司濱州市沾化區供電公司，山東 濱州 256800）

基于LabVIEW的電力系統繼電保護實驗系統設計

南天琦1，魯文芳2

（1.山東理工大學，山東 淄博 255049；2.國網山東省電力公司濱州市沾化區供電公司，山東 濱州 256800）

基于LabVIEW技術的模擬仿真系統，設計了一系列電力系統故障時的繼電保護動作的建模實驗。對繼電保護各基本元件的特性進行模擬仿真，通過對元件特性動作原理的認知，完成了對時間繼電器、功率方向繼電器、差動繼電器、電壓電流繼電器等的元件特性實驗的模擬仿真，實現了對電力系統綜合線路故障時的部分繼電保護動作仿真實驗。

虛擬儀器；LabVIEW；繼電保護；電力系統

0 引言

由于繼電保護相關的實踐實驗大多會關聯在人身安全電壓等級以上的高壓、特高壓，對于學生、學員的實踐來說在這一方面缺乏安全性。因此，嘗試利用虛擬軟件技術來模擬真實的電力系統繼電保護過程，能夠解決這一問題。此外，在LabVIEW中有生產模擬信號和測量等功能，可以將抽象的電壓、電流等物理量通過示波器表現在波形圖中，從而可直觀地觀察這些抽象的物理量。

隨著自動化技術的發展，在電網中線路的正常運行、故障期間以及故障后的恢復過程中，許多可執行的控制操作日趨高度自動化。在掌握好繼電保護工作原理的基礎上，利用LabVIEW軟件編程，實現繼電保護元件的特性實驗和線路的綜合實驗功能，并將與實驗相關的理論內容（如實驗步驟、實驗原理等）整合于該系統內，實現該系統基礎實驗與綜合實驗的軟件化、網絡化、課程資源的共享化。

1 基于LabVIEW的繼電保護實驗系統設計

基于LabVIEW的繼電保護實驗平臺是一個具有信號采集與分析的多功能虛擬繼電保護實驗平臺。本實驗系統中，利用LabVIEW軟件編程，實現了繼電保護元件特性的模擬實驗功能，完成了對元件整定值檢測的實驗，并編程實現了部分繼電保護的綜合線路模擬故障操作實驗。

1.1 可視化編程語言的選擇

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench）是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言［1］。采用LabVIEW來實現電力系統繼電保護的實驗模擬，它提供很多外觀與傳統儀器類似的控件，如各種旋鈕、開關、表頭、示波器、萬用表、LED指示燈以及各種類型的圖表、波形圖等［2］。LabVIEW軟件的程序結構包括：順序結構、循環結構、事件結構以及條件結構等，其內部集成了大量的生成圖形界面的模板，可用來方便地創建用戶界面，并可使用圖標和連線，通過編程對前面板上的對象進行控制，LabVIEW使得過去繁瑣、枯燥的傳統軟件開發變得簡單、方便，如表1所示。

表1 虛擬儀器與傳統儀器的比較

LabVIEW具有豐富實用的信號處理、數值分析功能，如各種濾波器、信號發生器以及波形轉換等，大大方便和簡化了用戶的設計開發工作，特別是適用于復雜的編程設計，基于此，本系統采用了LabVIEW軟件來實現電力系統繼電保護實驗系統的設計。

1.2 軟件功能模塊的設計

電力系統發生故障后，工頻電氣量會有明顯的特征變化，而這些分量在正常運行時是不出現的，如電流的增大、電壓的降低、電流與電壓之間的相位角的改變以及不對稱短路時會出現相序分量等［4］。本實驗所模擬的繼電保護系統是由若干個不同功能的繼電器所組成的，每個繼電器都包括感受元件、比較元件和執行元件三個部分，這三部分分工順序合作，在滿足選擇性、速動性、靈敏性和可靠性四個基本要求的前提下最終完成由對控制量變化的測量到繼電器是否輸出動作的任務［5］。

電力系統的繼電保護根據被保護對象的不同，分為元件保護和線路保護，按作用不同又可分為主保護、后備保護和輔助保護，本模擬系統按元件特性實驗和線路保護實驗來分類設計。用LabVIEW軟件來模擬仿真電力系統故障時的繼電保護動作，一共分為兩大模塊，具體方案設計如圖1所示。第一模塊是對繼電器元件特性進行動作原理的模擬演示，本模塊中實現完成了對包括主繼電器（如電流、電壓和功率方向繼電器等）和輔助繼電器（如時間、中間和信號繼電器等）的模擬仿真實驗。第二模塊是對電力系統綜合線路的繼電保護動作進行模擬演示，在本模塊中編程實現了對電力系統中電流三段保護的模擬，包括電流速度保護、限時電流速斷保護以及定時限過電流保護的模擬實驗，此外，同時實現了方向性電流保護和零序電流I段保護等繼電保護的模擬實驗。

圖1 繼電保護模擬實驗的分解圖

2 繼電保護元件特性實驗設計

以實現時間繼電器的模擬實驗為例。時間繼電器的工作原理是當動作信號輸入（或去掉）后，其輸出電路要經過一個用戶預先設定的延時時間后才能發生動作變化，是用來接通或切斷較高電壓、較大電流的電路的電氣元件，一般在較低的電壓或較小電流的電路中使用。

2.1 時間繼電器仿真實驗設計

首先要熟知時間繼電器的工作原理及運用特性，然后利用LabVIEW前面板的功能模塊組建相應的可以實現時間繼電器特性功能的結構模塊，對其進行模擬仿真。

模塊一：時間繼電器的簡介。本實驗設計根據教學通用試驗臺采用DS-32型時間繼電器為模型，使學員快速了解時間繼電器的基本概念、使用要求等，如圖2所示。

圖2 時間繼電器簡介界面

圖3 時間繼電器特性原理圖

模塊二：時間繼電器特性原理圖的設計。使用動畫的形式將其工作原理表現得更清晰易懂 （如圖3）。在原理圖中學習者可以通過動手改變時間繼電器的設定值來觀察其延時動作效果，通過LabVIEW這樣的模擬實驗，不僅方便快捷的了解了真實線路中的時間繼電器功用及其特性，而且可以減少作業現場時間繼電器因為不斷重復演示操作而帶來的損耗。

模塊三：動作誤差計算的設計。基于時間繼電器的動作原理，考慮到現實線路中時間繼電器的工作狀態延時情況，本實驗加入了一項動作延時誤差計算，使模擬仿真更切實際，如圖4所示。

圖4 時間繼電器延時誤差計算模擬界面

2.2 繼電器接線動作設計

根據現實試驗臺中時間繼電器的操作實驗，用LabVIEW進行了時間繼電器（DS-32型）特性的模擬仿真實驗，如圖5所示。在時間繼電器特性的模擬仿真實驗過程中，設計了“時間延時動作”的前面板演示模塊，該面板顯示是可以隨著外界參數設置的變化而相應變化的，這項動態演示功能后面板編程卻很難與顯示界面的手動隨機設置參數值相配合，本編程考慮應用了移位寄存器與延時設定和指示相配合的方法，最終完成了延時計時的動態顯示效果，編程如圖6所示。

圖5 時間繼電器模擬接線實驗界面

圖6 時間繼電器延時動作編程界面

3 電力系統綜合線路繼電保護仿真實驗實現

繼電保護裝置在運行線路中必須具有能正確區分被保護元件是否處于正常運行狀態功能的一個整體保護裝置［6］。對于學習整體的電力系統繼電保護還需要對整體的線路網絡進行綜合的研究與分析，在能夠對基本的繼電器工作原理有熟練掌握之后，實驗設計了一系列基于電力系統綜合線路的繼電保護動作模擬實驗，以實現電流速斷保護的仿真實驗為例說明。

電流速斷保護是當線路中短路電流幅值增大而瞬時動作的電流保護。根據其工作原理，電流繼電器接于電流互感器TA的二次側，它動作后啟動中間繼電器，其觸點閉合后，經信號繼電器發出信號同時接通斷路器跳閘線圈。實驗設計流程圖如圖7所示。

圖7 電流速斷保護的模擬實驗流程

根據流程圖設計，用LabVIEW軟件使線路的電流速斷保護工作原理呈現動態模式，操作模擬系統能夠使學習者清晰的了解該保護整體運行的先后動作順序，使學習內容更加有趣。本實驗系統中模擬了電流速斷保護的動態單相原理接線實驗，如圖8，接線的動態程序設計如圖9所示。

圖8 電流速斷保護的單相原理接線界面

為了使學習便于理解，實驗還為此復雜回路設計了結構簡單的展開圖，程序如圖10所示。

圖9 電流速斷保護的單相原理接線編程界面

圖10 電流速斷保護的展開演示圖及其編程界面

首先學習者通過選項下拉欄對要模擬實驗線路的種類和電壓等級進行選擇，設定AB間和BC間的總距離，對電網線路進行執行初始化，如圖11所示；然后進行短路電路計算的測試實驗，選擇要實驗的短路區間，并在模擬的線路圖中通過拖動短路符號來設定短路點的位置進行短路測試，如圖12所示。

執行線路的初始化能夠得到整定計算結果，同時系統自動根據數據畫出短路電流特性曲線圖，如圖13所示，進行短路計算的后面板編程是通過輸入數據量與波形圖來實現完成的，如圖14所示。

圖11 電網線路初始化界面

圖12 短路電流計算測試的界面

圖13 整定計算結果及電流特性曲線界面圖

圖14 短路電流整定計算實驗的編程界面

在本實驗操作中，實現了將手動操作設定線路短路點與短路電流的計算值相一致的功能效果，能夠更形象地表現出現實中線路短路時的隨機性，在此過程中通過用滑動變量桿來改編為可改變短路點距離的線路，通過將輸入到滑桿里的數據轉化為DBL數據量，再進行后面板的計算，在此基礎上完成了對電流速斷保護的模擬仿真實驗。

4 繼電保護實驗系統功能測試

實驗系統設計采用模塊化的設計思想，把系統實驗軟件分為元件特性和綜合線路模擬兩大模塊，根據完成效果任務不同，實驗模塊又具體分為功能簡介、接線圖仿真、原理設計、操作動畫設計、數據采集儲存分析和圖像處理六個模塊。使用LabVIEW將這些模塊編制為子VI，使其在功能上保持相對獨立，根據測試任務的需要，學習者可將其組合在一個任務框架內組成一個完整的系統，也可根據后續功能擴展單獨調用各個子VI，減少了重復性編程工作，增強了實驗系統的擴展性和集成性。實驗系統軟件的功能與模塊組成如圖15所示。

圖15 實驗系統的模塊組成

打開實驗系統，在未經操作的情況下顯示實驗進入界面，點擊“進入”按鈕，后面板編程執行子程序的調用功能，進入下一頁分類實驗界面。在進行設置子VI程序調用時，必須注意子VI節點的設置，否則會在程序執行的過程中不能打開。選擇進入各個繼電器元件特性實驗的子模塊 （以功率方向繼電器特性實驗為例），操作界面如圖16所示。

返回到主界面，選擇進入電力系統綜合線路保護模擬實驗模塊，對線路的各個模擬故障保護實驗進行選擇（以電流速斷保護模擬實驗為例），進入操作界面如圖17所示。

5 結語

繼電保護實驗系統可以完成對電力系統繼電保護實驗的模擬仿真，建立了一個可通過計算機操作教學的繼電保護實驗平臺，能夠實現將抽象的電壓、電流等物理量由波形圖表現出來，同時仿真了電力系統線路中故障出現的不確定性，能夠實現對隨機數據進行處理分析并得出結果，從而使學習者可觀察物理量的直觀效果。仿真主要包括部分繼電保護元件特性的針對性研究，同時還設計實現了模擬真實線路故障時的繼電保護動作，系統結構簡單、動作安全且易操作，使學習者真正可以通過操作軟件就能理解室外高壓線路故障時的保護工作原理，提高學習效率，避免實踐中的安全隱患。

圖16 元件特性實驗操作界面

圖17 綜合線路的模擬保護實驗操作界面

［1］胡仁喜，高海賓.LabVIEW2010中文版虛擬儀器從入門到精通［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［2］王亞麗，黃勇堅.LabVIEW在電子線路實驗教學中的應用 ［J］.電子技術，2010，37（11）：69－70，63.

［3］陳金平.LabVIEW 與 Matlab接口的方法［J］.自動化儀表，2004，25（3）：53－54.

［4］韓應江，員瑩.基于AT89C55WD的微機繼電保護實驗裝置研制［J］.電力自動化設備，2007，27（6）：95－98.

［5］張保會，尹項根.電力系統繼電保護［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［6］陳權.電力網絡中的繼電保護系統設計與應用［J］.機電信息，2010，（36）：133，135.

Design of Experiment System for Relay Protection of Power System Based on LabVIEW

NAN Tianqi1，LUWenfang2
（1.Shandong University of Technology，Zibo 255049，China；2.State Grid Zhanhua Power Supply Company，Binzhou 256800，China）

Based on the simulation system of LabVIEW，a series of model experiments are designed for the relay protection action of power system.First of all，the properties of each basic component are simulated for the relay protection.Through the cognitive theory of element properties，the characteristic tests are simulated for time relays，power directional relay，differential relay，voltage relay and current relay.Therefore，the relay protection action experiments of power system are simulated when the line fault occurs.

virtual instrument；LabVIEW；relay protection；power system

TM771

：A

：1007－9904（2017）08－0039－06

2017－06－06

南天琦（1992），男，從事電力工程及其自動化專業研究。