一種用于實驗教學的線路保護實驗平臺設計

梁喆 李梅 鄭曉亮 邢麗坤

摘?要：針對現有微機保護實驗時采用固化的程序，使得微機保護算法的學習不直觀，設計了一種基于Simulink、DSP和模擬線路裝置的線路微機保護實驗平臺。利用Simulink建立了微機線路保護的仿真模型，利用代碼自動生成技術將仿真模型生成針對TI公司DSP的工程文件和C代碼，將編譯后代碼裝載到以TMS320LF28335為核心的DSP控制板中并和模擬線路裝置配合進行實驗。實驗結果表明，所開發的微機線路保護實驗平臺動作原理清晰，易于學生理解。

關鍵詞：電力系統;線路;微機保護;實驗平臺

繼電保護課程是電氣工程及其自動化專業的一門專業課，該課程理論內容比較抽象，且與工業現場結合緊密，學生在學習的過程中必須通過實驗手段加深理解。目前現有的繼電保護實驗裝置有的是采用電磁型繼電器構成，[1]有的是采用工業微機保護裝置配合信號發生器構成。[2]采用電磁型繼電器構成的繼電保護直觀，易理解;工業上使用的微機保護裝置主要依靠軟件來實現保護的整定和動作，使得其動作行為不透明，造成學生難以充分理解微機保護動作原理，增加了學習微機繼電保護課程的難度。[3]

許多學者提出了利用Matlab、DSP或可編程器件構成微機保護實驗裝置。[3]基于模型設計的方法在電機控制、嵌入式開發、汽車電子等領域己獲得廣泛應用。它利用Matlab作為平臺，能夠實現Simulink算法模型到C代碼的自動轉化。[4]

基于上述分析，本文設計了一種電力系統微機線路保護實驗平臺，該平臺采用Simulink軟件撘建線路仿真模型并采用S函數編程實現保護算法，然后轉換為DSP的工程文件，下載到DSP硬件平臺，和模擬線路裝置配合進行實際測試，通過此平臺，使學生了解微機繼電保護裝置的組成、軟件算法、運行時的數據變化以及動作的實現過程，培養了學生動手能力及解決問題的能力。

1 實驗平臺設計與結構

實驗平臺主要由三部分構成：計算機、DSP控制板、模擬線路裝置。如圖1 所示。圖1 中，計算機上裝有Matlab軟件;DSP控制板包括DSP芯片、電壓和電流采集調理電路、開關量輸出以及輸入電路;模擬線路裝置由自耦調壓器、電抗器和斷路器組成，可以人為設置短路故障。計算機通過USB接口和DSP的JTAG仿真器相連，電壓和電流互感器用來采集模擬線路的電壓、電流信息，開關量輸出用以控制模擬線路的斷路器的合閘和分閘。DSP用來完成數據采集和處理，選用TI公司的TMS320L28335芯片，采樣頻率可自主設定。

學生實驗的時候通過 Matlab的GUI 界面，可以進入不同類型的實驗項目，鏈接Simulink仿真環境并打開實驗項目的仿真模型，觀察模型的構成，通過在相應的子界面中設置和調整仿真參數，進行仿真試驗;仿真結束后，打開對應的帶有DSP模塊的仿真模型，通過Matlab提供的（Real Time Work shop，RTW）自動生成DSP工程文件代碼，并啟動DSP的調試軟件，編譯正確后生成DSP 可執行.out文件，下載進DSP芯片中，配合線路模型運行，驗證線路保護的原理。仿真平臺設有數字式繼電器實驗、微機保護實驗和創新實驗三類，每一類又包括不同的實驗項目，具體實驗設置明細見下表。

2 實驗平臺實現

2.1 GUI界面的設計

為了方便學生調試和驗證，基于Matlab/GUI建立了可視化用戶界面，用于在實驗過程中控制Simulink仿真，可以改變保護整定值，線路參數，并查看相應仿真結果。GUI界面分為主界面和子界面，主界面在進入實驗系統后就能見到，主界面按照表1設計，主要是各種類型的實驗項目選擇，見圖2所示。點擊每個實驗項目就可以進入相應的子界面，每個子界面內容可分為參數輸入、實驗原理說明、運行仿真和模型設計4大部分。圖3為點擊主界面中的電流繼電器特性實驗后出現的子界面。本文中的GUI界面通過Matlab圖形用戶界面開發環境GUIDE來實現。

每個選中的實驗項目都給出了簡要的原理說明，點擊“運行仿真”即可打開Simulink構成的模型界面并進行仿真，而點擊“退出”按鈕，則可以退出子界面，回到主界面。點擊“模型設計”則可進入到帶有DSP模塊的Simulink模型界面。

2.2 模型設計的實現

RTW是用來從Simulink模型生成包括C程序在內的完整CCS工程的工具。Math Works公司將C2000系列DSP 完整集成到Embedded Coder工具箱中，并且DSP 的底層驅動都被模塊化封裝。使用這些模塊，可以在Simulink中實現DSP硬件寄存器的初始化和操作。

生成C代碼之前，在Simulink環境下要先建立與目標板DSP28335相匹配的功能模塊模型，圖4為根據電流繼電器實驗仿真模型搭建的能夠產生實時代碼的控制模型，圖4中刪除了圖3仿真模型中的硬件部分，只保留全波傅氏算法等軟件部分，以及AD和作為定時器的PWM模塊。

（a）功能代碼模型主界面

（b）Function-call Subsystem 子模型

圖4 功能代碼模型

圖4中（b）為（a）圖中的Function-call Subsystem里面的內容，（b）圖中，ADC模塊用于采集線路電流，采樣通道為 AD0，采樣頻率為600 Hz;Iref模塊用于在DSP的內存空間里定義一個字節的存儲空間，存儲電流保護的整定值，Digital Output模塊用于輸出控制線路斷路器合閘和分閘的高、低電平。模型中的F28335eZdsp模塊不參與系統仿真，只用于代碼直接生成過程的一 些參數設置。

圖4（b）中的S-Function Builder模塊用于生成S函數，主要功能是實現全波傅氏算法，S-Function builder為用戶創建S-Function提供了一個便捷的圖形化環境，其使用的時候必須設置狀態變量及其初始值，并設置采樣時間;設置模塊I/O口及工作參數;設置外部函數庫;計算離散狀態更新;計算連續狀態導數;計算輸出信號。

根據文獻[5]可知，對于數據序列X的工頻基波，當N=12，即30o一個采樣點時，全波傅里葉算法中的正弦系數和余弦系數可以按下式求取：

對于式（1）～（3），本文采用S函數實現，在采用S-Function Builder模塊生成S函數的時候，輸入為采集的電流信號，輸出為電流的有效值信號，由于計算的時候需要N個采樣值，所以離散變量設置為12個，采樣時間設置為1/（12*50）。以C語言為載體寫入S-Function Builder中，執行編譯，編譯器即可自動生成相應的S函數。

代碼生成之前，可進行優化配置，目的是提高C代碼的執行效率。優化配置完成后，通過仿真器將電腦與DSP目標板連接，在圖4的代碼模型中，點擊Simulink界面的Build Model按鈕，Matlab會啟動CCS進行代碼生成，生成的工程文件在CCS中自動打開。

3 結語

本文應用Matlab/simulink設計開發出一套微機線路保護教學軟件和與其相配套的硬件裝置，教學軟件集原理說明、參數設置、仿真操作、波形顯示等為一體，同時可以直接和硬件相配合，生成相應的C語言代碼，并下載到配套的DSP里運行。本平臺將整個微機線路保護的過程都圖形化，使學生更容易理解微機保護的原理。教學實踐證明，開發的微機保護實驗平臺極大地提升了教學質量，有助于培養學生的動手力以及分析問題和解決問題的能力。

參考文獻：

[1]仉志華，康忠健，王艷松.電力系統線路保護綜合實驗平臺的開發[J].實驗室研究與探索，2009，28（5）：41-43.

[2]李秀琴，焦彥軍，梁旭.電力系統繼電保護通用試驗平臺設計[J].實驗室研究與探索，2011，30（6）：44-47.

[3]李清泉，馮知海，孫欽佩，等.基于Matlab+DSP的綜合型微機繼電保護實驗平臺設計[J].黑龍江電力，2017，639（3）：224-228.

[4]逢海萍，郭浩.基于模型設計的DSP電機控制代碼開發[J].微特電機，2017，45（3）：53-56.

[5]趙建文，付周興.電力系統微機保護[M].北京：機械工業出版社，2016.

作者簡介：梁喆（1975-），男，博士研究生，副教授，從事電氣工程等方面的教學和研究。