王思華

(蘭州交通大學自動化學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

虛擬儀器改變了傳統(tǒng)儀器的概念、模式和結(jié)構(gòu)，使用者完全可以自己定義儀器的功能和參數(shù)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在經(jīng)濟性、靈活性和可擴展性等方面都具有獨特的優(yōu)勢。實驗室虛擬儀器工作平臺(laboratory virtual instrument engineering workbench，Lab-VIEW)是一種圖形化的編程語言，簡稱G語言[1]。它是目前應用范圍較廣、功能較為強大的虛擬儀器開發(fā)平臺[2]。將虛擬儀器應用于實驗室教學，使實驗教學的設計更加靈活生動，從而減少對硬件儀器的依靠，彌補了傳統(tǒng)實驗室教學的不足，降低了實驗室的建設與管理成本，同時對實現(xiàn)遠程實驗教學也具有重大意義。

變壓器的差動保護是變壓器保護的一個核心單元，目前變壓器的差動保護一般采用二次諧波制動的微機保護裝置[3]。為了能夠讓學生充分理解二次諧波制動差動保護的原理，就必須通過相關(guān)實驗設備來驗證。但目前的實驗裝置一般是微機化裝置，通過實驗不能直觀顯示其內(nèi)部處理過程，僅僅是給出實驗結(jié)果，不便于學生理解整個差動保護原理。本文結(jié)合變壓器差動保護研究，采用LabVIEW編程設計，實現(xiàn)基于虛擬儀器的仿真實驗教學系統(tǒng)。

1 變壓器差動保護的原理

差動保護是變壓器的主要保護。變壓器差動保護的保護范圍是變壓器兩側(cè)電流互感器安裝地點之間的區(qū)域，以保護變壓器內(nèi)部及兩側(cè)套管和引出線上的相間短路故障。其基本原理與其他差動保護相同，但是由于變壓器空載合閘時，將會在電源側(cè)出現(xiàn)數(shù)值較大的電流，即勵磁涌流。勵磁涌流的存在，即使在保護范圍內(nèi)沒有故障時，也會造成一個較大的不平衡電流流過繼電保護裝置，如果變壓器保護門坎值低，將會造成變壓器保護的誤動。因此，要提高整個差動保護的可靠性和靈敏度，就必須設法減小和避免不平衡電流[3－4]。

傳統(tǒng)的差動保護是利用速飽和變流裝置以及相關(guān)平衡繞組來躲過不平衡電流的。這對目前采用的微機變壓器保護是不現(xiàn)實的。因此，必須采用其他原理來糾正不平衡電流的影響。目前，可以實現(xiàn)變壓器微機差動保護原理有多種方式，從性價比來講，二次諧波制動的比率差動保護是應用最多的變壓器差動保護，其動作特性如圖1所示[5]。

圖1 比率差動保護動作特性Fig.1 Percentage differential protection features

為了使學生能更好地理解比率差動保護的原理，本文利用LabVIEW編程設計提供的相關(guān)模塊，進行了變壓器差動保護實驗面板的設計。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

整個面板主要由帶通濾波器、輸入信號頻率控制、告警電壓裝置、二次諧波的門坎設定裝置、延時裝置、輸入信號示波器、二次諧波示波器、基波示波器和相關(guān)測試窗口組成。

實驗面板用帶通濾波器來模擬變壓器保護的差動電流采集裝置。帶通濾波器根據(jù)變壓器微機保護數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求輸入一定范圍的頻率信號。通過該帶通濾波器可以很方便地設置高頻和低頻，同時通過輸入信號幅值控制旋鈕來模擬變壓器差動電流的幅值。通過帶通濾波器和輸入信號幅值控制旋鈕這兩個裝置，學生可以方便地設定輸入差動電流的相關(guān)數(shù)值，并且通過輸入信號示波器進行差動電流的顯示，使學生在理解差動電流的輸入環(huán)節(jié)上更直觀。

為了進一步理解二次諧波制動概念，在系統(tǒng)面板上設置了二次諧波的門坎電壓輸入裝置。通過該裝置學生可以在一定幅值范圍內(nèi)進行二次諧波電流的輸入調(diào)節(jié)，并在面板上設計了差動電流門坎電壓輸入裝置和動作時間控制裝置，便于學生理解保護動作電流和動作時間的概念。同時，設置了基波信號與二次諧波信號顯示器，使學生理解輸入的差動電流的成分。

3 系統(tǒng)前面板的設計

變壓器差動保護前面板的設計以LabVIEW為基礎(chǔ)，利用圖形化的編程方式，實現(xiàn)變壓器微機保護的數(shù)字濾波、過壓告警、二次諧波制動和差動保護[6－7]。由于整個程序過于龐大，現(xiàn)僅取三相電流中的一相進行軟件的設計。微機保護主界面主要包括輸入信號幅值旋鈕、輸入信號頻率控制旋鈕、帶通濾波器旋鈕、二次諧波制動的門坎電壓旋鈕、時間控制旋鈕、三個信號顯示窗口、差動保護啟動和停止開關(guān)以及差動保護動作信號指示燈和二次諧波制動信號指示燈。為了進一步揭示輸入的模擬差動電流的波形，在實驗面板上設計了一個能夠顯示含有高斯噪聲的差動電流信號示波器。通過差動電流示波器可以較直觀地觀察輸入差動電流的大小及波形，如圖2(a)所示。實驗面板程序通過對含有高斯噪聲的差動電流進行數(shù)字濾波，獲取其基波信號，從而進行差動基波電流有效值計算。面板采用第二個示波器來顯示其大小波形，如圖2(b)所示。同時，實驗面板程序通過對上述含有高斯噪聲的差動電流進行數(shù)字濾波，獲取二次諧波信號，從而進行二次諧波電流有效值的計算，且實驗面板用第三個示波器來顯示二次諧波信號波形大小，如圖2(c)所示。將計算的差動電流基波有效值和二次諧波電流有效值，與設定的門坎值進行比較，最后由實驗面板裝置給出動作結(jié)果，其動作或制動結(jié)果通過實驗面板指示燈給出。

圖2 實驗面板電流波形Fig.2 Current waveforms of experiment panel

4 系統(tǒng)的程序設計

實驗面板建立的關(guān)鍵是程序的搭建。如何構(gòu)建一個功能完善的差動保護的實驗面板，關(guān)鍵是對整個變壓器微機差動保護的原理要深入理解，同時也要熟練掌握LabVIEW編程技巧。本文利用LabVIEW提供的相關(guān)模塊，搭建變壓器差動保護實驗面板程序。實驗面板程序模塊主要包括2個低通濾波器、1個帶通濾波器、基波處理單元、二次諧波處理單元、比較單元和邏輯出口單元等。仿真信號由程序產(chǎn)生，然后經(jīng)濾波、測量和比較，由指示燈給出保護的結(jié)果[8]。程序中加入延時是為了更清楚地觀察信號的變化及濾波后的結(jié)果;程序中的參數(shù)是為了驗證程序的正確與否而給定的，與理論上的參數(shù)不同，實際應用中可以根據(jù)實際情況具體設定。

5 實驗面板的應用

為了進一步說明變壓器差動保護實驗面板的應用，本文結(jié)合變壓器差動保護原理接線來詳細說明。變壓器差動保護的接線原理如圖3所示，其主要由變壓器兩側(cè)電流互感器和微機保護裝置構(gòu)成。電流互感器通過差接法形成變壓器的差動電流，微機保護裝置是對差動電流進行分析運算，最后得出是否動作的結(jié)論。

圖3 變壓器差動保護接線原理圖Fig.3 Wiring principle of transformer differential protection

由圖3可知，差動電流由I'1和I'2構(gòu)成。將差動電流送入微機保護裝置，由微機保護裝置根據(jù)圖1動作特性決定是否給出差動保護動作信號。本實驗面板是利用輸入信號幅值旋鈕及其頻率旋鈕，通過程序產(chǎn)生1個差動電流輸入信號，用此信號模擬圖3中的差動電流信號。該信號通過內(nèi)部程序的運算，在實驗面板的3個顯示窗口分別顯示出差動電流輸入信號、基波信號和二次諧波信號。最后通過控制實驗面板二次諧波制動門坎值和基波動作電流的門坎值，就可得知該輸入電流是否在圖1的動作區(qū)或制動區(qū)。如當變壓器內(nèi)部短路時，其基波電流大、二次諧波電流小，差動電流即進入動作區(qū)，保護動作。這時實驗面板的差動保護指示燈亮。當變壓器空載合閘時，盡管差動電流數(shù)值較大，但其含有豐富的二次諧波，差動電流則進入圖1的制動區(qū)。這時二次諧波制動指示燈亮，避免變壓器合閘時的誤動作。

另外，利用該實驗面板裝置還可以讓學生理解差動速斷保護的概念，即當上述基波差動電流有效值大于圖1所示的Isd時，就進入差動速斷保護區(qū)。在實驗過程中，加大輸入信號的幅值，當基波差動電流有效值超過設定門坎值后，即使調(diào)節(jié)二次諧波門坎值，其保護不受影響，相當于進入差動速斷保護環(huán)節(jié)。

6 結(jié)束語

要設計一個界面良好、功能較為齊全且操作方便安全的變壓器差動保護實驗面板，首先要對變壓器微機差動保護原理進行深入的學習和研究;其次要對虛擬儀器技術(shù)進行研究，利用它提供的一些模塊進行設計。通過該實驗面板的運行，可以讓學生既能加深對微機保護原理認識與理解，又可以很方便在理論課堂上進行實驗教學討論。

總之，該設計可以大大減輕真實設備硬件的負擔，實驗時安全可靠，又能使學生認識整個差動保護的實質(zhì)和過程，為以后實驗的開發(fā)提供了一定的借鑒。

[1]張毅，周紹磊，楊秀霞.虛擬儀器技術(shù)分析與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004：2 －12.

[2]余成波，馮麗輝，潘盛輝.虛擬儀器技術(shù)與設計[M].重慶：重慶大學出版社，2006：3 －8.

[3]張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2005：179 －197.

[4]于群，曹娜.電力系統(tǒng)微機繼電保護[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008：105 －135.

[5]戴道勇.電力變壓器微機保護系統(tǒng)的研究[D].淮南：安徽理工大學，2008.

[6]劉剛，王立香，張連俊.編程及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：150 －159.

[7]黃松嶺，吳靜.虛擬儀器設計基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學出版社，2008：201 －245.

[8]楊明莉，葛立峰.基于LabVIEW平臺的低頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計[J].自動化與儀表，2007(3)：77－79.