南天琦，魯文芳

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

基于LabVIEW的電力系統(tǒng)繼電保護實驗系統(tǒng)設(shè)計

南天琦1，魯文芳2

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

基于LabVIEW技術(shù)的模擬仿真系統(tǒng)，設(shè)計了一系列電力系統(tǒng)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(xiàn)了對電力系統(tǒng)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(tǒng)

0 引言

由于繼電保護相關(guān)的實踐實驗大多會關(guān)聯(lián)在人身安全電壓等級以上的高壓、特高壓，對于學(xué)生、學(xué)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(shù)來模擬真實的電力系統(tǒng)繼電保護過程，能夠解決這一問題。此外，在LabVIEW中有生產(chǎn)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(xiàn)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(shù)的發(fā)展，在電網(wǎng)中線路的正常運行、故障期間以及故障后的恢復(fù)過程中，許多可執(zhí)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(chǔ)上，利用LabVIEW軟件編程，實現(xiàn)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(guān)的理論內(nèi)容（如實驗步驟、實驗原理等）整合于該系統(tǒng)內(nèi)，實現(xiàn)該系統(tǒng)基礎(chǔ)實驗與綜合實驗的軟件化、網(wǎng)絡(luò)化、課程資源的共享化。

1 基于LabVIEW的繼電保護實驗系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)中，利用LabVIEW軟件編程，實現(xiàn)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(xiàn)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(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言［1］。采用LabVIEW來實現(xiàn)電力系統(tǒng)繼電保護的實驗?zāi)M，它提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，如各種旋鈕、開關(guān)、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(jié)構(gòu)包括：順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、事件結(jié)構(gòu)以及條件結(jié)構(gòu)等，其內(nèi)部集成了大量的生成圖形界面的模板，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面，并可使用圖標(biāo)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(tǒng)軟件開發(fā)變得簡單、方便，如表1所示。

表1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較

LabVIEW具有豐富實用的信號處理、數(shù)值分析功能，如各種濾波器、信號發(fā)生器以及波形轉(zhuǎn)換等，大大方便和簡化了用戶的設(shè)計開發(fā)工作，特別是適用于復(fù)雜的編程設(shè)計，基于此，本系統(tǒng)采用了LabVIEW軟件來實現(xiàn)電力系統(tǒng)繼電保護實驗系統(tǒng)的設(shè)計。

1.2 軟件功能模塊的設(shè)計

電力系統(tǒng)發(fā)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(xiàn)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(xiàn)相序分量等［4］。本實驗所模擬的繼電保護系統(tǒng)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(zhí)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(wù)［5］。

電力系統(tǒng)的繼電保護根據(jù)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(tǒng)按元件特性實驗和線路保護實驗來分類設(shè)計。用LabVIEW軟件來模擬仿真電力系統(tǒng)故障時的繼電保護動作，一共分為兩大模塊，具體方案設(shè)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)了對電力系統(tǒng)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(xiàn)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(shè)計

以實現(xiàn)時間繼電器的模擬實驗為例。時間繼電器的工作原理是當(dāng)動作信號輸入（或去掉）后，其輸出電路要經(jīng)過一個用戶預(yù)先設(shè)定的延時時間后才能發(fā)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(shè)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(yīng)的可以實現(xiàn)時間繼電器特性功能的結(jié)構(gòu)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(shè)計根據(jù)教學(xué)通用試驗臺采用DS-32型時間繼電器為模型，使學(xué)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(shè)計。使用動畫的形式將其工作原理表現(xiàn)得更清晰易懂 （如圖3）。在原理圖中學(xué)習(xí)者可以通過動手改變時間繼電器的設(shè)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(yè)現(xiàn)場時間繼電器因為不斷重復(fù)演示操作而帶來的損耗。

模塊三：動作誤差計算的設(shè)計?；跁r間繼電器的動作原理，考慮到現(xiàn)實線路中時間繼電器的工作狀態(tài)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(shè)計

根據(jù)現(xiàn)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(shè)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(shù)設(shè)置的變化而相應(yīng)變化的，這項動態(tài)演示功能后面板編程卻很難與顯示界面的手動隨機設(shè)置參數(shù)值相配合，本編程考慮應(yīng)用了移位寄存器與延時設(shè)定和指示相配合的方法，最終完成了延時計時的動態(tài)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(tǒng)綜合線路繼電保護仿真實驗實現(xiàn)

繼電保護裝置在運行線路中必須具有能正確區(qū)分被保護元件是否處于正常運行狀態(tài)功能的一個整體保護裝置［6］。對于學(xué)習(xí)整體的電力系統(tǒng)繼電保護還需要對整體的線路網(wǎng)絡(luò)進行綜合的研究與分析，在能夠?qū)镜睦^電器工作原理有熟練掌握之后，實驗設(shè)計了一系列基于電力系統(tǒng)綜合線路的繼電保護動作模擬實驗，以實現(xiàn)電流速斷保護的仿真實驗為例說明。

電流速斷保護是當(dāng)線路中短路電流幅值增大而瞬時動作的電流保護。根據(jù)其工作原理，電流繼電器接于電流互感器TA的二次側(cè)，它動作后啟動中間繼電器，其觸點閉合后，經(jīng)信號繼電器發(fā)出信號同時接通斷路器跳閘線圈。實驗設(shè)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(jù)流程圖設(shè)計，用LabVIEW軟件使線路的電流速斷保護工作原理呈現(xiàn)動態(tài)模式，操作模擬系統(tǒng)能夠使學(xué)習(xí)者清晰的了解該保護整體運行的先后動作順序，使學(xué)習(xí)內(nèi)容更加有趣。本實驗系統(tǒng)中模擬了電流速斷保護的動態(tài)單相原理接線實驗，如圖8，接線的動態(tài)程序設(shè)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(xué)習(xí)便于理解，實驗還為此復(fù)雜回路設(shè)計了結(jié)構(gòu)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(xué)習(xí)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(shè)定AB間和BC間的總距離，對電網(wǎng)線路進行執(zhí)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(qū)間，并在模擬的線路圖中通過拖動短路符號來設(shè)定短路點的位置進行短路測試，如圖12所示。

執(zhí)行線路的初始化能夠得到整定計算結(jié)果，同時系統(tǒng)自動根據(jù)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量與波形圖來實現(xiàn)完成的，如圖14所示。

圖11 電網(wǎng)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(jié)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(xiàn)了將手動操作設(shè)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(xiàn)出現(xiàn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為DBL數(shù)據(jù)量，再進行后面板的計算，在此基礎(chǔ)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(tǒng)功能測試

實驗系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想，把系統(tǒng)實驗軟件分為元件特性和綜合線路模擬兩大模塊，根據(jù)完成效果任務(wù)不同，實驗?zāi)K又具體分為功能簡介、接線圖仿真、原理設(shè)計、操作動畫設(shè)計、數(shù)據(jù)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(jù)測試任務(wù)的需要，學(xué)習(xí)者可將其組合在一個任務(wù)框架內(nèi)組成一個完整的系統(tǒng)，也可根據(jù)后續(xù)功能擴展單獨調(diào)用各個子VI，減少了重復(fù)性編程工作，增強了實驗系統(tǒng)的擴展性和集成性。實驗系統(tǒng)軟件的功能與模塊組成如圖15所示。

圖15 實驗系統(tǒng)的模塊組成

打開實驗系統(tǒng)，在未經(jīng)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(zhí)行子程序的調(diào)用功能，進入下一頁分類實驗界面。在進行設(shè)置子VI程序調(diào)用時，必須注意子VI節(jié)點的設(shè)置，否則會在程序執(zhí)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(tǒng)綜合線路保護模擬實驗?zāi)K，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(jié)語

繼電保護實驗系統(tǒng)可以完成對電力系統(tǒng)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(xué)的繼電保護實驗平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)將抽象的電壓、電流等物理量由波形圖表現(xiàn)出來，同時仿真了電力系統(tǒng)線路中故障出現(xiàn)的不確定性，能夠?qū)崿F(xiàn)對隨機數(shù)據(jù)進行處理分析并得出結(jié)果，從而使學(xué)習(xí)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(shè)計實現(xiàn)了模擬真實線路故障時的繼電保護動作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、動作安全且易操作，使學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)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(yè)出版社，2012.

［2］王亞麗，黃勇堅.LabVIEW在電子線路實驗教學(xué)中的應(yīng)用 ［J］.電子技術(shù)，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.

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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(yè)研究。