基于LabVIEW的繼電保護實驗系統的設計

摘要：基于LabVIEW的繼電保護實驗平臺的開發將虛擬儀器技術與電力系統繼電保護相結合，以圖形化編程軟件LabVIEW為支撐，搭建具有信號采集與分析的多功能虛擬繼電保護實驗平臺，充分利用實驗室教學實驗裝置，突破硬件不足對實驗教學的限制，是目前高校實驗教學的迫切需要。同時該平臺可以豐富教學方式，提高學生的學習熱情和動手能力，對于培養學生的創造性思維有很大的幫助。

關鍵詞：虛擬儀器技術；LabVIEW；數字模擬平臺；繼電保護實驗

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）35-0150-02

電力系統繼電保護作為電氣工程專業學生必修的專業基礎課程，其實驗課程對幫助學生理解繼電器的繼電特性和工作原理具有非常好的指導作用。雖然學校實驗室配有專業的繼電保護實驗裝置和相應繼電器掛箱搭建起來的實驗平臺，但由于現有實驗設備的局限性，實際教學實驗中只能進行近似的模擬仿真，而且所搭建的平臺往往結構簡單，功能單一，僅可滿足一些演示性和驗證性實驗的要求[1]。另外，由于經費等方面的限制，實驗設備不可能經常的更新換代，使得實驗教學往往落后于現代技術發展的前沿。

虛擬儀器作為當前計算機技術與測試儀器技術相結合的產物，是一種全新的測量技術和手段，它利用計算機強大的圖形環境和運算功能，基于“軟件即是儀器”的思想，以軟件實現的方式模擬傳統儀器面板，代替傳統儀器完成對儀器的控制、數據分析和顯示功能[2-4]。虛擬儀器的“虛擬”主要有兩方面的含義：一是虛擬儀器的面板是虛擬的；二是虛擬儀器的測量功能是通過對圖形化軟件流程圖的編程來實現的。

目前應用最廣泛的虛擬儀器開發平臺軟件主要有NI（National Instruments）公司的LabVIEW和Lab Windows/CVI等。這類軟件通過數據采集卡、GPIB卡等硬件模塊來實現虛擬儀器環境與現實設備的信息交換，并提供了多種用于處理采樣數據的控件，以完成特定儀器功能的模擬[5-6]。虛擬儀器提供的工具幾乎能滿足所有模擬仿真的需要，而且任何一個用戶都可以方便靈活地用鼠標或按鍵在計算機顯示屏幕上操作虛擬儀器軟面板的各種“旋鈕”進行測試工作，并可以根據不同的測試要求通過窗口來切換不同的虛擬儀器[7]。

經過多年的發展，虛擬儀器技術具有豐富的內涵，目前已有GPIB（General Purpose Interface Bus），DAQ（Data Acquisition），VXI（VME Extension for Instrument）和PXI（PCI Extension for Instrument）四種標準體系結構，已廣泛應用于電子測量、振動分析、故障診斷等諸多方面[8]。近年來，虛擬儀器技術逐步應用于電力系統測量、電力系統監控以及電力系統的仿真和教學中。

一、主要功能及原理介紹

電力系統由發電機、變壓器、電力線路及各種用電設備組成。各電氣元件及系統整體一般處于正常運行狀態，但也可能出現故障或異常運行狀態。為防止事故發生，電力系統繼電保護就是用來反映電氣設備發生的故障和異常運行情況，動作于斷路器跳閘或發出信號的一種有效的保護裝置。雙端電源網絡是典型的電力系統輸電線路結構形式，在其間發生的相間故障以及所采取的保護功能是繼電保護課程理論學習和理解的基礎。但實驗室現有EPL-Ⅱ型繼電保護實驗裝置只能開展常規的繼電器動作特性實驗和單端電源結構下的繼電保護實驗，無法模擬實際輸電系統中雙端電源、環網電源供電等復雜的電力網絡拓撲結構，無法幫助學生正確理解基于方向閉鎖元件的三段式電流保護配置思想在雙端電源輸電線路上的應用，是實驗環節中的一大不足。

將虛擬儀器技術與電氣工程類專業的繼電保護實驗相結合，同時考慮到現有模擬實驗平臺的局限性，開發了基于圖形化編程軟件LabVIEW的繼電保護虛擬實驗平臺。該平臺實現了電力系統故障特征的虛擬仿真和繼電保護動作過程的可視化，在此基礎上可以進一步開發和配置各種類型的繼電保護功能，具有很大的開發空間，同時也能很好的克服硬件（繼電器、線路結構、測量儀表等）的制約，為鼓勵學生自主設計實驗方案搭建了良好的開放式平臺[9-10]。

1.構成及原理

繼電保護虛擬實驗平臺的實現由兩部分來完成：

（1）基于EPL-Ⅱ型裝置的雙端電源輸電線路繼電保護實驗的改進設計。對實驗室現有實驗裝置的單端電源輻射式線路結構進行改進，構建了雙端電源輸電線結構，設計了功率方向繼電保護實驗的改進方案，克服了實驗設備本身的缺陷和原實驗方法的不足，實現了功率方向保護“區內故障動作、區外故障閉鎖”的基本要求，實驗步驟清晰、操作過程簡單、實驗現象直觀，取得良好的效果。

（2）基于LabVIEW和EPL-Ⅱ型繼電保護裝置的虛擬實驗平臺的開發。利用LabVIEW軟件模擬實現了典型繼電器（電流繼電器、電壓繼電器、相間功率方向繼電器、零序功率方向繼電器、各種特性的阻抗繼電器、比率制動特性的差動繼電器和重合閘繼電器等）的基本功能，并通過PCI總線和數據采集卡實現了LabVIEW和繼電保護設備之間的通信，實現對線路的狀態監測、故障判別并發出動作指令，進而控制斷路器動作實現繼電保護的功能。

EPL-II型實驗裝置和經改造后的實驗平臺原理接線圖分別如圖1和圖2所示。

與系統硬件實驗平臺對應，在上位機中采用虛擬儀器軟件LabVIEW模擬出如圖2所示的雙端電源輸電線路模型。

軟件設計中采用模塊化的設計方法，每個功能模塊實現相應的功能，最后通過整合調用，實現系統整體設計。采用模塊結構的最大優點是效率高，數據容易共享。由于模塊之間可以相互調用，因此可以非常靈活地組織模塊完成各種功能，達到較高的整體效率。如果需要對模塊中某一功能升級，只需改寫相應的模塊，而不需要改動整個軟件結構，當需要增加系統功能時也只需要增加相應的軟件功能模塊即可。圖3為功率繼電器模塊，該模塊具有操作簡便、顯示直觀的特點，易于學生理解繼電器的動作特性和輸電線路保護的基本原理。

2.具體實現過程

上位機中的虛擬儀器平臺根據信號采集掛箱采集到的信息分析得出硬件實驗臺中電力系統故障在輸電線路中發生的位置，在虛擬儀器雙端電源輸電線路模型的相應位置模擬相同類型故障，這樣就實現了雙端電源輸電線路在硬件實驗裝置和虛擬儀器軟件平臺中的對應，所不同的是在虛擬儀器平臺中保護的配置和整定可根據輸電線路模型和預先設置的線路電阻、電抗等參數分析計算完成。

此外，還可以通過加裝PLC控制箱的方式將虛擬儀器平臺的繼電器模塊執行結果反饋到硬件實驗裝置中，控制相應的繼電器是否動作，實現繼電保護信息從硬件實驗裝置到上位機的虛擬儀器平臺再反饋回硬件的完整的循環。系統的結構大致如圖4所示。

二、實驗平臺在實際實驗中的應用

多功能繼電保護虛擬實驗平臺搭建完成后，便可用于實現信號的采集與信號分析，并在此系統的基礎上對單端電源輸電線路三段式電流保護、雙端電源輸電線路方向性電流保護和距離保護以及變壓器保護等進行仿真實驗。實驗結果表明該平臺具有以下功能：可實現多通道數據的采集，數字濾波，信號分析和計算，以及數據的存儲和對歷史數據的復現，線路的零序保護、距離保護以及差動保護能夠迅速、可靠動作。圖5所示為虛擬儀器實驗平臺中單端電源輸電線路的三段式電流保護配合。

三、結束語

將虛擬儀器技術引入到高校實驗室的升級改造中，采用圖形化編程語言LabVIEW并充分利用學校實驗室原有的實驗裝置，開發了可用于電力系統繼電保護綜合實驗的數字模擬平臺。該平臺不僅能較好解決經費投入難以完全保障、電力系統實驗設備昂貴等問題，還可以使學生獲得盡可能全面具體的實驗教育，而且很好的將學生學過的現代測試理論、信息電子科學、計算機開發及網絡應用技術等相關知識系統結合起來，充實了實驗內容，對學生綜合利用所學知識的能力培養大有好處，同時在繼電保護課程實驗中也取得了不錯的教學效果。

參考文獻：

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[9]廖曉暉.電力系統繼電保護可視化開發平臺的研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[10]南樹功，邵文權，王妍薇，等.基于虛擬儀器技術的繼電保護功能分析系統[J].陜西電力，2013，41（9）：50-54.

（責任編輯：韓曉英）