基于LabVIEW的微機繼電保護算法仿真實驗系統

姚福強，杜兆文

摘要：微機繼電保護的實現是由各種測量算法實現的，因此繼電保護的算法決定了微機繼電保護裝置的性能。但由于微機繼電保護實驗教學設備的限制，目前國內多數高校電氣工程及其自動化專業不能開設驗證微機繼電保護算法的實驗項目。因此研究設計了一套基于LabVIEW虛擬仿真軟件的微機繼電保護算法仿真教學系統，該系統集數據采集、濾波、參數計算等多種算法于一體，可實現電壓、電流、阻抗等保護參數的計算及顯示，既可用于課堂演示教學，也可用于實驗教學，利用該仿真系統學生可以更好地理解各算法的基本原理、應用范圍及優缺點等。

關鍵詞：微機繼電保護；數據算法；仿真實驗系統

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）09-0218-03

繼電保護是電氣類專業的重要課程，也是理論性和實踐性很強的專業課程。以微機形式實現的繼電保護，由于具有靈活性好、穩定性優、集成度高等優點而成為當代繼電保護的主流，當前電力工程實踐基本都采用微機繼電保護裝置。因此在本科教學階段開展微機繼電保護實驗，對培養學生理論與生產實踐結合的能力以及盡快適應現場工作都很重要。而微機繼電保護除了涉及繼電保護知識外還包括數據采集、數字信號處理、微控制器、網絡等內容，需考慮多個知識點的綜合，且保護功能主要以軟件算法方式實現，比較抽象。因此如何有效地組織實驗教學，特別是我國普通高校面向本科生的微機保護實驗教學，普遍存在著實驗方法和手段不夠完善等問題。多數高校只是開設了部分演示性實驗，或是在定型的微機保護裝置進行保護定值設置等操作的實驗，不能夠開設各種微機保護算法及參數調整的驗證實驗。我們知道，微機保護采用的軟件算法是微機繼電保護的核心，軟件算法的優劣直接決定了微機繼電保護裝置的選擇性、靈敏性和可靠性，因此如果微機繼電保護實驗不能夠進行軟件算法測試，則實驗教學效果與期待的教學目標相比會有較大的差距。

為了豐富繼電保護算法實驗項目，使學生更好地學習和掌握微機繼電保護的算法設計，我們采用NI公司的圖形化LabVIEW軟件，結合USB接口的數據采集模塊，研究設計了微機繼電保護軟件算法仿真實驗教學系統，該系統既可以在課堂教學時用作算法講解時的演示工具，還可在實驗教學中用作驗證和設計微機保護算法的模擬軟件，使學生可以更好地了解各種微機保護常用算法的基本原理、濾波效果、適用保護種類的范圍及各自的優缺點等。LabVIEW是NI公司推出的圖形化編程軟件，使用該軟件編寫程序時不是編寫程序代碼而編制模塊流程圖，它最大程度利用了工程技術人員所熟悉的圖標、術語和概念，編寫程序非常便捷和形象，使用它進行原理分析、設計、仿真和測試儀器系統時，非常方便并有效提高了效率。

一、仿真實驗系統設計

實驗教學仿真系統中的微機繼電保護算法主要包括數據采集算法、濾波算法和保護算法三類。例如數據采集計算中的兩點乘積算法、三采樣值乘積算法和半周積分算法等；濾波算法包括加、減法濾波器及積分濾波器、一次微分算法、二次微分算法和半周內取最大絕對值算法、半周/全周傅氏算法、一階差分后半周傅氏算法和遞推最小二乘算法等；保護算法中阻抗算法包括常用的解微分方程算法、輸電線路R-L模型算法和傅氏阻抗算法，移相算法中的差分算法、時差移相算法、序分量計算方法和故障方向的相位比較算法等；還包括階段式電流保護算法、階段式阻抗保護和低電壓閉鎖的電流保護等復合保護算法等。在實際教學過程中，實驗教師可以根據教學需要更換和調整算法參數和類型，學生也可以根據相關理論設計新的算法。

1.算法仿真實驗系統的主要功能。①各種微機繼電保護算法的原理和公式說明。在每個保護算法模塊都有相應的算法基本原理和公式組成的講解界面。②電壓、電流有效值、相角和阻抗等參數的計算公式和結果顯示。通過在Labview軟件界面上選定不同的算法處理模塊并設定相關系數參數，啟動硬件采集模塊，即能夠對被測試參數進行數據采集、數字濾波并進行參數有效值、相角和阻抗等的計算并顯示計算結果。③算法選擇和參數調整。在參數計算和顯示模塊中，算法數據處理的采樣周期、濾波系數等參數可以根據需要在一定范圍內調整，來比對不同數據處理參數時的算法處理效果。④信號波形比較顯示。在算法仿真實驗系統中可以顯示被測電量信號原始數據波形和軟件數字濾波后的有效值波形，兩種波形可以在一個坐標系中同時以不同顏色顯示。被測電量數據在軟件處理前后具有很明顯的變化，并且當被測線路或元件出現故障，或在被測信號中增加諧波分量時，可以從數據處理前后參數的對比波形中直觀地看出算法的濾波效果。⑤不同算法對同一信號處理結果的比較。對同一故障電量數據信號，不同保護算法對故障信號響應的速度、選擇性和靈敏性差別較大。通過對比可以看出不同的保護算法適用于不同的故障類型，不同故障類型有多種保護算法。

2.實驗數據來源及數據格式。由于在實驗室中很難模擬出電力系統實際運行過程中出現的各種設備和線路故障，為了能夠在實驗室采用保護算法仿真實驗教學系統對各種保護算法進行仿真實驗，必須采取能夠提供實際線路或設備故障狀態下的電壓、電流、零序電壓、零序電流等電量數據信息。為了便于收集故障數據，本實驗系統的數據來源格式采用通用IEEE標準電力系統暫態數據交換數據格式COMTRADE，它是IEEE為電力系統采集到的暫態波形和事故數據定義的一種文件格式。我國電力行業標準DL/T 553-94《220kV～500kV電力系統故障動態記錄技術準則》在3.6.5條中規定：保護裝置記錄和輸出的故障動態過程中電量數據格式應與ANSI/IEEE C37.111-1991中的COMTRADE文件格式兼容。同時標準還規定了在電力系統發生故障的整個過程中，電壓、電流和零序電壓、零序電流等模擬量數據記錄按時段順序進行，且每個COMTRADE文件記錄一般都有一組文件，分別是標題文件（.HDR）、配置文件（.CFG）、數據文件（.DAT）、信息文件（.INF）。現行電力系統實際在網運行的各種微機保護裝置或專用微機故障錄波裝置中保存的故障數據均符合COMTRADE格式，都可以用作本算法實驗仿真系統的數據來源。現在本實驗系統使用的故障數據或數據文件主要有三種。endprint

①數字動態實時仿真系統（DDRTS）。DDRTS是基于微機的電網實時數字仿真系統，它依據電網快速暫態過程數字仿真的模型與算法、實時仿真的快速算法以及數字仿真與外部自動裝置的實時連接技術對電網進行事故重現和分析，并在此基礎上為研究電網自動裝置的可靠性問題提供試驗手段。利用DDRTS可以產生電力系統各種故障暫態過程的數據文件，用于實驗仿真系統的分析和處理對象。

②微機保護裝置生產廠家或發、供電企業提供的各種保護裝置在實際生產現場記錄的故障錄波數據。微機保護裝置或故障錄波裝置記錄的生產現場真實故障狀態下的暫態數據代表了不同生產條件下的故障狀況，多數這類保護裝置都能夠輸出符合COMTRADE格式的數據文件，利用這些數據分析微機保護算法更能夠分析算法的適應性。

③微機繼電保護實驗教學裝置。我系電力系統繼電保護實驗室配置有華中科技大學研制DJZ-III型繼電保護實驗裝置，該實驗裝置能夠實現輸電線路的階段式電流保護和阻抗保護，變壓器電流保護和差動保護等電力系統繼電保護原理課程中介紹的常見繼電保護類型。利用該實驗裝置產生的電壓、電流信號，通過微型互感器變換后送入USB接口的數據采集模塊，經數據采集模塊處理后的實時采集數據送給算法仿真實驗系統，作為仿真實驗的數據源。在實驗時，學生可以通過調節DJZ-III實驗裝置上的調壓器和電位器，模擬電力系統不同類型的短路試驗，實驗數據更加直觀。現場調節和仿真系統相結合，更能提高學生對保護功能的認識。

3.可開設實驗項目。①可調節電壓、電流等模擬信號的采樣頻率，分析改變采樣頻率對模擬量基波的有效值和相角等參數分析算法的影響。②可調節電壓、電流等模擬信號的采樣頻率，分析改變采樣頻率對阻抗處理算法的影響。③隨機改變被測信號中諧波分量的幅值和相位，分析和測試各中軟件濾波算法的濾波效果。④模擬接地、短路等故障類型，觀察和分析不同故障時基波有效值的變化情況。⑤模擬接地、短路等故障類型，觀察和分析利用不同保護算法計算測量結果，比較不同故障算法的精確度和響應速度。

二、算法仿真實驗系統使用方法簡介

1.基波有效值及相角計算算法。運行基于LabVIEW的算法仿真實驗系統，根據實驗驗證算法的需要選擇測試數據來源文件（COMTRADE格式）或配置USB數據采集模塊并在通道選擇菜單選擇采樣通道后，在保護算法選擇菜單中選取需要學習或驗證的保護算法，在采樣頻率選擇欄選擇模擬量采樣通道的采樣頻率（300Hz、600Hz、1000Hz、1200Hz、1800Hz、2400Hz等）后，用鼠標點擊“確定”按鈕就會得到計算結果、所選算法的原理說明及有效值波形。如果數據來自于數據采集模塊實時采集的電量數據，顯示的計算結果是實時變化的。

2.阻抗算法。根據實驗算法的需要，選擇利用數字動態實時仿真系統生成的動態數據文件或從各種微機錄波裝置中提取的故障錄波數據中合適的故障數據，或運行微機保護實驗教學裝置并配置USB數據采集模塊來采集數據。運行基于LabVIEW的算法仿真實驗系統，在通道選擇菜單選擇采樣通道或選擇數據文件后，選擇阻抗保護算法菜單，在“請選擇阻抗算法”欄選擇需要的阻抗算法，在采樣頻率欄選擇或輸入模擬量采樣通道的采樣頻率后，點“確定”按鈕運行就會在結果區域顯示計算結果，在算法講解欄顯示實驗算法的原理說明。

三、算法仿真實驗教學系統功能驗證

由上述可知，仿真實驗數據可以來自于微機繼電保護實驗教學裝置。例如圖1所示DJZ-III型微機繼電保護實驗裝置電流電壓保護實驗一次系統圖，K3開關的不同位置選擇主回路串入的阻抗不同來模擬電力系統的運行方式，閉合開關3KO可以模擬線路三相短路，短路阻抗大小可以調節3KO下面的變阻器Re來調整，一次系統的電壓、電流由PT和CT變換后送入USB模擬量測量模塊進行采集處理。

利用算法仿真實驗系統保護算法求有效值。將DJZ-III型微機繼電保護實驗裝置模擬線路短路阻抗的變阻器Re調節到中間位置，將K3旋轉至最大運行方式，運行基于LabVIEW的仿真實驗系統，配置USB數據采集模塊，選擇采樣周期為600Hz，選擇“全周傅立葉保護算法”對A相電流和電壓數據計算并繪制有效值波形。通過計算可以看出，在短路故障開關3KO閉合前，一次系統正常工作時電壓為58.5V，電流1.03A，閉合3KO使系統短路，故障中電壓降低約為44.6～46.2V，電流增大約為5.5～6A，教學系統計算值與預期值一致，計算結果是正確的。

四、總結

基于LabVIEW的微機繼電保護算法仿真實驗系統是集多種微機保護算法于一體，采用標準COMTRADE數據文件，實現對電量數據有效值、相角、阻抗等參數的不同算法處理和算法講解等功能的計算機輔助教學系統。軟件采用對話框窗口形式，通過靈活選擇設置模擬量的采樣頻率、算法類型、參數和諧波分量，有助于學生更好地理解各算法的原理、作用和應用范圍。實驗操作簡單方便，便于學生學習和操作，它既可用做課堂理論教學的輔助手段，也可用于實驗教學的仿真計算，對學生學習和掌握微機繼電保護算法知識非常有幫助。

作者簡介：姚福強，山東巨野人，山東科技大學電氣信息系教師，碩士，副教授，主要從事電氣工程及計算機測控系統領域的教學和工程項目的設計研究工作。endprint

①數字動態實時仿真系統（DDRTS）。DDRTS是基于微機的電網實時數字仿真系統，它依據電網快速暫態過程數字仿真的模型與算法、實時仿真的快速算法以及數字仿真與外部自動裝置的實時連接技術對電網進行事故重現和分析，并在此基礎上為研究電網自動裝置的可靠性問題提供試驗手段。利用DDRTS可以產生電力系統各種故障暫態過程的數據文件，用于實驗仿真系統的分析和處理對象。

②微機保護裝置生產廠家或發、供電企業提供的各種保護裝置在實際生產現場記錄的故障錄波數據。微機保護裝置或故障錄波裝置記錄的生產現場真實故障狀態下的暫態數據代表了不同生產條件下的故障狀況，多數這類保護裝置都能夠輸出符合COMTRADE格式的數據文件，利用這些數據分析微機保護算法更能夠分析算法的適應性。

③微機繼電保護實驗教學裝置。我系電力系統繼電保護實驗室配置有華中科技大學研制DJZ-III型繼電保護實驗裝置，該實驗裝置能夠實現輸電線路的階段式電流保護和阻抗保護，變壓器電流保護和差動保護等電力系統繼電保護原理課程中介紹的常見繼電保護類型。利用該實驗裝置產生的電壓、電流信號，通過微型互感器變換后送入USB接口的數據采集模塊，經數據采集模塊處理后的實時采集數據送給算法仿真實驗系統，作為仿真實驗的數據源。在實驗時，學生可以通過調節DJZ-III實驗裝置上的調壓器和電位器，模擬電力系統不同類型的短路試驗，實驗數據更加直觀。現場調節和仿真系統相結合，更能提高學生對保護功能的認識。

3.可開設實驗項目。①可調節電壓、電流等模擬信號的采樣頻率，分析改變采樣頻率對模擬量基波的有效值和相角等參數分析算法的影響。②可調節電壓、電流等模擬信號的采樣頻率，分析改變采樣頻率對阻抗處理算法的影響。③隨機改變被測信號中諧波分量的幅值和相位，分析和測試各中軟件濾波算法的濾波效果。④模擬接地、短路等故障類型，觀察和分析不同故障時基波有效值的變化情況。⑤模擬接地、短路等故障類型，觀察和分析利用不同保護算法計算測量結果，比較不同故障算法的精確度和響應速度。

二、算法仿真實驗系統使用方法簡介

1.基波有效值及相角計算算法。運行基于LabVIEW的算法仿真實驗系統，根據實驗驗證算法的需要選擇測試數據來源文件（COMTRADE格式）或配置USB數據采集模塊并在通道選擇菜單選擇采樣通道后，在保護算法選擇菜單中選取需要學習或驗證的保護算法，在采樣頻率選擇欄選擇模擬量采樣通道的采樣頻率（300Hz、600Hz、1000Hz、1200Hz、1800Hz、2400Hz等）后，用鼠標點擊“確定”按鈕就會得到計算結果、所選算法的原理說明及有效值波形。如果數據來自于數據采集模塊實時采集的電量數據，顯示的計算結果是實時變化的。

2.阻抗算法。根據實驗算法的需要，選擇利用數字動態實時仿真系統生成的動態數據文件或從各種微機錄波裝置中提取的故障錄波數據中合適的故障數據，或運行微機保護實驗教學裝置并配置USB數據采集模塊來采集數據。運行基于LabVIEW的算法仿真實驗系統，在通道選擇菜單選擇采樣通道或選擇數據文件后，選擇阻抗保護算法菜單，在“請選擇阻抗算法”欄選擇需要的阻抗算法，在采樣頻率欄選擇或輸入模擬量采樣通道的采樣頻率后，點“確定”按鈕運行就會在結果區域顯示計算結果，在算法講解欄顯示實驗算法的原理說明。

三、算法仿真實驗教學系統功能驗證

由上述可知，仿真實驗數據可以來自于微機繼電保護實驗教學裝置。例如圖1所示DJZ-III型微機繼電保護實驗裝置電流電壓保護實驗一次系統圖，K3開關的不同位置選擇主回路串入的阻抗不同來模擬電力系統的運行方式，閉合開關3KO可以模擬線路三相短路，短路阻抗大小可以調節3KO下面的變阻器Re來調整，一次系統的電壓、電流由PT和CT變換后送入USB模擬量測量模塊進行采集處理。

利用算法仿真實驗系統保護算法求有效值。將DJZ-III型微機繼電保護實驗裝置模擬線路短路阻抗的變阻器Re調節到中間位置，將K3旋轉至最大運行方式，運行基于LabVIEW的仿真實驗系統，配置USB數據采集模塊，選擇采樣周期為600Hz，選擇“全周傅立葉保護算法”對A相電流和電壓數據計算并繪制有效值波形。通過計算可以看出，在短路故障開關3KO閉合前，一次系統正常工作時電壓為58.5V，電流1.03A，閉合3KO使系統短路，故障中電壓降低約為44.6～46.2V，電流增大約為5.5～6A，教學系統計算值與預期值一致，計算結果是正確的。

四、總結

基于LabVIEW的微機繼電保護算法仿真實驗系統是集多種微機保護算法于一體，采用標準COMTRADE數據文件，實現對電量數據有效值、相角、阻抗等參數的不同算法處理和算法講解等功能的計算機輔助教學系統。軟件采用對話框窗口形式，通過靈活選擇設置模擬量的采樣頻率、算法類型、參數和諧波分量，有助于學生更好地理解各算法的原理、作用和應用范圍。實驗操作簡單方便，便于學生學習和操作，它既可用做課堂理論教學的輔助手段，也可用于實驗教學的仿真計算，對學生學習和掌握微機繼電保護算法知識非常有幫助。

作者簡介：姚福強，山東巨野人，山東科技大學電氣信息系教師，碩士，副教授，主要從事電氣工程及計算機測控系統領域的教學和工程項目的設計研究工作。endprint

①數字動態實時仿真系統（DDRTS）。DDRTS是基于微機的電網實時數字仿真系統，它依據電網快速暫態過程數字仿真的模型與算法、實時仿真的快速算法以及數字仿真與外部自動裝置的實時連接技術對電網進行事故重現和分析，并在此基礎上為研究電網自動裝置的可靠性問題提供試驗手段。利用DDRTS可以產生電力系統各種故障暫態過程的數據文件，用于實驗仿真系統的分析和處理對象。

②微機保護裝置生產廠家或發、供電企業提供的各種保護裝置在實際生產現場記錄的故障錄波數據。微機保護裝置或故障錄波裝置記錄的生產現場真實故障狀態下的暫態數據代表了不同生產條件下的故障狀況，多數這類保護裝置都能夠輸出符合COMTRADE格式的數據文件，利用這些數據分析微機保護算法更能夠分析算法的適應性。

③微機繼電保護實驗教學裝置。我系電力系統繼電保護實驗室配置有華中科技大學研制DJZ-III型繼電保護實驗裝置，該實驗裝置能夠實現輸電線路的階段式電流保護和阻抗保護，變壓器電流保護和差動保護等電力系統繼電保護原理課程中介紹的常見繼電保護類型。利用該實驗裝置產生的電壓、電流信號，通過微型互感器變換后送入USB接口的數據采集模塊，經數據采集模塊處理后的實時采集數據送給算法仿真實驗系統，作為仿真實驗的數據源。在實驗時，學生可以通過調節DJZ-III實驗裝置上的調壓器和電位器，模擬電力系統不同類型的短路試驗，實驗數據更加直觀。現場調節和仿真系統相結合，更能提高學生對保護功能的認識。

3.可開設實驗項目。①可調節電壓、電流等模擬信號的采樣頻率，分析改變采樣頻率對模擬量基波的有效值和相角等參數分析算法的影響。②可調節電壓、電流等模擬信號的采樣頻率，分析改變采樣頻率對阻抗處理算法的影響。③隨機改變被測信號中諧波分量的幅值和相位，分析和測試各中軟件濾波算法的濾波效果。④模擬接地、短路等故障類型，觀察和分析不同故障時基波有效值的變化情況。⑤模擬接地、短路等故障類型，觀察和分析利用不同保護算法計算測量結果，比較不同故障算法的精確度和響應速度。

二、算法仿真實驗系統使用方法簡介

1.基波有效值及相角計算算法。運行基于LabVIEW的算法仿真實驗系統，根據實驗驗證算法的需要選擇測試數據來源文件（COMTRADE格式）或配置USB數據采集模塊并在通道選擇菜單選擇采樣通道后，在保護算法選擇菜單中選取需要學習或驗證的保護算法，在采樣頻率選擇欄選擇模擬量采樣通道的采樣頻率（300Hz、600Hz、1000Hz、1200Hz、1800Hz、2400Hz等）后，用鼠標點擊“確定”按鈕就會得到計算結果、所選算法的原理說明及有效值波形。如果數據來自于數據采集模塊實時采集的電量數據，顯示的計算結果是實時變化的。

2.阻抗算法。根據實驗算法的需要，選擇利用數字動態實時仿真系統生成的動態數據文件或從各種微機錄波裝置中提取的故障錄波數據中合適的故障數據，或運行微機保護實驗教學裝置并配置USB數據采集模塊來采集數據。運行基于LabVIEW的算法仿真實驗系統，在通道選擇菜單選擇采樣通道或選擇數據文件后，選擇阻抗保護算法菜單，在“請選擇阻抗算法”欄選擇需要的阻抗算法，在采樣頻率欄選擇或輸入模擬量采樣通道的采樣頻率后，點“確定”按鈕運行就會在結果區域顯示計算結果，在算法講解欄顯示實驗算法的原理說明。

三、算法仿真實驗教學系統功能驗證

由上述可知，仿真實驗數據可以來自于微機繼電保護實驗教學裝置。例如圖1所示DJZ-III型微機繼電保護實驗裝置電流電壓保護實驗一次系統圖，K3開關的不同位置選擇主回路串入的阻抗不同來模擬電力系統的運行方式，閉合開關3KO可以模擬線路三相短路，短路阻抗大小可以調節3KO下面的變阻器Re來調整，一次系統的電壓、電流由PT和CT變換后送入USB模擬量測量模塊進行采集處理。

利用算法仿真實驗系統保護算法求有效值。將DJZ-III型微機繼電保護實驗裝置模擬線路短路阻抗的變阻器Re調節到中間位置，將K3旋轉至最大運行方式，運行基于LabVIEW的仿真實驗系統，配置USB數據采集模塊，選擇采樣周期為600Hz，選擇“全周傅立葉保護算法”對A相電流和電壓數據計算并繪制有效值波形。通過計算可以看出，在短路故障開關3KO閉合前，一次系統正常工作時電壓為58.5V，電流1.03A，閉合3KO使系統短路，故障中電壓降低約為44.6～46.2V，電流增大約為5.5～6A，教學系統計算值與預期值一致，計算結果是正確的。

四、總結

基于LabVIEW的微機繼電保護算法仿真實驗系統是集多種微機保護算法于一體，采用標準COMTRADE數據文件，實現對電量數據有效值、相角、阻抗等參數的不同算法處理和算法講解等功能的計算機輔助教學系統。軟件采用對話框窗口形式，通過靈活選擇設置模擬量的采樣頻率、算法類型、參數和諧波分量，有助于學生更好地理解各算法的原理、作用和應用范圍。實驗操作簡單方便，便于學生學習和操作，它既可用做課堂理論教學的輔助手段，也可用于實驗教學的仿真計算，對學生學習和掌握微機繼電保護算法知識非常有幫助。

作者簡介：姚福強，山東巨野人，山東科技大學電氣信息系教師，碩士，副教授，主要從事電氣工程及計算機測控系統領域的教學和工程項目的設計研究工作。endprint