基于虛擬儀器的二次變電站微機保護系統

田有文，趙華松，于 泓，趙 君

(沈陽農業大學信息與電氣工程學院，沈陽110866)

目前，二次變電站中的繼電保護普遍采用微機保護，而微機保護的主要功能是由軟件實現的，實驗人員只可觀察到保護的動作結果，對于內部動作過程無法知曉，無益于透明化展示故障動作過程和分析校驗保護性能。對此，繼電保護研究者可以在不借助硬件平臺的情況下，用數字仿真的方式研究新的保護方法和原理，構建一個與實際中微機保護設備相似的虛擬微機保護系統［1］。該系統可以校驗微機保護的性能以及實現故障仿真，但缺點是建立整個系統比較復雜［2－4］。文獻［5］基于 MATLAB仿真建立電力線路、自動重合閘裝置及電流速斷保護等仿真模型，利用VB把仿真命令傳送給MATLAB，實現對輸電線路發生各類接地故障的仿真［5］。本文建立了二次變電站虛擬微機保護系統，利用仿真軟件MATLAB將產生的故障數據或現場及動模試驗的錄波數據導入到LabVIEW建立的系統中，由LabVIEW建立的各功能模塊對故障數據進行分析。同時通過LabVIEW前面板進行實時觀測保護動作的過程及故障數據的處理，以為電網工作人員提供虛擬實訓平臺。

1 虛擬微機保護系統的基本要求

虛擬微機保護系統應滿足以下要求:

1)可視性。用戶不能對微機保護內部進行觀察是因為微機保護的功能是通過軟件實現的。虛擬微機保護系統需能顯示相關的電氣量(包含運算的中間結果以及采樣值等數據)及保護內部的動作過程，幫助分析與研究微機保護。

2)逼真性。設定虛擬微機保護系統定值的方法、顯示動作的過程及其結果和實際裝置一樣，有利于全部微機保護動作過程被學員更好地理解和掌握［6］。

3)可控性。仿真過程應能人工控制，并可連續執行和分步執行。對于新方法和新原理的研究來說，這一點非常重要［7］。

4)設計虛擬微機保護系統時，應使系統便于修改，包括采樣頻率、算法、動作邏輯與整定值等的修改［8］。

2 基于虛擬儀器的二次變電站微機保護系統設計

LabVIEW是一種圖形化編程語言(通常稱為G語言)。LabVIEW利用圖形模式的結構框圖編寫程序代碼，使工作效率大幅度提升［9－10］。

在本研究中，微機保護的仿真通過虛擬儀器來實現。利用“模塊化”的設計思路，將微機保護模型分解，將重復的“模塊”簡化、合并成一個或幾個典型功能單元。將保護中的典型單元單獨制作成“通用模塊”，在虛擬儀器中建立仿真模塊庫，把“通用模塊”也就是VI子程序編入。從仿真模塊庫中選取相應的“通用模塊”進行不同類型保護的仿真，把VI子程序按照一定的邏輯進行連接，構建出原理互不相同的微機保護仿真。系統包括數據采集模塊、啟動模塊、算法模塊、選相模塊、保護原理模塊、出口信號模塊和人機交互界面等。總體結構如圖1所示。

圖1 二次變電站虛擬微機保護系統總體結構Fig.1 Overall structure of the virtual microcomputer protection system in secondary substation

2.1 仿真實驗數據

實驗數據的來源主要有兩種:1)生產現場或動模試驗故障錄波數據;2)仿真軟件MATLAB或ATP獲得的仿真實驗數據。本研究采用仿真軟件MATLAB產生故障數據。故障數據產生模塊在MATLAB中的實現程序如圖2所示。

圖2 MATLAB中的故障數據產生模塊Fig.2 Module generating fault data in MATLAB

2.2 數據采集模塊

將MATLAB得到的故障數據導到電子表格中，然后應用LabVIEW中的path控件讀取數據到程序中備用。

2.3 保護功能模塊

2.3.1 啟動模塊

在系統發生故障時啟動元件動作是啟動模塊的主要任務，啟動保護系統進入故障處理程序。采用突變量電流啟動元件是最常用的方法，即

式中:Δik為突變量電流;ik為時刻k的采樣值;ik－N為時刻k之前一周期電流的采樣值;N為1個工頻周期內采樣的點數。

ik和ik－N通過對輸入電流數組的索引得到，添加while循環，通過將Δik和預設定值作較之后生成的布爾值，來判斷故障是否發生。如果突變量Δik大于預先設的定值，則啟動元件動作，系統顯示發生故障。程序的實現如圖3所示。

2.3.2 算法模塊

啟動元件判斷發生故障后，系統進入算法模塊。

各種保護算法包含在算法模塊庫中，可根據故障仿真的不同應用不同的保護算法。傅氏算法是其中最常用的，采用如下梯形法可求得傅氏算法用在微機處理時的基波幅值:

圖3 啟動模塊Fig.3 Starting module

式中:a1，b1分別為基波分量正、余弦項的振幅;xk為第k次的采樣值;x0，xN分別為k=0，k=N時的采樣值。傅氏算法在LabVIEW中的實現程序如圖4所示。

圖4 算法模塊Fig.4 Algorithm module

2.3.3 選相模塊

啟動模塊顯示系統有故障后，先由選相模塊判斷相別和故障類型。本研究采用相電流突變量選相法進行故障相判別，流程如圖5所示。算法模塊求得的三相電流有效值為輸入，相別及故障類型為輸出。利用LabVIEW實現的選相模塊程序如圖6所示。

2.4 動作邏輯的實現

各個功能模塊建立后，在LabVIEW中用連接線按照動作時序以及邏輯關系將各個模塊連接到一起，LabVIEW程序的前面板可以顯示動作結果、輸入數據和顯示濾波前后波形等。利用數據采集模塊連續讀入數據，導入數據文件。將故障電流和電壓等數據元素20個一組依次傳入到在LabVIEW中建立的數組中(采樣頻率為1000 Hz，每一個工頻周期內包含采樣點數為20)。應用LabVIEW提供的順序結構和for循環完成數據元素輸入功能。故障類型與相別、故障時間等信息和計算的中間結果由系統前面板進行模擬顯示，依此來仿真保護中開關量的輸出和事故的報告。

LabVIEW仿真微機保護中的動作邏輯和功能是通過軟件中的延時控件、選擇控件、邏輯判別控件、順序結構等實現的［11－13］。

圖5 故障判別流程圖Fig.5 Flow chart of fault distinguish

圖6 選相模塊Fig.6 Phase selection module

3 應用實例

二次變電站虛擬微機保護系統的前面板如圖7所示。將MATLAB得到的故障數據導入到Lab-VIEW中，各相電流采樣值為輸入量。先設置各項仿真參數，之后運行系統，測量端電流、電壓、動作結果、故障類型等數據在仿真的過程中全部可實現實時觀測，以便更好地分析保護的功能。把輸出同每一段預設值對比后，輸入到選擇控件中，通過選擇控件中的True＆False判斷是繼續進行下一段比較還是發出跳閘信號。將Ⅱ段、Ⅲ段的比較子模塊分別放入順序結構中，利用延時控件實現延時。設定電流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段整定值分別為10 A、8 A、5 A，Ⅱ段延時1 s、Ⅲ段延時2.5 s。當測量端電流小于5 A時，前面板合位和運行指示燈工作;當測量端電流大于10 A時，前面板跳位指示燈工作，且液晶屏顯示Ⅰ段動作;當測量端電流大于8 A且小于10 A時，延時1 s后前面板跳位指示燈工作，且液晶屏顯示Ⅱ段動作;當測量端電流大于5 A且小于8 A時，延時2.5 s后前面板跳位指示燈工作，且液晶屏顯示Ⅲ段動作。該結果與現場保護的動作結果相符。

圖7 二次變電站虛擬微機保護系統前面板Fig.7 Front panel of the virtual microcomputer protection system in secondary substation

4 結語

本文建立的基于虛擬技術的二次變電站虛擬微機保護系統，可以把微機保護的動作過程和相關的電氣量特征信息直觀地展示出來，保護算法及保護方式也可以靈活設置。因此，該系統可用在培訓電力公司工作人員、學校教學及剖析微機保護拒動和誤動的原因，也可為設計新的微機保護方法提供借鑒。

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