基于LabVIEW的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

南天琦，魯文芳

（1.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255049；2.國(guó)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(hù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

南天琦1，魯文芳2

（1.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255049；2.國(guó)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(jì)了一系列電力系統(tǒng)故障時(shí)的繼電保護(hù)動(dòng)作的建模實(shí)驗(yàn)。對(duì)繼電保護(hù)各基本元件的特性進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)對(duì)元件特性動(dòng)作原理的認(rèn)知，完成了對(duì)時(shí)間繼電器、功率方向繼電器、差動(dòng)繼電器、電壓電流繼電器等的元件特性實(shí)驗(yàn)的模擬仿真，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力系統(tǒng)綜合線路故障時(shí)的部分繼電保護(hù)動(dòng)作仿真實(shí)驗(yàn)。

虛擬儀器；LabVIEW；繼電保護(hù)；電力系統(tǒng)

0 引言

由于繼電保護(hù)相關(guān)的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)大多會(huì)關(guān)聯(lián)在人身安全電壓等級(jí)以上的高壓、特高壓，對(duì)于學(xué)生、學(xué)員的實(shí)踐來(lái)說(shuō)在這一方面缺乏安全性。因此，嘗試?yán)锰摂M軟件技術(shù)來(lái)模擬真實(shí)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)過(guò)程，能夠解決這一問(wèn)題。此外，在LabVIEW中有生產(chǎn)模擬信號(hào)和測(cè)量等功能，可以將抽象的電壓、電流等物理量通過(guò)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(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，在電網(wǎng)中線路的正常運(yùn)行、故障期間以及故障后的恢復(fù)過(guò)程中，許多可執(zhí)行的控制操作日趨高度自動(dòng)化。在掌握好繼電保護(hù)工作原理的基礎(chǔ)上，利用LabVIEW軟件編程，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)元件的特性實(shí)驗(yàn)和線路的綜合實(shí)驗(yàn)功能，并將與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論內(nèi)容（如實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)原理等）整合于該系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與綜合實(shí)驗(yàn)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(hù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)具有信號(hào)采集與分析的多功能虛擬繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，利用LabVIEW軟件編程，實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)元件特性的模擬實(shí)驗(yàn)功能，完成了對(duì)元件整定值檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)，并編程實(shí)現(xiàn)了部分繼電保護(hù)的綜合線路模擬故障操作實(shí)驗(yàn)。

1.1 可視化編程語(yǔ)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(yǔ)言［1］。采用LabVIEW來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的實(shí)驗(yàn)?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(kāi)關(guān)、表頭、示波器、萬(wàn)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(lái)方便地創(chuàng)建用戶界面，并可使用圖標(biāo)和連線，通過(guò)編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制，LabVIEW使得過(guò)去繁瑣、枯燥的傳統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)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(shí)用的信號(hào)處理、數(shù)值分析功能，如各種濾波器、信號(hào)發(fā)生器以及波形轉(zhuǎn)換等，大大方便和簡(jiǎn)化了用戶的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作，特別是適用于復(fù)雜的編程設(shè)計(jì)，基于此，本系統(tǒng)采用了LabVIEW軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1.2 軟件功能模塊的設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，工頻電氣量會(huì)有明顯的特征變化，而這些分量在正常運(yùn)行時(shí)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(duì)稱短路時(shí)會(huì)出現(xiàn)相序分量等［4］。本實(shí)驗(yàn)所模擬的繼電保護(hù)系統(tǒng)是由若干個(gè)不同功能的繼電器所組成的，每個(gè)繼電器都包括感受元件、比較元件和執(zhí)行元件三個(gè)部分，這三部分分工順序合作，在滿足選擇性、速動(dòng)性、靈敏性和可靠性四個(gè)基本要求的前提下最終完成由對(duì)控制量變化的測(cè)量到繼電器是否輸出動(dòng)作的任務(wù)［5］。

電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)根據(jù)被保護(hù)對(duì)象的不同，分為元件保護(hù)和線路保護(hù)，按作用不同又可分為主保護(hù)、后備保護(hù)和輔助保護(hù)，本模擬系統(tǒng)按元件特性實(shí)驗(yàn)和線路保護(hù)實(shí)驗(yàn)來(lái)分類設(shè)計(jì)。用LabVIEW軟件來(lái)模擬仿真電力系統(tǒng)故障時(shí)的繼電保護(hù)動(dòng)作，一共分為兩大模塊，具體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。第一模塊是對(duì)繼電器元件特性進(jìn)行動(dòng)作原理的模擬演示，本模塊中實(shí)現(xiàn)完成了對(duì)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(shí)間、中間和信號(hào)繼電器等）的模擬仿真實(shí)驗(yàn)。第二模塊是對(duì)電力系統(tǒng)綜合線路的繼電保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行模擬演示，在本模塊中編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力系統(tǒng)中電流三段保護(hù)的模擬，包括電流速度保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)以及定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的模擬實(shí)驗(yàn)，此外，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了方向性電流保護(hù)和零序電流I段保護(hù)等繼電保護(hù)的模擬實(shí)驗(yàn)。

圖1 繼電保護(hù)模擬實(shí)驗(yàn)的分解圖

2 繼電保護(hù)元件特性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以實(shí)現(xiàn)時(shí)間繼電器的模擬實(shí)驗(yàn)為例。時(shí)間繼電器的工作原理是當(dāng)動(dòng)作信號(hào)輸入（或去掉）后，其輸出電路要經(jīng)過(guò)一個(gè)用戶預(yù)先設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后才能發(fā)生動(dòng)作變化，是用來(lái)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(shí)間繼電器仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先要熟知時(shí)間繼電器的工作原理及運(yùn)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(shí)現(xiàn)時(shí)間繼電器特性功能的結(jié)構(gòu)模塊，對(duì)其進(jìn)行模擬仿真。

模塊一：時(shí)間繼電器的簡(jiǎn)介。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)根據(jù)教學(xué)通用試驗(yàn)臺(tái)采用DS-32型時(shí)間繼電器為模型，使學(xué)員快速了解時(shí)間繼電器的基本概念、使用要求等，如圖2所示。

圖2 時(shí)間繼電器簡(jiǎn)介界面

圖3 時(shí)間繼電器特性原理圖

模塊二：時(shí)間繼電器特性原理圖的設(shè)計(jì)。使用動(dòng)畫(huà)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(guò)動(dòng)手改變時(shí)間繼電器的設(shè)定值來(lái)觀察其延時(shí)動(dòng)作效果，通過(guò)LabVIEW這樣的模擬實(shí)驗(yàn)，不僅方便快捷的了解了真實(shí)線路中的時(shí)間繼電器功用及其特性，而且可以減少作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間繼電器因?yàn)椴粩嘀貜?fù)演示操作而帶來(lái)的損耗。

模塊三：動(dòng)作誤差計(jì)算的設(shè)計(jì)。基于時(shí)間繼電器的動(dòng)作原理，考慮到現(xiàn)實(shí)線路中時(shí)間繼電器的工作狀態(tài)延時(shí)情況，本實(shí)驗(yàn)加入了一項(xiàng)動(dòng)作延時(shí)誤差計(jì)算，使模擬仿真更切實(shí)際，如圖4所示。

圖4 時(shí)間繼電器延時(shí)誤差計(jì)算模擬界面

2.2 繼電器接線動(dòng)作設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)臺(tái)中時(shí)間繼電器的操作實(shí)驗(yàn)，用LabVIEW進(jìn)行了時(shí)間繼電器（DS-32型）特性的模擬仿真實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。在時(shí)間繼電器特性的模擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)計(jì)了“時(shí)間延時(shí)動(dòng)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(xiàng)動(dòng)態(tài)演示功能后面板編程卻很難與顯示界面的手動(dòng)隨機(jī)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(shí)設(shè)定和指示相配合的方法，最終完成了延時(shí)計(jì)時(shí)的動(dòng)態(tài)顯示效果，編程如圖6所示。

圖5 時(shí)間繼電器模擬接線實(shí)驗(yàn)界面

圖6 時(shí)間繼電器延時(shí)動(dòng)作編程界面

3 電力系統(tǒng)綜合線路繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

繼電保護(hù)裝置在運(yùn)行線路中必須具有能正確區(qū)分被保護(hù)元件是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)功能的一個(gè)整體保護(hù)裝置［6］。對(duì)于學(xué)習(xí)整體的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)還需要對(duì)整體的線路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一系列基于電力系統(tǒng)綜合線路的繼電保護(hù)動(dòng)作模擬實(shí)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)電流速斷保護(hù)的仿真實(shí)驗(yàn)為例說(shuō)明。

電流速斷保護(hù)是當(dāng)線路中短路電流幅值增大而瞬時(shí)動(dòng)作的電流保護(hù)。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(dòng)作后啟動(dòng)中間繼電器，其觸點(diǎn)閉合后，經(jīng)信號(hào)繼電器發(fā)出信號(hào)同時(shí)接通斷路器跳閘線圈。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 電流速斷保護(hù)的模擬實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)流程圖設(shè)計(jì)，用LabVIEW軟件使線路的電流速斷保護(hù)工作原理呈現(xiàn)動(dòng)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(hù)整體運(yùn)行的先后動(dòng)作順序，使學(xué)習(xí)內(nèi)容更加有趣。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中模擬了電流速斷保護(hù)的動(dòng)態(tài)單相原理接線實(shí)驗(yàn)，如圖8，接線的動(dòng)態(tài)程序設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖8 電流速斷保護(hù)的單相原理接線界面

為了使學(xué)習(xí)便于理解，實(shí)驗(yàn)還為此復(fù)雜回路設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的展開(kāi)圖，程序如圖10所示。

圖9 電流速斷保護(hù)的單相原理接線編程界面

圖10 電流速斷保護(hù)的展開(kāi)演示圖及其編程界面

首先學(xué)習(xí)者通過(guò)選項(xiàng)下拉欄對(duì)要模擬實(shí)驗(yàn)線路的種類和電壓等級(jí)進(jìn)行選擇，設(shè)定AB間和BC間的總距離，對(duì)電網(wǎng)線路進(jìn)行執(zhí)行初始化，如圖11所示；然后進(jìn)行短路電路計(jì)算的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，選擇要實(shí)驗(yàn)的短路區(qū)間，并在模擬的線路圖中通過(guò)拖動(dòng)短路符號(hào)來(lái)設(shè)定短路點(diǎn)的位置進(jìn)行短路測(cè)試，如圖12所示。

執(zhí)行線路的初始化能夠得到整定計(jì)算結(jié)果，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)數(shù)據(jù)畫(huà)出短路電流特性曲線圖，如圖13所示，進(jìn)行短路計(jì)算的后面板編程是通過(guò)輸入數(shù)據(jù)量與波形圖來(lái)實(shí)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(jì)算測(cè)試的界面

圖13 整定計(jì)算結(jié)果及電流特性曲線界面圖

圖14 短路電流整定計(jì)算實(shí)驗(yàn)的編程界面

在本實(shí)驗(yàn)操作中，實(shí)現(xiàn)了將手動(dòng)操作設(shè)定線路短路點(diǎn)與短路電流的計(jì)算值相一致的功能效果，能夠更形象地表現(xiàn)出現(xiàn)實(shí)中線路短路時(shí)的隨機(jī)性，在此過(guò)程中通過(guò)用滑動(dòng)變量桿來(lái)改編為可改變短路點(diǎn)距離的線路，通過(guò)將輸入到滑桿里的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為DBL數(shù)據(jù)量，再進(jìn)行后面板的計(jì)算，在此基礎(chǔ)上完成了對(duì)電流速斷保護(hù)的模擬仿真實(shí)驗(yàn)。

4 繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，把系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)K又具體分為功能簡(jiǎn)介、接線圖仿真、原理設(shè)計(jì)、操作動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集儲(chǔ)存分析和圖像處理六個(gè)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(duì)獨(dú)立，根據(jù)測(cè)試任務(wù)的需要，學(xué)習(xí)者可將其組合在一個(gè)任務(wù)框架內(nèi)組成一個(gè)完整的系統(tǒng)，也可根據(jù)后續(xù)功能擴(kuò)展單獨(dú)調(diào)用各個(gè)子VI，減少了重復(fù)性編程工作，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展性和集成性。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件的功能與模塊組成如圖15所示。

圖15 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模塊組成

打開(kāi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在未經(jīng)操作的情況下顯示實(shí)驗(yàn)進(jìn)入界面，點(diǎn)擊“進(jìn)入”按鈕，后面板編程執(zhí)行子程序的調(diào)用功能，進(jìn)入下一頁(yè)分類實(shí)驗(yàn)界面。在進(jìn)行設(shè)置子VI程序調(diào)用時(shí)，必須注意子VI節(jié)點(diǎn)的設(shè)置，否則會(huì)在程序執(zhí)行的過(guò)程中不能打開(kāi)。選擇進(jìn)入各個(gè)繼電器元件特性實(shí)驗(yàn)的子模塊 （以功率方向繼電器特性實(shí)驗(yàn)為例），操作界面如圖16所示。

返回到主界面，選擇進(jìn)入電力系統(tǒng)綜合線路保護(hù)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K，對(duì)線路的各個(gè)模擬故障保護(hù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選擇（以電流速斷保護(hù)模擬實(shí)驗(yàn)為例），進(jìn)入操作界面如圖17所示。

5 結(jié)語(yǔ)

繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以完成對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)的模擬仿真，建立了一個(gè)可通過(guò)計(jì)算機(jī)操作教學(xué)的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(lái)，同時(shí)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(duì)隨機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)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(hù)元件特性的針對(duì)性研究，同時(shí)還設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了模擬真實(shí)線路故障時(shí)的繼電保護(hù)動(dòng)作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作安全且易操作，使學(xué)習(xí)者真正可以通過(guò)操作軟件就能理解室外高壓線路故障時(shí)的保護(hù)工作原理，提高學(xué)習(xí)效率，避免實(shí)踐中的安全隱患。

圖16 元件特性實(shí)驗(yàn)操作界面

圖17 綜合線路的模擬保護(hù)實(shí)驗(yàn)操作界面

［1］胡仁喜，高海賓.LabVIEW2010中文版虛擬儀器從入門(mén)到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］王亞麗，黃勇堅(jiān).LabVIEW在電子線路實(shí)驗(yàn)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(dòng)化儀表，2004，25（3）：53－54.

［4］韓應(yīng)江，員瑩.基于AT89C55WD的微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置研制［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2007，27（6）：95－98.

［5］張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

［6］陳權(quán).電力網(wǎng)絡(luò)中的繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.機(jī)電信息，2010，（36）：133，135.

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(dòng)化專業(yè)研究。