一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的線路保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

梁?jiǎn)? 李梅 鄭曉亮 邢麗坤

摘?要：針對(duì)現(xiàn)有微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)時(shí)采用固化的程序，使得微機(jī)保護(hù)算法的學(xué)習(xí)不直觀，設(shè)計(jì)了一種基于Simulink、DSP和模擬線路裝置的線路微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用Simulink建立了微機(jī)線路保護(hù)的仿真模型，利用代碼自動(dòng)生成技術(shù)將仿真模型生成針對(duì)TI公司DSP的工程文件和C代碼，將編譯后代碼裝載到以TMS320LF28335為核心的DSP控制板中并和模擬線路裝置配合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所開發(fā)的微機(jī)線路保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)動(dòng)作原理清晰，易于學(xué)生理解。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);線路;微機(jī)保護(hù);實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

繼電保護(hù)課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)課，該課程理論內(nèi)容比較抽象，且與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合緊密，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段加深理解。目前現(xiàn)有的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置有的是采用電磁型繼電器構(gòu)成，[1]有的是采用工業(yè)微機(jī)保護(hù)裝置配合信號(hào)發(fā)生器構(gòu)成。[2]采用電磁型繼電器構(gòu)成的繼電保護(hù)直觀，易理解;工業(yè)上使用的微機(jī)保護(hù)裝置主要依靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的整定和動(dòng)作，使得其動(dòng)作行為不透明，造成學(xué)生難以充分理解微機(jī)保護(hù)動(dòng)作原理，增加了學(xué)習(xí)微機(jī)繼電保護(hù)課程的難度。[3]

許多學(xué)者提出了利用Matlab、DSP或可編程器件構(gòu)成微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置。[3]基于模型設(shè)計(jì)的方法在電機(jī)控制、嵌入式開發(fā)、汽車電子等領(lǐng)域己獲得廣泛應(yīng)用。它利用Matlab作為平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)Simulink算法模型到C代碼的自動(dòng)轉(zhuǎn)化。[4]

基于上述分析，本文設(shè)計(jì)了一種電力系統(tǒng)微機(jī)線路保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)采用Simulink軟件撘建線路仿真模型并采用S函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)保護(hù)算法，然后轉(zhuǎn)換為DSP的工程文件，下載到DSP硬件平臺(tái)，和模擬線路裝置配合進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，通過(guò)此平臺(tái)，使學(xué)生了解微機(jī)繼電保護(hù)裝置的組成、軟件算法、運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)變化以及動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手能力及解決問(wèn)題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由三部分構(gòu)成：計(jì)算機(jī)、DSP控制板、模擬線路裝置。如圖1 所示。圖1 中，計(jì)算機(jī)上裝有Matlab軟件;DSP控制板包括DSP芯片、電壓和電流采集調(diào)理電路、開關(guān)量輸出以及輸入電路;模擬線路裝置由自耦調(diào)壓器、電抗器和斷路器組成，可以人為設(shè)置短路故障。計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口和DSP的JTAG仿真器相連，電壓和電流互感器用來(lái)采集模擬線路的電壓、電流信息，開關(guān)量輸出用以控制模擬線路的斷路器的合閘和分閘。DSP用來(lái)完成數(shù)據(jù)采集和處理，選用TI公司的TMS320L28335芯片，采樣頻率可自主設(shè)定。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)的時(shí)候通過(guò) Matlab的GUI 界面，可以進(jìn)入不同類型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，鏈接Simulink仿真環(huán)境并打開實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的仿真模型，觀察模型的構(gòu)成，通過(guò)在相應(yīng)的子界面中設(shè)置和調(diào)整仿真參數(shù)，進(jìn)行仿真試驗(yàn);仿真結(jié)束后，打開對(duì)應(yīng)的帶有DSP模塊的仿真模型，通過(guò)Matlab提供的（Real Time Work shop，RTW）自動(dòng)生成DSP工程文件代碼，并啟動(dòng)DSP的調(diào)試軟件，編譯正確后生成DSP 可執(zhí)行.out文件，下載進(jìn)DSP芯片中，配合線路模型運(yùn)行，驗(yàn)證線路保護(hù)的原理。仿真平臺(tái)設(shè)有數(shù)字式繼電器實(shí)驗(yàn)、微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)三類，每一類又包括不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)置明細(xì)見下表。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

2.1 GUI界面的設(shè)計(jì)

為了方便學(xué)生調(diào)試和驗(yàn)證，基于Matlab/GUI建立了可視化用戶界面，用于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制Simulink仿真，可以改變保護(hù)整定值，線路參數(shù)，并查看相應(yīng)仿真結(jié)果。GUI界面分為主界面和子界面，主界面在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后就能見到，主界面按照表1設(shè)計(jì)，主要是各種類型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇，見圖2所示。點(diǎn)擊每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目就可以進(jìn)入相應(yīng)的子界面，每個(gè)子界面內(nèi)容可分為參數(shù)輸入、實(shí)驗(yàn)原理說(shuō)明、運(yùn)行仿真和模型設(shè)計(jì)4大部分。圖3為點(diǎn)擊主界面中的電流繼電器特性實(shí)驗(yàn)后出現(xiàn)的子界面。本文中的GUI界面通過(guò)Matlab圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境GUIDE來(lái)實(shí)現(xiàn)。

每個(gè)選中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都給出了簡(jiǎn)要的原理說(shuō)明，點(diǎn)擊“運(yùn)行仿真”即可打開Simulink構(gòu)成的模型界面并進(jìn)行仿真，而點(diǎn)擊“退出”按鈕，則可以退出子界面，回到主界面。點(diǎn)擊“模型設(shè)計(jì)”則可進(jìn)入到帶有DSP模塊的Simulink模型界面。

2.2 模型設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

RTW是用來(lái)從Simulink模型生成包括C程序在內(nèi)的完整CCS工程的工具。Math Works公司將C2000系列DSP 完整集成到Embedded Coder工具箱中，并且DSP 的底層驅(qū)動(dòng)都被模塊化封裝。使用這些模塊，可以在Simulink中實(shí)現(xiàn)DSP硬件寄存器的初始化和操作。

生成C代碼之前，在Simulink環(huán)境下要先建立與目標(biāo)板DSP28335相匹配的功能模塊模型，圖4為根據(jù)電流繼電器實(shí)驗(yàn)仿真模型搭建的能夠產(chǎn)生實(shí)時(shí)代碼的控制模型，圖4中刪除了圖3仿真模型中的硬件部分，只保留全波傅氏算法等軟件部分，以及AD和作為定時(shí)器的PWM模塊。

（a）功能代碼模型主界面

（b）Function-call Subsystem 子模型

圖4 功能代碼模型

圖4中（b）為（a）圖中的Function-call Subsystem里面的內(nèi)容，（b）圖中，ADC模塊用于采集線路電流，采樣通道為 AD0，采樣頻率為600 Hz;Iref模塊用于在DSP的內(nèi)存空間里定義一個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)電流保護(hù)的整定值，Digital Output模塊用于輸出控制線路斷路器合閘和分閘的高、低電平。模型中的F28335eZdsp模塊不參與系統(tǒng)仿真，只用于代碼直接生成過(guò)程的一 些參數(shù)設(shè)置。

圖4（b）中的S-Function Builder模塊用于生成S函數(shù)，主要功能是實(shí)現(xiàn)全波傅氏算法，S-Function builder為用戶創(chuàng)建S-Function提供了一個(gè)便捷的圖形化環(huán)境，其使用的時(shí)候必須設(shè)置狀態(tài)變量及其初始值，并設(shè)置采樣時(shí)間;設(shè)置模塊I/O口及工作參數(shù);設(shè)置外部函數(shù)庫(kù);計(jì)算離散狀態(tài)更新;計(jì)算連續(xù)狀態(tài)導(dǎo)數(shù);計(jì)算輸出信號(hào)。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]可知，對(duì)于數(shù)據(jù)序列X的工頻基波，當(dāng)N=12，即30o一個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)，全波傅里葉算法中的正弦系數(shù)和余弦系數(shù)可以按下式求取：

對(duì)于式（1）～（3），本文采用S函數(shù)實(shí)現(xiàn)，在采用S-Function Builder模塊生成S函數(shù)的時(shí)候，輸入為采集的電流信號(hào)，輸出為電流的有效值信號(hào)，由于計(jì)算的時(shí)候需要N個(gè)采樣值，所以離散變量設(shè)置為12個(gè)，采樣時(shí)間設(shè)置為1/（12*50）。以C語(yǔ)言為載體寫入S-Function Builder中，執(zhí)行編譯，編譯器即可自動(dòng)生成相應(yīng)的S函數(shù)。

代碼生成之前，可進(jìn)行優(yōu)化配置，目的是提高C代碼的執(zhí)行效率。優(yōu)化配置完成后，通過(guò)仿真器將電腦與DSP目標(biāo)板連接，在圖4的代碼模型中，點(diǎn)擊Simulink界面的Build Model按鈕，Matlab會(huì)啟動(dòng)CCS進(jìn)行代碼生成，生成的工程文件在CCS中自動(dòng)打開。

3 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用Matlab/simulink設(shè)計(jì)開發(fā)出一套微機(jī)線路保護(hù)教學(xué)軟件和與其相配套的硬件裝置，教學(xué)軟件集原理說(shuō)明、參數(shù)設(shè)置、仿真操作、波形顯示等為一體，同時(shí)可以直接和硬件相配合，生成相應(yīng)的C語(yǔ)言代碼，并下載到配套的DSP里運(yùn)行。本平臺(tái)將整個(gè)微機(jī)線路保護(hù)的過(guò)程都圖形化，使學(xué)生更容易理解微機(jī)保護(hù)的原理。教學(xué)實(shí)踐證明，開發(fā)的微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)極大地提升了教學(xué)質(zhì)量，有助于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手力以及分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]仉志華，康忠健，王艷松.電力系統(tǒng)線路保護(hù)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（5）：41-43.

[2]李秀琴，焦彥軍，梁旭.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)通用試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（6）：44-47.

[3]李清泉，馮知海，孫欽佩，等.基于Matlab+DSP的綜合型微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].黑龍江電力，2017，639（3）：224-228.

[4]逢海萍，郭浩.基于模型設(shè)計(jì)的DSP電機(jī)控制代碼開發(fā)[J].微特電機(jī)，2017，45（3）：53-56.

[5]趙建文，付周興.電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

作者簡(jiǎn)介：梁?jiǎn)矗?975-），男，博士研究生，副教授，從事電氣工程等方面的教學(xué)和研究。