微机保护虚拟实验的开发与应用

杨宏宇++田有文++赵静翔

摘 要 以微机两段式电流保护为例，详细介绍利用LabVIEW开发出一套微机保护虚拟实验教学平台。实践应用表明，微机保护虚拟实验具有成本低廉、操作方便、方便升级、功能完善的优势，实验教学质量显著提升。

关键词 虚拟仪器；微机保护；实验教学；LabVIEW

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）02-0043-03

1 引言

继电保护在电力系统中占有重要的地位，是一个必不可少的环节。微机继电保护几乎完全取缔了传统继电保护装置，在电力系统保护方面已经占到主导位置。在微机保护教学中，为了使学生加深对所学理论知识的理解，培养学生的实践能力、分析问题和解决问题能力以及科技创新能力，往往设置一些相关实验。但微机保护装置价格昂贵，维护费用也高，且实验设备功能单一，致使一些院校放弃了微机保护实验，从而影响了教学质量。

基于虚拟仪器的实验教学系统是建立在软件教学基础上的。虚拟仪器技术利用高效灵活的软件控制高性能的硬件，增强系统功能与灵活性。虚拟仪器具有交互性、数字化、模块化、易于网络化等明显特点，适合于开发虚拟实验系统，以满足现代实验教学要求。所以，许多高等院校开发了电气工程类课程的虚拟仿真实验，大大增强了实验教学效果。本文探索将虚拟仪器技术用于微机保护的实验教学中，利用LabVIEW开发平台设计出一套低成本、高效率、方便升级的微机保护教学虚拟实验，实现微机保护实验可视化，在原理方面、工作过程方面以及使用方面能够让学生更直观、更简单地掌握微机保护理论，以创新实验手段和方式，优化教学活动，提高实验教学水平。

2 微机保护实验的开发

本文利用虚拟仪器技术开发的微机保护实验包括两段式电流保护、三段式电流保护、方向性电流保护、零序电流保护、自动重合闸原理等。下面以两段式电流保护为例，即无时限电流速断保护（电流I段）、定时限过电流保护（电流Ⅲ段），说明应用虚拟仪器技术开发微机保护实验的过程。

系统设计 利用LabVIEW设计时，会出现有两个部分，一个部分为前面板，另一部分为程序框图。前面板由输入控件和显示控件组成，输入控件是指旋钮、按钮等输入装置。显示控件是指指示灯等显示装置。输入控件模拟仪器的输入装置，为VI的程序框图提供数据。显示控件模拟仪器的输出装置，用以显示程序框图获取或生成的数据。在利用LabVIEW进行程序框图设计时，会用到一些对象，它们主要来自五大子模板，即结构子模板、数值子模板、布尔子模板、比较子模板、定时子模板。

在两段式电流保护中，整定电流是保护动作的重要根据。电流I段保护中动作电流是为保证选择性，保护装置的起动电流应按躲开下一条线路出口处短路时，通过保护的最大短路电流来整定。而电流Ⅲ段保护中动作电流是按躲开被保护线路的最大负荷电流，且在自起动电流下继电器能可靠返回来整定。这两个整定电流是变量，且是按特定需要来随时进行改变的，所以在程序框图设计中需要添加两个转换为输入控件的数值常量，以便用户可以随时更改自己输入的数据。

电流I段保护的动作时间较小，可认为是时间为零。而电流Ⅲ段保护中，由于保护范围很大，为保证保护动作的选择性，其保护动作延时应比下一条线路的电流Ⅲ段的动作时间长一个时限阶段。在电流Ⅲ段保护中要有时间延迟，则需要设计延时，设计时会用到结构模板中的层叠式顺序结构和定时模板中的时间延时，将两个组合起来就可以实现延时的效果，并且延时的时间长短可以再根据自己需要更改。如图1所示，延时程序框图。

在本系统中，当线路未出现故障时，也就是线路正常运行时，则需要显示出来；当线路出现故障时，电流I段保护和电流Ⅲ段保护也要运行、动作、保护，则也需要显示出来。这就要用到布尔模板中转换为显示控件的布尔常量，在前面板上会显示成指示灯，灯亮不亮对应于是否在工作。

本系统还设计了总电源开关，来显示系统是否通电。

系统功能 本系统的人机界面设计以四方微机保护装置为背景，分别设计了电源开关、指示灯、按键。指示灯显示当前装置的工作状况，如同实际保护装置一样进行相应的显示和指示，虚拟前面板上的按键可用鼠标点击进行操作。

微机保护装置的前面板见图2：“开”为电源开关键；“电流”“I段整定”“Ⅲ段整定”为输入数据键；“电源”表示电源开关的状态；“正常”表示线路处于正常状态；“I段”表示I段保护在工作；“Ⅲ段”表示Ⅲ段保护在工作。

当装置正常工作时，“正常”灯亮，可以通过“电流”“I段整定”“Ⅲ段整定”键来输入数据，其中“I段整定”“Ⅲ段整定”输入的是保护所需要的整定电流取值。图3为基于LabVIEW的设计原理图。

对于微机两段式电流保护实验的操作过程，首先打开电源，然后输入两个通过收集和运算得到的电流整定值，分别输入到“I段整定”“Ⅲ段整定”中，其中I段整定值要比Ⅲ段整定值大。如分别输入“5”“3”，当“电流”值为1到3 A（大于0小于3 A）时，前面板中“正常”灯会亮；然而当“电流”值为4 A（大于等于3小于5 A）时，“Ⅲ段”灯会亮，并且延时0.5 s；当“电流”值为7 A（大于等于5 A）时，“I段”灯会迅速亮。最后，当不用时，可以直接关闭电源。

3 结束语

本文利用虚拟仪器技术实现了微机保护实验，构建了外观与实际装置相同、功能也与实际装置相同且功能更多样的微机保护虚拟实验平台。此虚拟实验实现了可视化功能，通过“图形”方式展现出实际装置，给人一种一目了然的感觉。而且能够弥补传统仪器的很多不足之处，又能够发挥其在操作、使用、价格和功能等方面的优势，学生仅从前面板上就可以完成整个微机保护装置的工作过程。另外，虚拟仪器技术充分将硬件软件化，减少了以前大部分硬件检修费用和硬件更换费用，且本身费用也相对较低；微机保护软件落后可以进行升级更新，如果需要新的功能，则可以把新的功能模块调用到系统中，并且不受内存大小的影响，本身自动化、智能化程度也很高。

在实践应用中，学生可以通过修改参数、不断调试，反复实验，对比分析，在实践中深刻理解和掌握微机保护的知识，使理论学习和实践紧密结合，学习过程更加生动形象，从而提升实验教学质量，因此在其他高校中具有推广应用价值。

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