基于LabVIEW的电力系统继电保护实验系统设计

南天琦，鲁文芳

（1.山东理工大学，山东 淄博 255049；2.国网山东省电力公司滨州市沾化区供电公司，山东 滨州 256800）

基于LabVIEW的电力系统继电保护实验系统设计

南天琦1，鲁文芳2

（1.山东理工大学，山东 淄博 255049；2.国网山东省电力公司滨州市沾化区供电公司，山东 滨州 256800）

基于LabVIEW技术的模拟仿真系统，设计了一系列电力系统故障时的继电保护动作的建模实验。对继电保护各基本元件的特性进行模拟仿真，通过对元件特性动作原理的认知，完成了对时间继电器、功率方向继电器、差动继电器、电压电流继电器等的元件特性实验的模拟仿真，实现了对电力系统综合线路故障时的部分继电保护动作仿真实验。

虚拟仪器；LabVIEW；继电保护；电力系统

0 引言

由于继电保护相关的实践实验大多会关联在人身安全电压等级以上的高压、特高压，对于学生、学员的实践来说在这一方面缺乏安全性。因此，尝试利用虚拟软件技术来模拟真实的电力系统继电保护过程，能够解决这一问题。此外，在LabVIEW中有生产模拟信号和测量等功能，可以将抽象的电压、电流等物理量通过示波器表现在波形图中，从而可直观地观察这些抽象的物理量。

随着自动化技术的发展，在电网中线路的正常运行、故障期间以及故障后的恢复过程中，许多可执行的控制操作日趋高度自动化。在掌握好继电保护工作原理的基础上，利用LabVIEW软件编程，实现继电保护元件的特性实验和线路的综合实验功能，并将与实验相关的理论内容（如实验步骤、实验原理等）整合于该系统内，实现该系统基础实验与综合实验的软件化、网络化、课程资源的共享化。

1 基于LabVIEW的继电保护实验系统设计

基于LabVIEW的继电保护实验平台是一个具有信号采集与分析的多功能虚拟继电保护实验平台。本实验系统中，利用LabVIEW软件编程，实现了继电保护元件特性的模拟实验功能，完成了对元件整定值检测的实验，并编程实现了部分继电保护的综合线路模拟故障操作实验。

1.1 可视化编程语言的选择

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言［1］。采用LabVIEW来实现电力系统继电保护的实验模拟，它提供很多外观与传统仪器类似的控件，如各种旋钮、开关、表头、示波器、万用表、LED指示灯以及各种类型的图表、波形图等［2］。LabVIEW软件的程序结构包括：顺序结构、循环结构、事件结构以及条件结构等，其内部集成了大量的生成图形界面的模板，可用来方便地创建用户界面，并可使用图标和连线，通过编程对前面板上的对象进行控制，LabVIEW使得过去繁琐、枯燥的传统软件开发变得简单、方便，如表1所示。

表1 虚拟仪器与传统仪器的比较

LabVIEW具有丰富实用的信号处理、数值分析功能，如各种滤波器、信号发生器以及波形转换等，大大方便和简化了用户的设计开发工作，特别是适用于复杂的编程设计，基于此，本系统采用了LabVIEW软件来实现电力系统继电保护实验系统的设计。

1.2 软件功能模块的设计

电力系统发生故障后，工频电气量会有明显的特征变化，而这些分量在正常运行时是不出现的，如电流的增大、电压的降低、电流与电压之间的相位角的改变以及不对称短路时会出现相序分量等［4］。本实验所模拟的继电保护系统是由若干个不同功能的继电器所组成的，每个继电器都包括感受元件、比较元件和执行元件三个部分，这三部分分工顺序合作，在满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求的前提下最终完成由对控制量变化的测量到继电器是否输出动作的任务［5］。

电力系统的继电保护根据被保护对象的不同，分为元件保护和线路保护，按作用不同又可分为主保护、后备保护和辅助保护，本模拟系统按元件特性实验和线路保护实验来分类设计。用LabVIEW软件来模拟仿真电力系统故障时的继电保护动作，一共分为两大模块，具体方案设计如图1所示。第一模块是对继电器元件特性进行动作原理的模拟演示，本模块中实现完成了对包括主继电器（如电流、电压和功率方向继电器等）和辅助继电器（如时间、中间和信号继电器等）的模拟仿真实验。第二模块是对电力系统综合线路的继电保护动作进行模拟演示，在本模块中编程实现了对电力系统中电流三段保护的模拟，包括电流速度保护、限时电流速断保护以及定时限过电流保护的模拟实验，此外，同时实现了方向性电流保护和零序电流I段保护等继电保护的模拟实验。

图1 继电保护模拟实验的分解图

2 继电保护元件特性实验设计

以实现时间继电器的模拟实验为例。时间继电器的工作原理是当动作信号输入（或去掉）后，其输出电路要经过一个用户预先设定的延时时间后才能发生动作变化，是用来接通或切断较高电压、较大电流的电路的电气元件，一般在较低的电压或较小电流的电路中使用。

2.1 时间继电器仿真实验设计

首先要熟知时间继电器的工作原理及运用特性，然后利用LabVIEW前面板的功能模块组建相应的可以实现时间继电器特性功能的结构模块，对其进行模拟仿真。

模块一：时间继电器的简介。本实验设计根据教学通用试验台采用DS-32型时间继电器为模型，使学员快速了解时间继电器的基本概念、使用要求等，如图2所示。

图2 时间继电器简介界面

图3 时间继电器特性原理图

模块二：时间继电器特性原理图的设计。使用动画的形式将其工作原理表现得更清晰易懂 （如图3）。在原理图中学习者可以通过动手改变时间继电器的设定值来观察其延时动作效果，通过LabVIEW这样的模拟实验，不仅方便快捷的了解了真实线路中的时间继电器功用及其特性，而且可以减少作业现场时间继电器因为不断重复演示操作而带来的损耗。

模块三：动作误差计算的设计。基于时间继电器的动作原理，考虑到现实线路中时间继电器的工作状态延时情况，本实验加入了一项动作延时误差计算，使模拟仿真更切实际，如图4所示。

图4 时间继电器延时误差计算模拟界面

2.2 继电器接线动作设计

根据现实试验台中时间继电器的操作实验，用LabVIEW进行了时间继电器（DS-32型）特性的模拟仿真实验，如图5所示。在时间继电器特性的模拟仿真实验过程中，设计了“时间延时动作”的前面板演示模块，该面板显示是可以随着外界参数设置的变化而相应变化的，这项动态演示功能后面板编程却很难与显示界面的手动随机设置参数值相配合，本编程考虑应用了移位寄存器与延时设定和指示相配合的方法，最终完成了延时计时的动态显示效果，编程如图6所示。

图5 时间继电器模拟接线实验界面

图6 时间继电器延时动作编程界面

3 电力系统综合线路继电保护仿真实验实现

继电保护装置在运行线路中必须具有能正确区分被保护元件是否处于正常运行状态功能的一个整体保护装置［6］。对于学习整体的电力系统继电保护还需要对整体的线路网络进行综合的研究与分析，在能够对基本的继电器工作原理有熟练掌握之后，实验设计了一系列基于电力系统综合线路的继电保护动作模拟实验，以实现电流速断保护的仿真实验为例说明。

电流速断保护是当线路中短路电流幅值增大而瞬时动作的电流保护。根据其工作原理，电流继电器接于电流互感器TA的二次侧，它动作后启动中间继电器，其触点闭合后，经信号继电器发出信号同时接通断路器跳闸线圈。实验设计流程图如图7所示。

图7 电流速断保护的模拟实验流程

根据流程图设计，用LabVIEW软件使线路的电流速断保护工作原理呈现动态模式，操作模拟系统能够使学习者清晰的了解该保护整体运行的先后动作顺序，使学习内容更加有趣。本实验系统中模拟了电流速断保护的动态单相原理接线实验，如图8，接线的动态程序设计如图9所示。

图8 电流速断保护的单相原理接线界面

为了使学习便于理解，实验还为此复杂回路设计了结构简单的展开图，程序如图10所示。

图9 电流速断保护的单相原理接线编程界面

图10 电流速断保护的展开演示图及其编程界面

首先学习者通过选项下拉栏对要模拟实验线路的种类和电压等级进行选择，设定AB间和BC间的总距离，对电网线路进行执行初始化，如图11所示；然后进行短路电路计算的测试实验，选择要实验的短路区间，并在模拟的线路图中通过拖动短路符号来设定短路点的位置进行短路测试，如图12所示。

执行线路的初始化能够得到整定计算结果，同时系统自动根据数据画出短路电流特性曲线图，如图13所示，进行短路计算的后面板编程是通过输入数据量与波形图来实现完成的，如图14所示。

图11 电网线路初始化界面

图12 短路电流计算测试的界面

图13 整定计算结果及电流特性曲线界面图

图14 短路电流整定计算实验的编程界面

在本实验操作中，实现了将手动操作设定线路短路点与短路电流的计算值相一致的功能效果，能够更形象地表现出现实中线路短路时的随机性，在此过程中通过用滑动变量杆来改编为可改变短路点距离的线路，通过将输入到滑杆里的数据转化为DBL数据量，再进行后面板的计算，在此基础上完成了对电流速断保护的模拟仿真实验。

4 继电保护实验系统功能测试

实验系统设计采用模块化的设计思想，把系统实验软件分为元件特性和综合线路模拟两大模块，根据完成效果任务不同，实验模块又具体分为功能简介、接线图仿真、原理设计、操作动画设计、数据采集储存分析和图像处理六个模块。使用LabVIEW将这些模块编制为子VI，使其在功能上保持相对独立，根据测试任务的需要，学习者可将其组合在一个任务框架内组成一个完整的系统，也可根据后续功能扩展单独调用各个子VI，减少了重复性编程工作，增强了实验系统的扩展性和集成性。实验系统软件的功能与模块组成如图15所示。

图15 实验系统的模块组成

打开实验系统，在未经操作的情况下显示实验进入界面，点击“进入”按钮，后面板编程执行子程序的调用功能，进入下一页分类实验界面。在进行设置子VI程序调用时，必须注意子VI节点的设置，否则会在程序执行的过程中不能打开。选择进入各个继电器元件特性实验的子模块 （以功率方向继电器特性实验为例），操作界面如图16所示。

返回到主界面，选择进入电力系统综合线路保护模拟实验模块，对线路的各个模拟故障保护实验进行选择（以电流速断保护模拟实验为例），进入操作界面如图17所示。

5 结语

继电保护实验系统可以完成对电力系统继电保护实验的模拟仿真，建立了一个可通过计算机操作教学的继电保护实验平台，能够实现将抽象的电压、电流等物理量由波形图表现出来，同时仿真了电力系统线路中故障出现的不确定性，能够实现对随机数据进行处理分析并得出结果，从而使学习者可观察物理量的直观效果。仿真主要包括部分继电保护元件特性的针对性研究，同时还设计实现了模拟真实线路故障时的继电保护动作，系统结构简单、动作安全且易操作，使学习者真正可以通过操作软件就能理解室外高压线路故障时的保护工作原理，提高学习效率，避免实践中的安全隐患。

图16 元件特性实验操作界面

图17 综合线路的模拟保护实验操作界面

［1］胡仁喜，高海宾.LabVIEW2010中文版虚拟仪器从入门到精通［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［2］王亚丽，黄勇坚.LabVIEW在电子线路实验教学中的应用 ［J］.电子技术，2010，37（11）：69－70，63.

［3］陈金平.LabVIEW 与 Matlab接口的方法［J］.自动化仪表，2004，25（3）：53－54.

［4］韩应江，员莹.基于AT89C55WD的微机继电保护实验装置研制［J］.电力自动化设备，2007，27（6）：95－98.

［5］张保会，尹项根.电力系统继电保护［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［6］陈权.电力网络中的继电保护系统设计与应用［J］.机电信息，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，从事电力工程及其自动化专业研究。