基于虚拟仪器的多功能继电保护实验装置

2018-04-16王晓波张惠忠王锌桐

安徽电气工程职业技术学院学报 2018年1期

王晓波，张惠忠，王锌桐，李　淼

(1.安徽电气工程职业技术学院，安徽　合肥　230051；2.国网安徽省电力有限公司培训中心，安徽　合肥　230022；3.合肥工业大学，安徽　合肥　230009)

1　引言

继电保护装置是反映电力系统中电气设备故障或者不正常工作状态，而作用于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置[1]。根据规程规定，任何电气设备在没有继电保护装置的情况下，是不允许投入运行的[2]。

为了保证继电保护装置的正确工作，在研制、生产、安装验收、定期和补充检验各个阶段，都需要十分认真地对继电保护装置进行试验[3]。继电保护试验人员的水平直接会影响继电保护装置的试验结果，因此，需要建立继电保护实验室以供试验人员进行训练学习，以提高试验水平。

继电保护装置种类繁多，建设一个功能齐全的实验室需要占用很大的实验室面积；继电保护装置价格昂贵，尤其是超高压特高压设备的保护装置，价格特别昂贵，建设继电保护实验室花费巨大；继电保护装置更新换代快，随着现场实际设备的更新换代，实验室继电保护装置也需要更新换代，建设压力巨大。因此，能以较少的资金、较小的占地面积建设继电保护实验室，是非常有必要的。

2　虚拟继电保护装置的构成原理与方法

本文提出一种基于虚拟仪器的多功能型继电保护实验套装，由本套装一套设备即可完成所有需要的继电保护装置的实验，并可以进行功能扩展，开发新的继电保护装置，以完成继电保护装置的更新换代的实验需要[4]。

本文提出的装置需要的软件采用NI公司的LabVIEW软件，当然也可以采用其他虚拟仪器编程软件。硬件部分包括两台计算机、六块数据采集卡(其中两块既具有模拟量输入、输出功能，也具有数字量输入、输出功能；一块只具有模拟量输入功能；一块只具有模拟量输出功能；还有另外两块只具有数字量输入、输出功能)和两块LED显示屏，如图1所示。

图1　虚拟继电保护装置硬件结构图

计算机1用来构成继电保护测试仪；计算机2用来构成继电保护装置；数据采集卡1用来配合计算机1构成继电保护测试仪，这块采集卡既具有模拟量输入、输出功能，也具有数字量输入、输出功能；数据采集卡2用来配合计算机2构成继电保护装置，这块采集卡既具有模拟量输入、输出功能，也具有数字量输入、输出功能；数据采集卡3只有数字量输入、输出功能，用来配合计算机1、2判断继电保护试验中的接线是否正确；数据采集卡4只有数字量输入、输出功能，用来配合计算机1、2判断继电保护试验中的接线是否正确；数据采集卡5只有模拟量输入功能，用来配合计算机1判断继电保护试验中的接线是否正确；数据采集卡6只有模拟量输出功能，用来配合计算机2判断继电保护试验中的接线是否正确；LED显示屏1用来显示在计算机1执行某个程序时，数据采集卡1的端子位对应的继电保护测试仪端子；LED显示屏2用来显示在计算机2执行某个程序时，数据采集卡2的端子位对应的继电保护装置端子。

图2　虚拟继电保护装置　　操作软件主界面

计算机1的软件程序主要包括三个部分，第一部分为虚拟继电保护测试仪的驱动程序，负责启动数据采集卡1的相关部分；第二部分为LED显示屏的驱动程序，负责启动LED显示屏1的字幕显示；第三部分为预检测程序，负责启动数据采集卡3和数据采集卡5的相关部分，用来判断是否正确接线。计算机2的软件程序主要也包括三个部分，第一部分为虚拟继电保护装置的驱动程序，其中包括若干个子程序，负责启动数据采集卡2的相关部分，每个子程序使数据采集卡2对应的实际继电保护装置硬件含义不同，启动不同的子程序则数据采集卡2和计算机2配合，成为不同的虚拟继电保护装置；第二部分为LED显示屏的驱动程序，负责启动LED显示屏2的字幕显示，也包括若干个子程序，每个子程序使LED显示屏2显示不同的字幕，启动不同的子程序则LED显示屏2用来显示此时数据采集卡2接线端子对应的实际继电保护装置的端子内容；第三部分为预检测程序，负责启动数据采集卡4和数据采集卡6的相关部分，用来判断是否正确接线。

为了能更清楚地说明本装置，下面举具体例子说明。现在需要用本继电保护实验套装进行DL-32型电流继电器动作特性实验。首先打开计算机1，进入主程序，进入界面情况见图2。显示界面1部分完全和真实的继电保护测试仪相同，主要包括电压、电流、数字量输入、输出等功能显示，“预检测”与“开始实验”为两个按钮，当虚拟继电保护测试仪与虚拟继电保护装置完成接线以后，首先不要按下“开始实验”按钮，要先按下“预检测”按钮。按下“预检测”按钮后，虚拟继电保护测试仪中对应的硬件，即数据采集卡1并不发生模拟量和数字量，也就没有电量加在数据采集卡2上，也即虚拟继电保护装置上，由于并没有电量存在，不会烧坏硬件。打开计算机2，进入主程序，进入界面情况见图3。按下“DL-32电流继电器”按钮后，进入界面情况如图4，其中“显示界面部分”用来模拟DL-32型电流继电器。开始实验时，按照下列步骤进行。

图3　装置继电器选择界面　　图4　电流继电器模拟界面

(1)打开计算机1和计算机2，分别进入计算机1和计算机2的主程序，然后在计算机2上选择需要进行实验的继电保护装置，这里选择“DL-32电流继电器”，此时，LED显示屏1和LED显示屏2按照继电保护实验需求(程序事先设定)进行显示，这样的目的是使虚拟仪器的硬件标识更加清楚。

(2)按照实验原理接线(即图5的接线)。

图5　测试电流继电器特性接线图

(3)接线完成后，点击计算机1此时界面中的“预检测”按钮，由于计算机1与计算机2具有通讯关系，此时，计算机2也会按照事先程序预定进行。计算机2中程序控制使数据采集卡6上的端子：Y6-1和Y6- 4产生电流，并且电流数值不相同，比如Y6-1上电流为5mA，Y6- 4上的电流为10mA。数据采集卡3的常开接点1和3闭合，数据采集卡4的常开接点1和4闭合。此时，如果实验操作者接线正确，则数据采集卡5的端子Y5-1上接收到10mA的电流，端子Y5-2上接收到5mA的电流，数据采集卡5把这个数据传送到计算机1。计算机1中预先编制好的程序如果判定数据采集卡5的端子Y5-1上接收到10mA的电流，端子Y5-2上接收到5mA的电流，则认为接线正确，否则认为接线错误。

(4)如果计算机1判定接线错误，则实验操作者需要检查接线，检查并且调整接线后再进行以上步骤。如果计算机1判定接线正确，则提示实验操作者，可以进行下一步。

(5)完成“预检测”后，按下“开始实验”按钮，此时，数据采集卡6上不再发生电流，数据采集卡3和数据采集卡4的常开接点再次打开。数据采集卡1由计算机1的程序控制，加上相应的电流，可以进行正常实验。

以上的检测中，之所以只检测Ia与In的接线是否正确，是因为这两个接线端子位电流，如果接错线会对仪器造成损坏，而无源端子即使接错线，也不会产生损坏元器件的致命错误。这里，设计为不检测，首先可以节约硬件，其次由于继电保护实验中接线方法可能并不唯一，这样检测会大大占用硬件和软件资源。