一种用于实验教学的线路保护实验平台设计

梁喆 李梅 郑晓亮 邢丽坤

摘 要：针对现有微机保护实验时采用固化的程序，使得微机保护算法的学习不直观，设计了一种基于Simulink、DSP和模拟线路装置的线路微机保护实验平台。利用Simulink建立了微机线路保护的仿真模型，利用代码自动生成技术将仿真模型生成针对TI公司DSP的工程文件和C代码，将编译后代码装载到以TMS320LF28335为核心的DSP控制板中并和模拟线路装置配合进行实验。实验结果表明，所开发的微机线路保护实验平台动作原理清晰，易于学生理解。

关键词：电力系统;线路;微机保护;实验平台

继电保护课程是电气工程及其自动化专业的一门专业课，该课程理论内容比较抽象，且与工业现场结合紧密，学生在学习的过程中必须通过实验手段加深理解。目前现有的继电保护实验装置有的是采用电磁型继电器构成，[1]有的是采用工业微机保护装置配合信号发生器构成。[2]采用电磁型继电器构成的继电保护直观，易理解;工业上使用的微机保护装置主要依靠软件来实现保护的整定和动作，使得其动作行为不透明，造成学生难以充分理解微机保护动作原理，增加了学习微机继电保护课程的难度。[3]

许多学者提出了利用Matlab、DSP或可编程器件构成微机保护实验装置。[3]基于模型设计的方法在电机控制、嵌入式开发、汽车电子等领域己获得广泛应用。它利用Matlab作为平台，能够实现Simulink算法模型到C代码的自动转化。[4]

基于上述分析，本文设计了一种电力系统微机线路保护实验平台，该平台采用Simulink软件撘建线路仿真模型并采用S函数编程实现保护算法，然后转换为DSP的工程文件，下载到DSP硬件平台，和模拟线路装置配合进行实际测试，通过此平台，使学生了解微机继电保护装置的组成、软件算法、运行时的数据变化以及动作的实现过程，培养了学生动手能力及解决问题的能力。

1 实验平台设计与结构

实验平台主要由三部分构成：计算机、DSP控制板、模拟线路装置。如图1 所示。图1 中，计算机上装有Matlab软件;DSP控制板包括DSP芯片、电压和电流采集调理电路、开关量输出以及输入电路;模拟线路装置由自耦调压器、电抗器和断路器组成，可以人为设置短路故障。计算机通过USB接口和DSP的JTAG仿真器相连，电压和电流互感器用来采集模拟线路的电压、电流信息，开关量输出用以控制模拟线路的断路器的合闸和分闸。DSP用来完成数据采集和处理，选用TI公司的TMS320L28335芯片，采样频率可自主设定。

学生实验的时候通过 Matlab的GUI 界面，可以进入不同类型的实验项目，链接Simulink仿真环境并打开实验项目的仿真模型，观察模型的构成，通过在相应的子界面中设置和调整仿真参数，进行仿真试验;仿真结束后，打开对应的带有DSP模块的仿真模型，通过Matlab提供的（Real Time Work shop，RTW）自动生成DSP工程文件代码，并启动DSP的调试软件，编译正确后生成DSP 可执行.out文件，下载进DSP芯片中，配合线路模型运行，验证线路保护的原理。仿真平台设有数字式继电器实验、微机保护实验和创新实验三类，每一类又包括不同的实验项目，具体实验设置明细见下表。

2 实验平台实现

2.1 GUI界面的设计

为了方便学生调试和验证，基于Matlab/GUI建立了可视化用户界面，用于在实验过程中控制Simulink仿真，可以改变保护整定值，线路参数，并查看相应仿真结果。GUI界面分为主界面和子界面，主界面在进入实验系统后就能见到，主界面按照表1设计，主要是各种类型的实验项目选择，见图2所示。点击每个实验项目就可以进入相应的子界面，每个子界面内容可分为参数输入、实验原理说明、运行仿真和模型设计4大部分。图3为点击主界面中的电流继电器特性实验后出现的子界面。本文中的GUI界面通过Matlab图形用户界面开发环境GUIDE来实现。

每个选中的实验项目都给出了简要的原理说明，点击“运行仿真”即可打开Simulink构成的模型界面并进行仿真，而点击“退出”按钮，则可以退出子界面，回到主界面。點击“模型设计”则可进入到带有DSP模块的Simulink模型界面。

2.2 模型设计的实现

RTW是用来从Simulink模型生成包括C程序在内的完整CCS工程的工具。Math Works公司将C2000系列DSP 完整集成到Embedded Coder工具箱中，并且DSP 的底层驱动都被模块化封装。使用这些模块，可以在Simulink中实现DSP硬件寄存器的初始化和操作。

生成C代码之前，在Simulink环境下要先建立与目标板DSP28335相匹配的功能模块模型，图4为根据电流继电器实验仿真模型搭建的能够产生实时代码的控制模型，图4中删除了图3仿真模型中的硬件部分，只保留全波傅氏算法等软件部分，以及AD和作为定时器的PWM模块。

（a）功能代码模型主界面

（b）Function-call Subsystem 子模型

图4 功能代码模型

图4中（b）为（a）图中的Function-call Subsystem里面的内容，（b）图中，ADC模块用于采集线路电流，采样通道为 AD0，采样频率为600 Hz;Iref模块用于在DSP的内存空间里定义一个字节的存储空间，存储电流保护的整定值，Digital Output模块用于输出控制线路断路器合闸和分闸的高、低电平。模型中的F28335eZdsp模块不参与系统仿真，只用于代码直接生成过程的一 些参数设置。

图4（b）中的S-Function Builder模块用于生成S函数，主要功能是实现全波傅氏算法，S-Function builder为用户创建S-Function提供了一个便捷的图形化环境，其使用的时候必须设置状态变量及其初始值，并设置采样时间;设置模块I/O口及工作参数;设置外部函数库;计算离散状态更新;计算连续状态导数;计算输出信号。

根据文献[5]可知，对于数据序列X的工频基波，当N=12，即30o一个采样点时，全波傅里叶算法中的正弦系数和余弦系数可以按下式求取：

对于式（1）～（3），本文采用S函数实现，在采用S-Function Builder模块生成S函数的时候，输入为采集的电流信号，输出为电流的有效值信号，由于计算的时候需要N个采样值，所以离散变量设置为12个，采样时间设置为1/（12*50）。以C语言为载体写入S-Function Builder中，执行编译，编译器即可自动生成相应的S函数。

代码生成之前，可进行优化配置，目的是提高C代码的执行效率。优化配置完成后，通过仿真器将电脑与DSP目标板连接，在图4的代码模型中，点击Simulink界面的Build Model按钮，Matlab会启动CCS进行代码生成，生成的工程文件在CCS中自动打开。

3 结语

本文应用Matlab/simulink设计开发出一套微机线路保护教学软件和与其相配套的硬件装置，教学软件集原理说明、参数设置、仿真操作、波形显示等为一体，同时可以直接和硬件相配合，生成相应的C语言代码，并下载到配套的DSP里运行。本平台將整个微机线路保护的过程都图形化，使学生更容易理解微机保护的原理。教学实践证明，开发的微机保护实验平台极大地提升了教学质量，有助于培养学生的动手力以及分析问题和解决问题的能力。

参考文献：

[1]仉志华，康忠健，王艳松.电力系统线路保护综合实验平台的开发[J].实验室研究与探索，2009，28（5）：41-43.

[2]李秀琴，焦彦军，梁旭.电力系统继电保护通用试验平台设计[J].实验室研究与探索，2011，30（6）：44-47.

[3]李清泉，冯知海，孙钦佩，等.基于Matlab+DSP的综合型微机继电保护实验平台设计[J].黑龙江电力，2017，639（3）：224-228.

[4]逢海萍，郭浩.基于模型设计的DSP电机控制代码开发[J].微特电机，2017，45（3）：53-56.

[5]赵建文，付周兴.电力系统微机保护[M].北京：机械工业出版社，2016.

作者简介：梁喆（1975-），男，博士研究生，副教授，从事电气工程等方面的教学和研究。