基于LabVIEW的微机继电保护算法仿真实验系统

摘要：微机继电保护的实现是由各种测量算法实现的，因此继电保护的算法决定了微机继电保护装置的性能。但由于微机继电保护实验教学设备的限制，目前国内多数高校电气工程及其自动化专业不能开设验证微机继电保护算法的实验项目。因此研究设计了一套基于LabVIEW虚拟仿真软件的微机继电保护算法仿真教学系统，该系统集数据采集、滤波、参数计算等多种算法于一体，可实现电压、电流、阻抗等保护参数的计算及显示，既可用于课堂演示教学，也可用于实验教学，利用该仿真系统学生可以更好地理解各算法的基本原理、应用范围及优缺点等。

关键词：微机继电保护；数据算法；仿真实验系统

中图分类号：TP391.9 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）09-0218-03

继电保护是电气类专业的重要课程，也是理论性和实践性很强的专业课程。以微机形式实现的继电保护，由于具有灵活性好、稳定性优、集成度高等优点而成为当代继电保护的主流，当前电力工程实践基本都采用微机继电保护装置。因此在本科教学阶段开展微机继电保护实验，对培养学生理论与生产实践结合的能力以及尽快适应现场工作都很重要。而微机继电保护除了涉及继电保护知识外还包括数据采集、数字信号处理、微控制器、网络等内容，需考虑多个知识点的综合，且保护功能主要以软件算法方式实现，比较抽象。因此如何有效地组织实验教学，特别是我国普通高校面向本科生的微机保护实验教学，普遍存在着实验方法和手段不够完善等问题。多数高校只是开设了部分演示性实验，或是在定型的微机保护装置进行保护定值设置等操作的实验，不能够开设各种微机保护算法及参数调整的验证实验。我们知道，微机保护采用的软件算法是微机继电保护的核心，软件算法的优劣直接决定了微机继电保护装置的选择性、灵敏性和可靠性，因此如果微机继电保护实验不能够进行软件算法测试，则实验教学效果与期待的教学目标相比会有较大的差距。

为了丰富继电保护算法实验项目，使学生更好地学习和掌握微机继电保护的算法设计，我们采用NI公司的图形化LabVIEW软件，结合USB接口的数据采集模块，研究设计了微机继电保护软件算法仿真实验教学系统，该系统既可以在课堂教学时用作算法讲解时的演示工具，还可在实验教学中用作验证和设计微机保护算法的模拟软件，使学生可以更好地了解各种微机保护常用算法的基本原理、滤波效果、适用保护种类的范围及各自的优缺点等。LabVIEW是NI公司推出的图形化编程软件，使用该软件编写程序时不是编写程序代码而编制模块流程图，它最大程度利用了工程技术人员所熟悉的图标、术语和概念，编写程序非常便捷和形象，使用它进行原理分析、设计、仿真和测试仪器系统时，非常方便并有效提高了效率。

一、仿真实验系统设计

实验教学仿真系统中的微机继电保护算法主要包括数据采集算法、滤波算法和保护算法三类。例如数据采集计算中的两点乘积算法、三采样值乘积算法和半周积分算法等；滤波算法包括加、减法滤波器及积分滤波器、一次微分算法、二次微分算法和半周内取最大绝对值算法、半周/全周傅氏算法、一阶差分后半周傅氏算法和递推最小二乘算法等；保护算法中阻抗算法包括常用的解微分方程算法、输电线路R-L模型算法和傅氏阻抗算法，移相算法中的差分算法、时差移相算法、序分量计算方法和故障方向的相位比较算法等；还包括阶段式电流保护算法、阶段式阻抗保护和低电压闭锁的电流保护等复合保护算法等。在实际教学过程中，实验教师可以根据教学需要更换和调整算法参数和类型，学生也可以根据相关理论设计新的算法。

1.算法仿真实验系统的主要功能。①各种微机继电保护算法的原理和公式说明。在每个保护算法模块都有相应的算法基本原理和公式组成的讲解界面。②电压、电流有效值、相角和阻抗等参数的计算公式和结果显示。通过在Labview软件界面上选定不同的算法处理模块并设定相关系数参数，启动硬件采集模块，即能够对被测试参数进行数据采集、数字滤波并进行参数有效值、相角和阻抗等的计算并显示计算结果。③算法选择和参数调整。在参数计算和显示模块中，算法数据处理的采样周期、滤波系数等参数可以根据需要在一定范围内调整，来比对不同数据处理参数时的算法处理效果。④信号波形比较显示。在算法仿真实验系统中可以显示被测电量信号原始数据波形和软件数字滤波后的有效值波形，两种波形可以在一个坐标系中同时以不同颜色显示。被测电量数据在软件处理前后具有很明显的变化，并且当被测线路或元件出现故障，或在被测信号中增加谐波分量时，可以从数据处理前后参数的对比波形中直观地看出算法的滤波效果。⑤不同算法对同一信号处理结果的比较。对同一故障电量数据信号，不同保护算法对故障信号响应的速度、选择性和灵敏性差别较大。通过对比可以看出不同的保护算法适用于不同的故障类型，不同故障类型有多种保护算法。

2.实验数据来源及数据格式。由于在实验室中很难模拟出电力系统实际运行过程中出现的各种设备和线路故障，为了能够在实验室采用保护算法仿真实验教学系统对各种保护算法进行仿真实验，必须采取能够提供实际线路或设备故障状态下的电压、电流、零序电压、零序电流等电量数据信息。为了便于收集故障数据，本实验系统的数据来源格式采用通用IEEE标准电力系统暂态数据交换数据格式COMTRADE，它是IEEE为电力系统采集到的暂态波形和事故数据定义的一种文件格式。我国电力行业标准DL/T 553-94《220kV～500kV电力系统故障动态记录技术准则》在3.6.5条中规定：保护装置记录和输出的故障动态过程中电量数据格式应与ANSI/IEEE C37.111-1991中的COMTRADE文件格式兼容。同时标准还规定了在电力系统发生故障的整个过程中，电压、电流和零序电压、零序电流等模拟量数据记录按时段顺序进行，且每个COMTRADE文件记录一般都有一组文件，分别是标题文件（.HDR）、配置文件（.CFG）、数据文件（.DAT）、信息文件（.INF）。现行电力系统实际在网运行的各种微机保护装置或专用微机故障录波装置中保存的故障数据均符合COMTRADE格式，都可以用作本算法实验仿真系统的数据来源。现在本实验系统使用的故障数据或数据文件主要有三种。

①数字动态实时仿真系统（DDRTS）。DDRTS是基于微机的电网实时数字仿真系统，它依据电网快速暂态过程数字仿真的模型与算法、实时仿真的快速算法以及数字仿真与外部自动装置的实时连接技术对电网进行事故重现和分析，并在此基础上为研究电网自动装置的可靠性问题提供试验手段。利用DDRTS可以产生电力系统各种故障暂态过程的数据文件，用于实验仿真系统的分析和处理对象。

②微机保护装置生产厂家或发、供电企业提供的各种保护装置在实际生产现场记录的故障录波数据。微机保护装置或故障录波装置记录的生产现场真实故障状态下的暂态数据代表了不同生产条件下的故障状况，多数这类保护装置都能够输出符合COMTRADE格式的数据文件，利用这些数据分析微机保护算法更能够分析算法的适应性。

③微机继电保护实验教学装置。我系电力系统继电保护实验室配置有华中科技大学研制DJZ-III型继电保护实验装置，该实验装置能够实现输电线路的阶段式电流保护和阻抗保护，变压器电流保护和差动保护等电力系统继电保护原理课程中介绍的常见继电保护类型。利用该实验装置产生的电压、电流信号，通过微型互感器变换后送入USB接口的数据采集模块，经数据采集模块处理后的实时采集数据送给算法仿真实验系统，作为仿真实验的数据源。在实验时，学生可以通过调节DJZ-III实验装置上的调压器和电位器，模拟电力系统不同类型的短路试验，实验数据更加直观。现场调节和仿真系统相结合，更能提高学生对保护功能的认识。

3.可开设实验项目。①可调节电压、电流等模拟信号的采样频率，分析改变采样频率对模拟量基波的有效值和相角等参数分析算法的影响。②可调节电压、电流等模拟信号的采样频率，分析改变采样频率对阻抗处理算法的影响。③随机改变被测信号中谐波分量的幅值和相位，分析和测试各中软件滤波算法的滤波效果。④模拟接地、短路等故障类型，观察和分析不同故障时基波有效值的变化情况。⑤模拟接地、短路等故障类型，观察和分析利用不同保护算法计算测量结果，比较不同故障算法的精确度和响应速度。

二、算法仿真实验系统使用方法简介

1.基波有效值及相角计算算法。运行基于LabVIEW的算法仿真实验系统，根据实验验证算法的需要选择测试数据来源文件（COMTRADE格式）或配置USB数据采集模块并在通道选择菜单选择采样通道后，在保护算法选择菜单中选取需要学习或验证的保护算法，在采样频率选择栏选择模拟量采样通道的采样频率（300Hz、600Hz、1000Hz、1200Hz、1800Hz、2400Hz等）后，用鼠标点击“确定”按钮就会得到计算结果、所选算法的原理说明及有效值波形。如果数据来自于数据采集模块实时采集的电量数据，显示的计算结果是实时变化的。

2.阻抗算法。根据实验算法的需要，选择利用数字动态实时仿真系统生成的动态数据文件或从各种微机录波装置中提取的故障录波数据中合适的故障数据，或运行微机保护实验教学装置并配置USB数据采集模块来采集数据。运行基于LabVIEW的算法仿真实验系统，在通道选择菜单选择采样通道或选择数据文件后，选择阻抗保护算法菜单，在“请选择阻抗算法”栏选择需要的阻抗算法，在采样频率栏选择或输入模拟量采样通道的采样频率后，点“确定”按钮运行就会在结果区域显示计算结果，在算法讲解栏显示实验算法的原理说明。

三、算法仿真实验教学系统功能验证

由上述可知，仿真实验数据可以来自于微机继电保护实验教学装置。例如图1所示DJZ-III型微机继电保护实验装置电流电压保护实验一次系统图，K3开关的不同位置选择主回路串入的阻抗不同来模拟电力系统的运行方式，闭合开关3KO可以模拟线路三相短路，短路阻抗大小可以调节3KO下面的变阻器Re来调整，一次系统的电压、电流由PT和CT变换后送入USB模拟量测量模块进行采集处理。

利用算法仿真实验系统保护算法求有效值。将DJZ-III型微机继电保护实验装置模拟线路短路阻抗的变阻器Re调节到中间位置，将K3旋转至最大运行方式，运行基于LabVIEW的仿真实验系统，配置USB数据采集模块，选择采样周期为600Hz，选择“全周傅立叶保护算法”对A相电流和电压数据计算并绘制有效值波形。通过计算可以看出，在短路故障开关3KO闭合前，一次系统正常工作时电压为58.5V，电流1.03A，闭合3KO使系统短路，故障中电压降低约为44.6～46.2V，电流增大约为5.5～6A，教学系统计算值与预期值一致，计算结果是正确的。

四、总结

基于LabVIEW的微机继电保护算法仿真实验系统是集多种微机保护算法于一体，采用标准COMTRADE数据文件，实现对电量数据有效值、相角、阻抗等参数的不同算法处理和算法讲解等功能的计算机辅助教学系统。软件采用对话框窗口形式，通过灵活选择设置模拟量的采样频率、算法类型、参数和谐波分量，有助于学生更好地理解各算法的原理、作用和应用范围。实验操作简单方便，便于学生学习和操作，它既可用做课堂理论教学的辅助手段，也可用于实验教学的仿真计算，对学生学习和掌握微机继电保护算法知识非常有帮助。

作者简介：姚福强，山东巨野人，山东科技大学电气信息系教师，硕士，副教授，主要从事电气工程及计算机测控系统领域的教学和工程项目的设计研究工作。