变压器差动保护实验面板的研究设计

王思华

(兰州交通大学自动化学院，甘肃 兰州 730070)

0 引言

虚拟仪器改变了传统仪器的概念、模式和结构，使用者完全可以自己定义仪器的功能和参数。与传统仪器相比，虚拟仪器在经济性、灵活性和可扩展性等方面都具有独特的优势。实验室虚拟仪器工作平台(laboratory virtual instrument engineering workbench，Lab-VIEW)是一种图形化的编程语言，简称G语言[1]。它是目前应用范围较广、功能较为强大的虚拟仪器开发平台[2]。将虚拟仪器应用于实验室教学，使实验教学的设计更加灵活生动，从而减少对硬件仪器的依靠，弥补了传统实验室教学的不足，降低了实验室的建设与管理成本，同时对实现远程实验教学也具有重大意义。

变压器的差动保护是变压器保护的一个核心单元，目前变压器的差动保护一般采用二次谐波制动的微机保护装置[3]。为了能够让学生充分理解二次谐波制动差动保护的原理，就必须通过相关实验设备来验证。但目前的实验装置一般是微机化装置，通过实验不能直观显示其内部处理过程，仅仅是给出实验结果，不便于学生理解整个差动保护原理。本文结合变压器差动保护研究，采用LabVIEW编程设计，实现基于虚拟仪器的仿真实验教学系统。

1 变压器差动保护的原理

差动保护是变压器的主要保护。变压器差动保护的保护范围是变压器两侧电流互感器安装地点之间的区域，以保护变压器内部及两侧套管和引出线上的相间短路故障。其基本原理与其他差动保护相同，但是由于变压器空载合闸时，将会在电源侧出现数值较大的电流，即励磁涌流。励磁涌流的存在，即使在保护范围内没有故障时，也会造成一个较大的不平衡电流流过继电保护装置，如果变压器保护门坎值低，将会造成变压器保护的误动。因此，要提高整个差动保护的可靠性和灵敏度，就必须设法减小和避免不平衡电流[3－4]。

传统的差动保护是利用速饱和变流装置以及相关平衡绕组来躲过不平衡电流的。这对目前采用的微机变压器保护是不现实的。因此，必须采用其他原理来纠正不平衡电流的影响。目前，可以实现变压器微机差动保护原理有多种方式，从性价比来讲，二次谐波制动的比率差动保护是应用最多的变压器差动保护，其动作特性如图1所示[5]。

图1 比率差动保护动作特性Fig.1 Percentage differential protection features

为了使学生能更好地理解比率差动保护的原理，本文利用LabVIEW编程设计提供的相关模块，进行了变压器差动保护实验面板的设计。

2 系统实现的功能

整个面板主要由带通滤波器、输入信号频率控制、告警电压装置、二次谐波的门坎设定装置、延时装置、输入信号示波器、二次谐波示波器、基波示波器和相关测试窗口组成。

实验面板用带通滤波器来模拟变压器保护的差动电流采集装置。带通滤波器根据变压器微机保护数据采集系统的要求输入一定范围的频率信号。通过该带通滤波器可以很方便地设置高频和低频，同时通过输入信号幅值控制旋钮来模拟变压器差动电流的幅值。通过带通滤波器和输入信号幅值控制旋钮这两个装置，学生可以方便地设定输入差动电流的相关数值，并且通过输入信号示波器进行差动电流的显示，使学生在理解差动电流的输入环节上更直观。

为了进一步理解二次谐波制动概念，在系统面板上设置了二次谐波的门坎电压输入装置。通过该装置学生可以在一定幅值范围内进行二次谐波电流的输入调节，并在面板上设计了差动电流门坎电压输入装置和动作时间控制装置，便于学生理解保护动作电流和动作时间的概念。同时，设置了基波信号与二次谐波信号显示器，使学生理解输入的差动电流的成分。

3 系统前面板的设计

变压器差动保护前面板的设计以LabVIEW为基础，利用图形化的编程方式，实现变压器微机保护的数字滤波、过压告警、二次谐波制动和差动保护[6－7]。由于整个程序过于庞大，现仅取三相电流中的一相进行软件的设计。微机保护主界面主要包括输入信号幅值旋钮、输入信号频率控制旋钮、带通滤波器旋钮、二次谐波制动的门坎电压旋钮、时间控制旋钮、三个信号显示窗口、差动保护启动和停止开关以及差动保护动作信号指示灯和二次谐波制动信号指示灯。为了进一步揭示输入的模拟差动电流的波形，在实验面板上设计了一个能够显示含有高斯噪声的差动电流信号示波器。通过差动电流示波器可以较直观地观察输入差动电流的大小及波形，如图2(a)所示。实验面板程序通过对含有高斯噪声的差动电流进行数字滤波，获取其基波信号，从而进行差动基波电流有效值计算。面板采用第二个示波器来显示其大小波形，如图2(b)所示。同时，实验面板程序通过对上述含有高斯噪声的差动电流进行数字滤波，获取二次谐波信号，从而进行二次谐波电流有效值的计算，且实验面板用第三个示波器来显示二次谐波信号波形大小，如图2(c)所示。将计算的差动电流基波有效值和二次谐波电流有效值，与设定的门坎值进行比较，最后由实验面板装置给出动作结果，其动作或制动结果通过实验面板指示灯给出。

图2 实验面板电流波形Fig.2 Current waveforms of experiment panel

4 系统的程序设计

实验面板建立的关键是程序的搭建。如何构建一个功能完善的差动保护的实验面板，关键是对整个变压器微机差动保护的原理要深入理解，同时也要熟练掌握LabVIEW编程技巧。本文利用LabVIEW提供的相关模块，搭建变压器差动保护实验面板程序。实验面板程序模块主要包括2个低通滤波器、1个带通滤波器、基波处理单元、二次谐波处理单元、比较单元和逻辑出口单元等。仿真信号由程序产生，然后经滤波、测量和比较，由指示灯给出保护的结果[8]。程序中加入延时是为了更清楚地观察信号的变化及滤波后的结果;程序中的参数是为了验证程序的正确与否而给定的，与理论上的参数不同，实际应用中可以根据实际情况具体设定。

5 实验面板的应用

为了进一步说明变压器差动保护实验面板的应用，本文结合变压器差动保护原理接线来详细说明。变压器差动保护的接线原理如图3所示，其主要由变压器两侧电流互感器和微机保护装置构成。电流互感器通过差接法形成变压器的差动电流，微机保护装置是对差动电流进行分析运算，最后得出是否动作的结论。

图3 变压器差动保护接线原理图Fig.3 Wiring principle of transformer differential protection

由图3可知，差动电流由I'1和I'2构成。将差动电流送入微机保护装置，由微机保护装置根据图1动作特性决定是否给出差动保护动作信号。本实验面板是利用输入信号幅值旋钮及其频率旋钮，通过程序产生1个差动电流输入信号，用此信号模拟图3中的差动电流信号。该信号通过内部程序的运算，在实验面板的3个显示窗口分别显示出差动电流输入信号、基波信号和二次谐波信号。最后通过控制实验面板二次谐波制动门坎值和基波动作电流的门坎值，就可得知该输入电流是否在图1的动作区或制动区。如当变压器内部短路时，其基波电流大、二次谐波电流小，差动电流即进入动作区，保护动作。这时实验面板的差动保护指示灯亮。当变压器空载合闸时，尽管差动电流数值较大，但其含有丰富的二次谐波，差动电流则进入图1的制动区。这时二次谐波制动指示灯亮，避免变压器合闸时的误动作。

另外，利用该实验面板装置还可以让学生理解差动速断保护的概念，即当上述基波差动电流有效值大于图1所示的Isd时，就进入差动速断保护区。在实验过程中，加大输入信号的幅值，当基波差动电流有效值超过设定门坎值后，即使调节二次谐波门坎值，其保护不受影响，相当于进入差动速断保护环节。

6 结束语

要设计一个界面良好、功能较为齐全且操作方便安全的变压器差动保护实验面板，首先要对变压器微机差动保护原理进行深入的学习和研究;其次要对虚拟仪器技术进行研究，利用它提供的一些模块进行设计。通过该实验面板的运行，可以让学生既能加深对微机保护原理认识与理解，又可以很方便在理论课堂上进行实验教学讨论。

总之，该设计可以大大减轻真实设备硬件的负担，实验时安全可靠，又能使学生认识整个差动保护的实质和过程，为以后实验的开发提供了一定的借鉴。

[1]张毅，周绍磊，杨秀霞.虚拟仪器技术分析与应用[M].北京：机械工业出版社，2004：2 －12.

[2]余成波，冯丽辉，潘盛辉.虚拟仪器技术与设计[M].重庆：重庆大学出版社，2006：3 －8.

[3]张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，2005：179 －197.

[4]于群，曹娜.电力系统微机继电保护[M].北京：机械工业出版社，2008：105 －135.

[5]戴道勇.电力变压器微机保护系统的研究[D].淮南：安徽理工大学，2008.

[6]刘刚，王立香，张连俊.编程及应用[M].北京：电子工业出版社，2008：150 －159.

[7]黄松岭，吴静.虚拟仪器设计基础教程[M].北京：清华大学出版社，2008：201 －245.

[8]杨明莉，葛立峰.基于LabVIEW平台的低频数据采集系统的设计[J].自动化与仪表，2007(3)：77－79.