基于虚拟仪器的二次变电站微机保护系统

田有文，赵华松，于 泓，赵 君

(沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳110866)

目前，二次变电站中的继电保护普遍采用微机保护，而微机保护的主要功能是由软件实现的，实验人员只可观察到保护的动作结果，对于内部动作过程无法知晓，无益于透明化展示故障动作过程和分析校验保护性能。对此，继电保护研究者可以在不借助硬件平台的情况下，用数字仿真的方式研究新的保护方法和原理，构建一个与实际中微机保护设备相似的虚拟微机保护系统［1］。该系统可以校验微机保护的性能以及实现故障仿真，但缺点是建立整个系统比较复杂［2－4］。文献［5］基于 MATLAB仿真建立电力线路、自动重合闸装置及电流速断保护等仿真模型，利用VB把仿真命令传送给MATLAB，实现对输电线路发生各类接地故障的仿真［5］。本文建立了二次变电站虚拟微机保护系统，利用仿真软件MATLAB将产生的故障数据或现场及动模试验的录波数据导入到LabVIEW建立的系统中，由LabVIEW建立的各功能模块对故障数据进行分析。同时通过LabVIEW前面板进行实时观测保护动作的过程及故障数据的处理，以为电网工作人员提供虚拟实训平台。

1 虚拟微机保护系统的基本要求

虚拟微机保护系统应满足以下要求:

1)可视性。用户不能对微机保护内部进行观察是因为微机保护的功能是通过软件实现的。虚拟微机保护系统需能显示相关的电气量(包含运算的中间结果以及采样值等数据)及保护内部的动作过程，帮助分析与研究微机保护。

2)逼真性。设定虚拟微机保护系统定值的方法、显示动作的过程及其结果和实际装置一样，有利于全部微机保护动作过程被学员更好地理解和掌握［6］。

3)可控性。仿真过程应能人工控制，并可连续执行和分步执行。对于新方法和新原理的研究来说，这一点非常重要［7］。

4)设计虚拟微机保护系统时，应使系统便于修改，包括采样频率、算法、动作逻辑与整定值等的修改［8］。

2 基于虚拟仪器的二次变电站微机保护系统设计

LabVIEW是一种图形化编程语言(通常称为G语言)。LabVIEW利用图形模式的结构框图编写程序代码，使工作效率大幅度提升［9－10］。

在本研究中，微机保护的仿真通过虚拟仪器来实现。利用“模块化”的设计思路，将微机保护模型分解，将重复的“模块”简化、合并成一个或几个典型功能单元。将保护中的典型单元单独制作成“通用模块”，在虚拟仪器中建立仿真模块库，把“通用模块”也就是VI子程序编入。从仿真模块库中选取相应的“通用模块”进行不同类型保护的仿真，把VI子程序按照一定的逻辑进行连接，构建出原理互不相同的微机保护仿真。系统包括数据采集模块、启动模块、算法模块、选相模块、保护原理模块、出口信号模块和人机交互界面等。总体结构如图1所示。

图1 二次变电站虚拟微机保护系统总体结构Fig.1 Overall structure of the virtual microcomputer protection system in secondary substation

2.1 仿真实验数据

实验数据的来源主要有两种:1)生产现场或动模试验故障录波数据;2)仿真软件MATLAB或ATP获得的仿真实验数据。本研究采用仿真软件MATLAB产生故障数据。故障数据产生模块在MATLAB中的实现程序如图2所示。

图2 MATLAB中的故障数据产生模块Fig.2 Module generating fault data in MATLAB

2.2 数据采集模块

将MATLAB得到的故障数据导到电子表格中，然后应用LabVIEW中的path控件读取数据到程序中备用。

2.3 保护功能模块

2.3.1 启动模块

在系统发生故障时启动元件动作是启动模块的主要任务，启动保护系统进入故障处理程序。采用突变量电流启动元件是最常用的方法，即

式中:Δik为突变量电流;ik为时刻k的采样值;ik－N为时刻k之前一周期电流的采样值;N为1个工频周期内采样的点数。

ik和ik－N通过对输入电流数组的索引得到，添加while循环，通过将Δik和预设定值作较之后生成的布尔值，来判断故障是否发生。如果突变量Δik大于预先设的定值，则启动元件动作，系统显示发生故障。程序的实现如图3所示。

2.3.2 算法模块

启动元件判断发生故障后，系统进入算法模块。

各种保护算法包含在算法模块库中，可根据故障仿真的不同应用不同的保护算法。傅氏算法是其中最常用的，采用如下梯形法可求得傅氏算法用在微机处理时的基波幅值:

图3 启动模块Fig.3 Starting module

式中:a1，b1分别为基波分量正、余弦项的振幅;xk为第k次的采样值;x0，xN分别为k=0，k=N时的采样值。傅氏算法在LabVIEW中的实现程序如图4所示。

图4 算法模块Fig.4 Algorithm module

2.3.3 选相模块

启动模块显示系统有故障后，先由选相模块判断相别和故障类型。本研究采用相电流突变量选相法进行故障相判别，流程如图5所示。算法模块求得的三相电流有效值为输入，相别及故障类型为输出。利用LabVIEW实现的选相模块程序如图6所示。

2.4 动作逻辑的实现

各个功能模块建立后，在LabVIEW中用连接线按照动作时序以及逻辑关系将各个模块连接到一起，LabVIEW程序的前面板可以显示动作结果、输入数据和显示滤波前后波形等。利用数据采集模块连续读入数据，导入数据文件。将故障电流和电压等数据元素20个一组依次传入到在LabVIEW中建立的数组中(采样频率为1000 Hz，每一个工频周期内包含采样点数为20)。应用LabVIEW提供的顺序结构和for循环完成数据元素输入功能。故障类型与相别、故障时间等信息和计算的中间结果由系统前面板进行模拟显示，依此来仿真保护中开关量的输出和事故的报告。

LabVIEW仿真微机保护中的动作逻辑和功能是通过软件中的延时控件、选择控件、逻辑判别控件、顺序结构等实现的［11－13］。

图5 故障判别流程图Fig.5 Flow chart of fault distinguish

图6 选相模块Fig.6 Phase selection module

3 应用实例

二次变电站虚拟微机保护系统的前面板如图7所示。将MATLAB得到的故障数据导入到Lab-VIEW中，各相电流采样值为输入量。先设置各项仿真参数，之后运行系统，测量端电流、电压、动作结果、故障类型等数据在仿真的过程中全部可实现实时观测，以便更好地分析保护的功能。把输出同每一段预设值对比后，输入到选择控件中，通过选择控件中的True＆False判断是继续进行下一段比较还是发出跳闸信号。将Ⅱ段、Ⅲ段的比较子模块分别放入顺序结构中，利用延时控件实现延时。设定电流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段整定值分别为10 A、8 A、5 A，Ⅱ段延时1 s、Ⅲ段延时2.5 s。当测量端电流小于5 A时，前面板合位和运行指示灯工作;当测量端电流大于10 A时，前面板跳位指示灯工作，且液晶屏显示Ⅰ段动作;当测量端电流大于8 A且小于10 A时，延时1 s后前面板跳位指示灯工作，且液晶屏显示Ⅱ段动作;当测量端电流大于5 A且小于8 A时，延时2.5 s后前面板跳位指示灯工作，且液晶屏显示Ⅲ段动作。该结果与现场保护的动作结果相符。

图7 二次变电站虚拟微机保护系统前面板Fig.7 Front panel of the virtual microcomputer protection system in secondary substation

4 结语

本文建立的基于虚拟技术的二次变电站虚拟微机保护系统，可以把微机保护的动作过程和相关的电气量特征信息直观地展示出来，保护算法及保护方式也可以灵活设置。因此，该系统可用在培训电力公司工作人员、学校教学及剖析微机保护拒动和误动的原因，也可为设计新的微机保护方法提供借鉴。

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