基于LabVIEW的微機(jī)繼電保護(hù)算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

姚福強(qiáng)，杜兆文

摘要：微機(jī)繼電保護(hù)的實(shí)現(xiàn)是由各種測(cè)量算法實(shí)現(xiàn)的，因此繼電保護(hù)的算法決定了微機(jī)繼電保護(hù)裝置的性能。但由于微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的限制，目前國(guó)內(nèi)多數(shù)高校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)不能開設(shè)驗(yàn)證微機(jī)繼電保護(hù)算法的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。因此研究設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW虛擬仿真軟件的微機(jī)繼電保護(hù)算法仿真教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、濾波、參數(shù)計(jì)算等多種算法于一體，可實(shí)現(xiàn)電壓、電流、阻抗等保護(hù)參數(shù)的計(jì)算及顯示，既可用于課堂演示教學(xué)，也可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，利用該仿真系統(tǒng)學(xué)生可以更好地理解各算法的基本原理、應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)等。

關(guān)鍵詞：微機(jī)繼電保護(hù)；數(shù)據(jù)算法；仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）09-0218-03

繼電保護(hù)是電氣類專業(yè)的重要課程，也是理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程。以微機(jī)形式實(shí)現(xiàn)的繼電保護(hù)，由于具有靈活性好、穩(wěn)定性優(yōu)、集成度高等優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)代繼電保護(hù)的主流，當(dāng)前電力工程實(shí)踐基本都采用微機(jī)繼電保護(hù)裝置。因此在本科教學(xué)階段開展微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生理論與生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合的能力以及盡快適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工作都很重要。而微機(jī)繼電保護(hù)除了涉及繼電保護(hù)知識(shí)外還包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號(hào)處理、微控制器、網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容，需考慮多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的綜合，且保護(hù)功能主要以軟件算法方式實(shí)現(xiàn)，比較抽象。因此如何有效地組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)，特別是我國(guó)普通高校面向本科生的微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，普遍存在著實(shí)驗(yàn)方法和手段不夠完善等問題。多數(shù)高校只是開設(shè)了部分演示性實(shí)驗(yàn)，或是在定型的微機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)定值設(shè)置等操作的實(shí)驗(yàn)，不能夠開設(shè)各種微機(jī)保護(hù)算法及參數(shù)調(diào)整的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。我們知道，微機(jī)保護(hù)采用的軟件算法是微機(jī)繼電保護(hù)的核心，軟件算法的優(yōu)劣直接決定了微機(jī)繼電保護(hù)裝置的選擇性、靈敏性和可靠性，因此如果微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)不能夠進(jìn)行軟件算法測(cè)試，則實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果與期待的教學(xué)目標(biāo)相比會(huì)有較大的差距。

為了豐富繼電保護(hù)算法實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和掌握微機(jī)繼電保護(hù)的算法設(shè)計(jì)，我們采用NI公司的圖形化LabVIEW軟件，結(jié)合USB接口的數(shù)據(jù)采集模塊，研究設(shè)計(jì)了微機(jī)繼電保護(hù)軟件算法仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可以在課堂教學(xué)時(shí)用作算法講解時(shí)的演示工具，還可在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中用作驗(yàn)證和設(shè)計(jì)微機(jī)保護(hù)算法的模擬軟件，使學(xué)生可以更好地了解各種微機(jī)保護(hù)常用算法的基本原理、濾波效果、適用保護(hù)種類的范圍及各自的優(yōu)缺點(diǎn)等。LabVIEW是NI公司推出的圖形化編程軟件，使用該軟件編寫程序時(shí)不是編寫程序代碼而編制模塊流程圖，它最大程度利用了工程技術(shù)人員所熟悉的圖標(biāo)、術(shù)語和概念，編寫程序非常便捷和形象，使用它進(jìn)行原理分析、設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試儀器系統(tǒng)時(shí)，非常方便并有效提高了效率。

一、仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)中的微機(jī)繼電保護(hù)算法主要包括數(shù)據(jù)采集算法、濾波算法和保護(hù)算法三類。例如數(shù)據(jù)采集計(jì)算中的兩點(diǎn)乘積算法、三采樣值乘積算法和半周積分算法等；濾波算法包括加、減法濾波器及積分濾波器、一次微分算法、二次微分算法和半周內(nèi)取最大絕對(duì)值算法、半周/全周傅氏算法、一階差分后半周傅氏算法和遞推最小二乘算法等；保護(hù)算法中阻抗算法包括常用的解微分方程算法、輸電線路R-L模型算法和傅氏阻抗算法，移相算法中的差分算法、時(shí)差移相算法、序分量計(jì)算方法和故障方向的相位比較算法等；還包括階段式電流保護(hù)算法、階段式阻抗保護(hù)和低電壓閉鎖的電流保護(hù)等復(fù)合保護(hù)算法等。在實(shí)際教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)教師可以根據(jù)教學(xué)需要更換和調(diào)整算法參數(shù)和類型，學(xué)生也可以根據(jù)相關(guān)理論設(shè)計(jì)新的算法。

1.算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能。①各種微機(jī)繼電保護(hù)算法的原理和公式說明。在每個(gè)保護(hù)算法模塊都有相應(yīng)的算法基本原理和公式組成的講解界面。②電壓、電流有效值、相角和阻抗等參數(shù)的計(jì)算公式和結(jié)果顯示。通過在Labview軟件界面上選定不同的算法處理模塊并設(shè)定相關(guān)系數(shù)參數(shù)，啟動(dòng)硬件采集模塊，即能夠?qū)Ρ粶y(cè)試參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波并進(jìn)行參數(shù)有效值、相角和阻抗等的計(jì)算并顯示計(jì)算結(jié)果。③算法選擇和參數(shù)調(diào)整。在參數(shù)計(jì)算和顯示模塊中，算法數(shù)據(jù)處理的采樣周期、濾波系數(shù)等參數(shù)可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)調(diào)整，來比對(duì)不同數(shù)據(jù)處理參數(shù)時(shí)的算法處理效果。④信號(hào)波形比較顯示。在算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中可以顯示被測(cè)電量信號(hào)原始數(shù)據(jù)波形和軟件數(shù)字濾波后的有效值波形，兩種波形可以在一個(gè)坐標(biāo)系中同時(shí)以不同顏色顯示。被測(cè)電量數(shù)據(jù)在軟件處理前后具有很明顯的變化，并且當(dāng)被測(cè)線路或元件出現(xiàn)故障，或在被測(cè)信號(hào)中增加諧波分量時(shí)，可以從數(shù)據(jù)處理前后參數(shù)的對(duì)比波形中直觀地看出算法的濾波效果。⑤不同算法對(duì)同一信號(hào)處理結(jié)果的比較。對(duì)同一故障電量數(shù)據(jù)信號(hào)，不同保護(hù)算法對(duì)故障信號(hào)響應(yīng)的速度、選擇性和靈敏性差別較大。通過對(duì)比可以看出不同的保護(hù)算法適用于不同的故障類型，不同故障類型有多種保護(hù)算法。

2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)格式。由于在實(shí)驗(yàn)室中很難模擬出電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種設(shè)備和線路故障，為了能夠在實(shí)驗(yàn)室采用保護(hù)算法仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)對(duì)各種保護(hù)算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，必須采取能夠提供實(shí)際線路或設(shè)備故障狀態(tài)下的電壓、電流、零序電壓、零序電流等電量數(shù)據(jù)信息。為了便于收集故障數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源格式采用通用IEEE標(biāo)準(zhǔn)電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)格式COMTRADE，它是IEEE為電力系統(tǒng)采集到的暫態(tài)波形和事故數(shù)據(jù)定義的一種文件格式。我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 553-94《220kV～500kV電力系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)記錄技術(shù)準(zhǔn)則》在3.6.5條中規(guī)定：保護(hù)裝置記錄和輸出的故障動(dòng)態(tài)過程中電量數(shù)據(jù)格式應(yīng)與ANSI/IEEE C37.111-1991中的COMTRADE文件格式兼容。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了在電力系統(tǒng)發(fā)生故障的整個(gè)過程中，電壓、電流和零序電壓、零序電流等模擬量數(shù)據(jù)記錄按時(shí)段順序進(jìn)行，且每個(gè)COMTRADE文件記錄一般都有一組文件，分別是標(biāo)題文件（.HDR）、配置文件（.CFG）、數(shù)據(jù)文件（.DAT）、信息文件（.INF）?，F(xiàn)行電力系統(tǒng)實(shí)際在網(wǎng)運(yùn)行的各種微機(jī)保護(hù)裝置或?qū)Ｓ梦C(jī)故障錄波裝置中保存的故障數(shù)據(jù)均符合COMTRADE格式，都可以用作本算法實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源?，F(xiàn)在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用的故障數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)文件主要有三種。endprint

①數(shù)字動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)（DDRTS）。DDRTS是基于微機(jī)的電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，它依據(jù)電網(wǎng)快速暫態(tài)過程數(shù)字仿真的模型與算法、實(shí)時(shí)仿真的快速算法以及數(shù)字仿真與外部自動(dòng)裝置的實(shí)時(shí)連接技術(shù)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行事故重現(xiàn)和分析，并在此基礎(chǔ)上為研究電網(wǎng)自動(dòng)裝置的可靠性問題提供試驗(yàn)手段。利用DDRTS可以產(chǎn)生電力系統(tǒng)各種故障暫態(tài)過程的數(shù)據(jù)文件，用于實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的分析和處理對(duì)象。

②微機(jī)保護(hù)裝置生產(chǎn)廠家或發(fā)、供電企業(yè)提供的各種保護(hù)裝置在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)記錄的故障錄波數(shù)據(jù)。微機(jī)保護(hù)裝置或故障錄波裝置記錄的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)故障狀態(tài)下的暫態(tài)數(shù)據(jù)代表了不同生產(chǎn)條件下的故障狀況，多數(shù)這類保護(hù)裝置都能夠輸出符合COMTRADE格式的數(shù)據(jù)文件，利用這些數(shù)據(jù)分析微機(jī)保護(hù)算法更能夠分析算法的適應(yīng)性。

③微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。我系電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室配置有華中科技大學(xué)研制DJZ-III型繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路的階段式電流保護(hù)和阻抗保護(hù)，變壓器電流保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)等電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理課程中介紹的常見繼電保護(hù)類型。利用該實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的電壓、電流信號(hào)，通過微型互感器變換后送入U(xiǎn)SB接口的數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊處理后的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)送給算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，作為仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)源。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可以通過調(diào)節(jié)DJZ-III實(shí)驗(yàn)裝置上的調(diào)壓器和電位器，模擬電力系統(tǒng)不同類型的短路試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加直觀?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)和仿真系統(tǒng)相結(jié)合，更能提高學(xué)生對(duì)保護(hù)功能的認(rèn)識(shí)。

3.可開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。①可調(diào)節(jié)電壓、電流等模擬信號(hào)的采樣頻率，分析改變采樣頻率對(duì)模擬量基波的有效值和相角等參數(shù)分析算法的影響。②可調(diào)節(jié)電壓、電流等模擬信號(hào)的采樣頻率，分析改變采樣頻率對(duì)阻抗處理算法的影響。③隨機(jī)改變被測(cè)信號(hào)中諧波分量的幅值和相位，分析和測(cè)試各中軟件濾波算法的濾波效果。④模擬接地、短路等故障類型，觀察和分析不同故障時(shí)基波有效值的變化情況。⑤模擬接地、短路等故障類型，觀察和分析利用不同保護(hù)算法計(jì)算測(cè)量結(jié)果，比較不同故障算法的精確度和響應(yīng)速度。

二、算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用方法簡(jiǎn)介

1.基波有效值及相角計(jì)算算法。運(yùn)行基于LabVIEW的算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法的需要選擇測(cè)試數(shù)據(jù)來源文件（COMTRADE格式）或配置USB數(shù)據(jù)采集模塊并在通道選擇菜單選擇采樣通道后，在保護(hù)算法選擇菜單中選取需要學(xué)習(xí)或驗(yàn)證的保護(hù)算法，在采樣頻率選擇欄選擇模擬量采樣通道的采樣頻率（300Hz、600Hz、1000Hz、1200Hz、1800Hz、2400Hz等）后，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“確定”按鈕就會(huì)得到計(jì)算結(jié)果、所選算法的原理說明及有效值波形。如果數(shù)據(jù)來自于數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集的電量數(shù)據(jù)，顯示的計(jì)算結(jié)果是實(shí)時(shí)變化的。

2.阻抗算法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)算法的需要，選擇利用數(shù)字動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)生成的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)文件或從各種微機(jī)錄波裝置中提取的故障錄波數(shù)據(jù)中合適的故障數(shù)據(jù)，或運(yùn)行微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置并配置USB數(shù)據(jù)采集模塊來采集數(shù)據(jù)。運(yùn)行基于LabVIEW的算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在通道選擇菜單選擇采樣通道或選擇數(shù)據(jù)文件后，選擇阻抗保護(hù)算法菜單，在“請(qǐng)選擇阻抗算法”欄選擇需要的阻抗算法，在采樣頻率欄選擇或輸入模擬量采樣通道的采樣頻率后，點(diǎn)“確定”按鈕運(yùn)行就會(huì)在結(jié)果區(qū)域顯示計(jì)算結(jié)果，在算法講解欄顯示實(shí)驗(yàn)算法的原理說明。

三、算法仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)功能驗(yàn)證

由上述可知，仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以來自于微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。例如圖1所示DJZ-III型微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置電流電壓保護(hù)實(shí)驗(yàn)一次系統(tǒng)圖，K3開關(guān)的不同位置選擇主回路串入的阻抗不同來模擬電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，閉合開關(guān)3KO可以模擬線路三相短路，短路阻抗大小可以調(diào)節(jié)3KO下面的變阻器Re來調(diào)整，一次系統(tǒng)的電壓、電流由PT和CT變換后送入U(xiǎn)SB模擬量測(cè)量模塊進(jìn)行采集處理。

利用算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)保護(hù)算法求有效值。將DJZ-III型微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置模擬線路短路阻抗的變阻器Re調(diào)節(jié)到中間位置，將K3旋轉(zhuǎn)至最大運(yùn)行方式，運(yùn)行基于LabVIEW的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，配置USB數(shù)據(jù)采集模塊，選擇采樣周期為600Hz，選擇“全周傅立葉保護(hù)算法”對(duì)A相電流和電壓數(shù)據(jù)計(jì)算并繪制有效值波形。通過計(jì)算可以看出，在短路故障開關(guān)3KO閉合前，一次系統(tǒng)正常工作時(shí)電壓為58.5V，電流1.03A，閉合3KO使系統(tǒng)短路，故障中電壓降低約為44.6～46.2V，電流增大約為5.5～6A，教學(xué)系統(tǒng)計(jì)算值與預(yù)期值一致，計(jì)算結(jié)果是正確的。

四、總結(jié)

基于LabVIEW的微機(jī)繼電保護(hù)算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是集多種微機(jī)保護(hù)算法于一體，采用標(biāo)準(zhǔn)COMTRADE數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)電量數(shù)據(jù)有效值、相角、阻抗等參數(shù)的不同算法處理和算法講解等功能的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)。軟件采用對(duì)話框窗口形式，通過靈活選擇設(shè)置模擬量的采樣頻率、算法類型、參數(shù)和諧波分量，有助于學(xué)生更好地理解各算法的原理、作用和應(yīng)用范圍。實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單方便，便于學(xué)生學(xué)習(xí)和操作，它既可用做課堂理論教學(xué)的輔助手段，也可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的仿真計(jì)算，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握微機(jī)繼電保護(hù)算法知識(shí)非常有幫助。

作者簡(jiǎn)介：姚福強(qiáng)，山東巨野人，山東科技大學(xué)電氣信息系教師，碩士，副教授，主要從事電氣工程及計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)領(lǐng)域的教學(xué)和工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研究工作。endprint

①數(shù)字動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)（DDRTS）。DDRTS是基于微機(jī)的電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，它依據(jù)電網(wǎng)快速暫態(tài)過程數(shù)字仿真的模型與算法、實(shí)時(shí)仿真的快速算法以及數(shù)字仿真與外部自動(dòng)裝置的實(shí)時(shí)連接技術(shù)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行事故重現(xiàn)和分析，并在此基礎(chǔ)上為研究電網(wǎng)自動(dòng)裝置的可靠性問題提供試驗(yàn)手段。利用DDRTS可以產(chǎn)生電力系統(tǒng)各種故障暫態(tài)過程的數(shù)據(jù)文件，用于實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的分析和處理對(duì)象。

②微機(jī)保護(hù)裝置生產(chǎn)廠家或發(fā)、供電企業(yè)提供的各種保護(hù)裝置在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)記錄的故障錄波數(shù)據(jù)。微機(jī)保護(hù)裝置或故障錄波裝置記錄的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)故障狀態(tài)下的暫態(tài)數(shù)據(jù)代表了不同生產(chǎn)條件下的故障狀況，多數(shù)這類保護(hù)裝置都能夠輸出符合COMTRADE格式的數(shù)據(jù)文件，利用這些數(shù)據(jù)分析微機(jī)保護(hù)算法更能夠分析算法的適應(yīng)性。

③微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。我系電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室配置有華中科技大學(xué)研制DJZ-III型繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路的階段式電流保護(hù)和阻抗保護(hù)，變壓器電流保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)等電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理課程中介紹的常見繼電保護(hù)類型。利用該實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的電壓、電流信號(hào)，通過微型互感器變換后送入U(xiǎn)SB接口的數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊處理后的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)送給算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，作為仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)源。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可以通過調(diào)節(jié)DJZ-III實(shí)驗(yàn)裝置上的調(diào)壓器和電位器，模擬電力系統(tǒng)不同類型的短路試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加直觀。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)和仿真系統(tǒng)相結(jié)合，更能提高學(xué)生對(duì)保護(hù)功能的認(rèn)識(shí)。

3.可開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。①可調(diào)節(jié)電壓、電流等模擬信號(hào)的采樣頻率，分析改變采樣頻率對(duì)模擬量基波的有效值和相角等參數(shù)分析算法的影響。②可調(diào)節(jié)電壓、電流等模擬信號(hào)的采樣頻率，分析改變采樣頻率對(duì)阻抗處理算法的影響。③隨機(jī)改變被測(cè)信號(hào)中諧波分量的幅值和相位，分析和測(cè)試各中軟件濾波算法的濾波效果。④模擬接地、短路等故障類型，觀察和分析不同故障時(shí)基波有效值的變化情況。⑤模擬接地、短路等故障類型，觀察和分析利用不同保護(hù)算法計(jì)算測(cè)量結(jié)果，比較不同故障算法的精確度和響應(yīng)速度。

二、算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用方法簡(jiǎn)介

1.基波有效值及相角計(jì)算算法。運(yùn)行基于LabVIEW的算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法的需要選擇測(cè)試數(shù)據(jù)來源文件（COMTRADE格式）或配置USB數(shù)據(jù)采集模塊并在通道選擇菜單選擇采樣通道后，在保護(hù)算法選擇菜單中選取需要學(xué)習(xí)或驗(yàn)證的保護(hù)算法，在采樣頻率選擇欄選擇模擬量采樣通道的采樣頻率（300Hz、600Hz、1000Hz、1200Hz、1800Hz、2400Hz等）后，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“確定”按鈕就會(huì)得到計(jì)算結(jié)果、所選算法的原理說明及有效值波形。如果數(shù)據(jù)來自于數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集的電量數(shù)據(jù)，顯示的計(jì)算結(jié)果是實(shí)時(shí)變化的。

2.阻抗算法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)算法的需要，選擇利用數(shù)字動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)生成的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)文件或從各種微機(jī)錄波裝置中提取的故障錄波數(shù)據(jù)中合適的故障數(shù)據(jù)，或運(yùn)行微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置并配置USB數(shù)據(jù)采集模塊來采集數(shù)據(jù)。運(yùn)行基于LabVIEW的算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在通道選擇菜單選擇采樣通道或選擇數(shù)據(jù)文件后，選擇阻抗保護(hù)算法菜單，在“請(qǐng)選擇阻抗算法”欄選擇需要的阻抗算法，在采樣頻率欄選擇或輸入模擬量采樣通道的采樣頻率后，點(diǎn)“確定”按鈕運(yùn)行就會(huì)在結(jié)果區(qū)域顯示計(jì)算結(jié)果，在算法講解欄顯示實(shí)驗(yàn)算法的原理說明。

三、算法仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)功能驗(yàn)證

由上述可知，仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以來自于微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。例如圖1所示DJZ-III型微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置電流電壓保護(hù)實(shí)驗(yàn)一次系統(tǒng)圖，K3開關(guān)的不同位置選擇主回路串入的阻抗不同來模擬電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，閉合開關(guān)3KO可以模擬線路三相短路，短路阻抗大小可以調(diào)節(jié)3KO下面的變阻器Re來調(diào)整，一次系統(tǒng)的電壓、電流由PT和CT變換后送入U(xiǎn)SB模擬量測(cè)量模塊進(jìn)行采集處理。

利用算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)保護(hù)算法求有效值。將DJZ-III型微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置模擬線路短路阻抗的變阻器Re調(diào)節(jié)到中間位置，將K3旋轉(zhuǎn)至最大運(yùn)行方式，運(yùn)行基于LabVIEW的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，配置USB數(shù)據(jù)采集模塊，選擇采樣周期為600Hz，選擇“全周傅立葉保護(hù)算法”對(duì)A相電流和電壓數(shù)據(jù)計(jì)算并繪制有效值波形。通過計(jì)算可以看出，在短路故障開關(guān)3KO閉合前，一次系統(tǒng)正常工作時(shí)電壓為58.5V，電流1.03A，閉合3KO使系統(tǒng)短路，故障中電壓降低約為44.6～46.2V，電流增大約為5.5～6A，教學(xué)系統(tǒng)計(jì)算值與預(yù)期值一致，計(jì)算結(jié)果是正確的。

四、總結(jié)

基于LabVIEW的微機(jī)繼電保護(hù)算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是集多種微機(jī)保護(hù)算法于一體，采用標(biāo)準(zhǔn)COMTRADE數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)電量數(shù)據(jù)有效值、相角、阻抗等參數(shù)的不同算法處理和算法講解等功能的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)。軟件采用對(duì)話框窗口形式，通過靈活選擇設(shè)置模擬量的采樣頻率、算法類型、參數(shù)和諧波分量，有助于學(xué)生更好地理解各算法的原理、作用和應(yīng)用范圍。實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單方便，便于學(xué)生學(xué)習(xí)和操作，它既可用做課堂理論教學(xué)的輔助手段，也可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的仿真計(jì)算，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握微機(jī)繼電保護(hù)算法知識(shí)非常有幫助。

作者簡(jiǎn)介：姚福強(qiáng)，山東巨野人，山東科技大學(xué)電氣信息系教師，碩士，副教授，主要從事電氣工程及計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)領(lǐng)域的教學(xué)和工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研究工作。endprint

①數(shù)字動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)（DDRTS）。DDRTS是基于微機(jī)的電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，它依據(jù)電網(wǎng)快速暫態(tài)過程數(shù)字仿真的模型與算法、實(shí)時(shí)仿真的快速算法以及數(shù)字仿真與外部自動(dòng)裝置的實(shí)時(shí)連接技術(shù)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行事故重現(xiàn)和分析，并在此基礎(chǔ)上為研究電網(wǎng)自動(dòng)裝置的可靠性問題提供試驗(yàn)手段。利用DDRTS可以產(chǎn)生電力系統(tǒng)各種故障暫態(tài)過程的數(shù)據(jù)文件，用于實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的分析和處理對(duì)象。

②微機(jī)保護(hù)裝置生產(chǎn)廠家或發(fā)、供電企業(yè)提供的各種保護(hù)裝置在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)記錄的故障錄波數(shù)據(jù)。微機(jī)保護(hù)裝置或故障錄波裝置記錄的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)故障狀態(tài)下的暫態(tài)數(shù)據(jù)代表了不同生產(chǎn)條件下的故障狀況，多數(shù)這類保護(hù)裝置都能夠輸出符合COMTRADE格式的數(shù)據(jù)文件，利用這些數(shù)據(jù)分析微機(jī)保護(hù)算法更能夠分析算法的適應(yīng)性。

③微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。我系電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室配置有華中科技大學(xué)研制DJZ-III型繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路的階段式電流保護(hù)和阻抗保護(hù)，變壓器電流保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)等電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理課程中介紹的常見繼電保護(hù)類型。利用該實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的電壓、電流信號(hào)，通過微型互感器變換后送入U(xiǎn)SB接口的數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊處理后的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)送給算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，作為仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)源。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可以通過調(diào)節(jié)DJZ-III實(shí)驗(yàn)裝置上的調(diào)壓器和電位器，模擬電力系統(tǒng)不同類型的短路試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加直觀?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)和仿真系統(tǒng)相結(jié)合，更能提高學(xué)生對(duì)保護(hù)功能的認(rèn)識(shí)。

3.可開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。①可調(diào)節(jié)電壓、電流等模擬信號(hào)的采樣頻率，分析改變采樣頻率對(duì)模擬量基波的有效值和相角等參數(shù)分析算法的影響。②可調(diào)節(jié)電壓、電流等模擬信號(hào)的采樣頻率，分析改變采樣頻率對(duì)阻抗處理算法的影響。③隨機(jī)改變被測(cè)信號(hào)中諧波分量的幅值和相位，分析和測(cè)試各中軟件濾波算法的濾波效果。④模擬接地、短路等故障類型，觀察和分析不同故障時(shí)基波有效值的變化情況。⑤模擬接地、短路等故障類型，觀察和分析利用不同保護(hù)算法計(jì)算測(cè)量結(jié)果，比較不同故障算法的精確度和響應(yīng)速度。

二、算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用方法簡(jiǎn)介

1.基波有效值及相角計(jì)算算法。運(yùn)行基于LabVIEW的算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法的需要選擇測(cè)試數(shù)據(jù)來源文件（COMTRADE格式）或配置USB數(shù)據(jù)采集模塊并在通道選擇菜單選擇采樣通道后，在保護(hù)算法選擇菜單中選取需要學(xué)習(xí)或驗(yàn)證的保護(hù)算法，在采樣頻率選擇欄選擇模擬量采樣通道的采樣頻率（300Hz、600Hz、1000Hz、1200Hz、1800Hz、2400Hz等）后，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“確定”按鈕就會(huì)得到計(jì)算結(jié)果、所選算法的原理說明及有效值波形。如果數(shù)據(jù)來自于數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集的電量數(shù)據(jù)，顯示的計(jì)算結(jié)果是實(shí)時(shí)變化的。

2.阻抗算法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)算法的需要，選擇利用數(shù)字動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)生成的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)文件或從各種微機(jī)錄波裝置中提取的故障錄波數(shù)據(jù)中合適的故障數(shù)據(jù)，或運(yùn)行微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置并配置USB數(shù)據(jù)采集模塊來采集數(shù)據(jù)。運(yùn)行基于LabVIEW的算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在通道選擇菜單選擇采樣通道或選擇數(shù)據(jù)文件后，選擇阻抗保護(hù)算法菜單，在“請(qǐng)選擇阻抗算法”欄選擇需要的阻抗算法，在采樣頻率欄選擇或輸入模擬量采樣通道的采樣頻率后，點(diǎn)“確定”按鈕運(yùn)行就會(huì)在結(jié)果區(qū)域顯示計(jì)算結(jié)果，在算法講解欄顯示實(shí)驗(yàn)算法的原理說明。

三、算法仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)功能驗(yàn)證

由上述可知，仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以來自于微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。例如圖1所示DJZ-III型微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置電流電壓保護(hù)實(shí)驗(yàn)一次系統(tǒng)圖，K3開關(guān)的不同位置選擇主回路串入的阻抗不同來模擬電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，閉合開關(guān)3KO可以模擬線路三相短路，短路阻抗大小可以調(diào)節(jié)3KO下面的變阻器Re來調(diào)整，一次系統(tǒng)的電壓、電流由PT和CT變換后送入U(xiǎn)SB模擬量測(cè)量模塊進(jìn)行采集處理。

利用算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)保護(hù)算法求有效值。將DJZ-III型微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置模擬線路短路阻抗的變阻器Re調(diào)節(jié)到中間位置，將K3旋轉(zhuǎn)至最大運(yùn)行方式，運(yùn)行基于LabVIEW的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，配置USB數(shù)據(jù)采集模塊，選擇采樣周期為600Hz，選擇“全周傅立葉保護(hù)算法”對(duì)A相電流和電壓數(shù)據(jù)計(jì)算并繪制有效值波形。通過計(jì)算可以看出，在短路故障開關(guān)3KO閉合前，一次系統(tǒng)正常工作時(shí)電壓為58.5V，電流1.03A，閉合3KO使系統(tǒng)短路，故障中電壓降低約為44.6～46.2V，電流增大約為5.5～6A，教學(xué)系統(tǒng)計(jì)算值與預(yù)期值一致，計(jì)算結(jié)果是正確的。

四、總結(jié)

基于LabVIEW的微機(jī)繼電保護(hù)算法仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是集多種微機(jī)保護(hù)算法于一體，采用標(biāo)準(zhǔn)COMTRADE數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)電量數(shù)據(jù)有效值、相角、阻抗等參數(shù)的不同算法處理和算法講解等功能的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)。軟件采用對(duì)話框窗口形式，通過靈活選擇設(shè)置模擬量的采樣頻率、算法類型、參數(shù)和諧波分量，有助于學(xué)生更好地理解各算法的原理、作用和應(yīng)用范圍。實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單方便，便于學(xué)生學(xué)習(xí)和操作，它既可用做課堂理論教學(xué)的輔助手段，也可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的仿真計(jì)算，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握微機(jī)繼電保護(hù)算法知識(shí)非常有幫助。

作者簡(jiǎn)介：姚福強(qiáng)，山東巨野人，山東科技大學(xué)電氣信息系教師，碩士，副教授，主要從事電氣工程及計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)領(lǐng)域的教學(xué)和工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研究工作。endprint