基于虛擬儀器的二次變電站微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)

田有文，趙華松，于 泓，趙 君

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng)110866)

目前，二次變電站中的繼電保護(hù)普遍采用微機(jī)保護(hù)，而微機(jī)保護(hù)的主要功能是由軟件實(shí)現(xiàn)的，實(shí)驗(yàn)人員只可觀察到保護(hù)的動(dòng)作結(jié)果，對(duì)于內(nèi)部動(dòng)作過(guò)程無(wú)法知曉，無(wú)益于透明化展示故障動(dòng)作過(guò)程和分析校驗(yàn)保護(hù)性能。對(duì)此，繼電保護(hù)研究者可以在不借助硬件平臺(tái)的情況下，用數(shù)字仿真的方式研究新的保護(hù)方法和原理，構(gòu)建一個(gè)與實(shí)際中微機(jī)保護(hù)設(shè)備相似的虛擬微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)［1］。該系統(tǒng)可以校驗(yàn)微機(jī)保護(hù)的性能以及實(shí)現(xiàn)故障仿真，但缺點(diǎn)是建立整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜［2－4］。文獻(xiàn)［5］基于 MATLAB仿真建立電力線路、自動(dòng)重合閘裝置及電流速斷保護(hù)等仿真模型，利用VB把仿真命令傳送給MATLAB，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路發(fā)生各類接地故障的仿真［5］。本文建立了二次變電站虛擬微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，利用仿真軟件MATLAB將產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)或現(xiàn)場(chǎng)及動(dòng)模試驗(yàn)的錄波數(shù)據(jù)導(dǎo)入到LabVIEW建立的系統(tǒng)中，由LabVIEW建立的各功能模塊對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。同時(shí)通過(guò)LabVIEW前面板進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)保護(hù)動(dòng)作的過(guò)程及故障數(shù)據(jù)的處理，以為電網(wǎng)工作人員提供虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

1 虛擬微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的基本要求

虛擬微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求:

1)可視性。用戶不能對(duì)微機(jī)保護(hù)內(nèi)部進(jìn)行觀察是因?yàn)槲C(jī)保護(hù)的功能是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的。虛擬微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)需能顯示相關(guān)的電氣量(包含運(yùn)算的中間結(jié)果以及采樣值等數(shù)據(jù))及保護(hù)內(nèi)部的動(dòng)作過(guò)程，幫助分析與研究微機(jī)保護(hù)。

2)逼真性。設(shè)定虛擬微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)定值的方法、顯示動(dòng)作的過(guò)程及其結(jié)果和實(shí)際裝置一樣，有利于全部微機(jī)保護(hù)動(dòng)作過(guò)程被學(xué)員更好地理解和掌握［6］。

3)可控性。仿真過(guò)程應(yīng)能人工控制，并可連續(xù)執(zhí)行和分步執(zhí)行。對(duì)于新方法和新原理的研究來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)非常重要［7］。

4)設(shè)計(jì)虛擬微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)使系統(tǒng)便于修改，包括采樣頻率、算法、動(dòng)作邏輯與整定值等的修改［8］。

2 基于虛擬儀器的二次變電站微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言(通常稱為G語(yǔ)言)。LabVIEW利用圖形模式的結(jié)構(gòu)框圖編寫(xiě)程序代碼，使工作效率大幅度提升［9－10］。

在本研究中，微機(jī)保護(hù)的仿真通過(guò)虛擬儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用“模塊化”的設(shè)計(jì)思路，將微機(jī)保護(hù)模型分解，將重復(fù)的“模塊”簡(jiǎn)化、合并成一個(gè)或幾個(gè)典型功能單元。將保護(hù)中的典型單元單獨(dú)制作成“通用模塊”，在虛擬儀器中建立仿真模塊庫(kù)，把“通用模塊”也就是VI子程序編入。從仿真模塊庫(kù)中選取相應(yīng)的“通用模塊”進(jìn)行不同類型保護(hù)的仿真，把VI子程序按照一定的邏輯進(jìn)行連接，構(gòu)建出原理互不相同的微機(jī)保護(hù)仿真。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、啟動(dòng)模塊、算法模塊、選相模塊、保護(hù)原理模塊、出口信號(hào)模塊和人機(jī)交互界面等。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 二次變電站虛擬微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the virtual microcomputer protection system in secondary substation

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的來(lái)源主要有兩種:1)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或動(dòng)模試驗(yàn)故障錄波數(shù)據(jù);2)仿真軟件MATLAB或ATP獲得的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本研究采用仿真軟件MATLAB產(chǎn)生故障數(shù)據(jù)。故障數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊在MATLAB中的實(shí)現(xiàn)程序如圖2所示。

圖2 MATLAB中的故障數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊Fig.2 Module generating fault data in MATLAB

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

將MATLAB得到的故障數(shù)據(jù)導(dǎo)到電子表格中，然后應(yīng)用LabVIEW中的path控件讀取數(shù)據(jù)到程序中備用。

2.3 保護(hù)功能模塊

2.3.1 啟動(dòng)模塊

在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)啟動(dòng)元件動(dòng)作是啟動(dòng)模塊的主要任務(wù)，啟動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)入故障處理程序。采用突變量電流啟動(dòng)元件是最常用的方法，即

式中:Δik為突變量電流;ik為時(shí)刻k的采樣值;ik－N為時(shí)刻k之前一周期電流的采樣值;N為1個(gè)工頻周期內(nèi)采樣的點(diǎn)數(shù)。

ik和ik－N通過(guò)對(duì)輸入電流數(shù)組的索引得到，添加while循環(huán)，通過(guò)將Δik和預(yù)設(shè)定值作較之后生成的布爾值，來(lái)判斷故障是否發(fā)生。如果突變量Δik大于預(yù)先設(shè)的定值，則啟動(dòng)元件動(dòng)作，系統(tǒng)顯示發(fā)生故障。程序的實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

2.3.2 算法模塊

啟動(dòng)元件判斷發(fā)生故障后，系統(tǒng)進(jìn)入算法模塊。

各種保護(hù)算法包含在算法模塊庫(kù)中，可根據(jù)故障仿真的不同應(yīng)用不同的保護(hù)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機(jī)處理時(shí)的基波幅值:

圖3 啟動(dòng)模塊Fig.3 Starting module

式中:a1，b1分別為基波分量正、余弦項(xiàng)的振幅;xk為第k次的采樣值;x0，xN分別為k=0，k=N時(shí)的采樣值。傅氏算法在LabVIEW中的實(shí)現(xiàn)程序如圖4所示。

圖4 算法模塊Fig.4 Algorithm module

2.3.3 選相模塊

啟動(dòng)模塊顯示系統(tǒng)有故障后，先由選相模塊判斷相別和故障類型。本研究采用相電流突變量選相法進(jìn)行故障相判別，流程如圖5所示。算法模塊求得的三相電流有效值為輸入，相別及故障類型為輸出。利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)的選相模塊程序如圖6所示。

2.4 動(dòng)作邏輯的實(shí)現(xiàn)

各個(gè)功能模塊建立后，在LabVIEW中用連接線按照動(dòng)作時(shí)序以及邏輯關(guān)系將各個(gè)模塊連接到一起，LabVIEW程序的前面板可以顯示動(dòng)作結(jié)果、輸入數(shù)據(jù)和顯示濾波前后波形等。利用數(shù)據(jù)采集模塊連續(xù)讀入數(shù)據(jù)，導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件。將故障電流和電壓等數(shù)據(jù)元素20個(gè)一組依次傳入到在LabVIEW中建立的數(shù)組中(采樣頻率為1000 Hz，每一個(gè)工頻周期內(nèi)包含采樣點(diǎn)數(shù)為20)。應(yīng)用LabVIEW提供的順序結(jié)構(gòu)和for循環(huán)完成數(shù)據(jù)元素輸入功能。故障類型與相別、故障時(shí)間等信息和計(jì)算的中間結(jié)果由系統(tǒng)前面板進(jìn)行模擬顯示，依此來(lái)仿真保護(hù)中開(kāi)關(guān)量的輸出和事故的報(bào)告。

LabVIEW仿真微機(jī)保護(hù)中的動(dòng)作邏輯和功能是通過(guò)軟件中的延時(shí)控件、選擇控件、邏輯判別控件、順序結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)的［11－13］。

圖5 故障判別流程圖Fig.5 Flow chart of fault distinguish

圖6 選相模塊Fig.6 Phase selection module

3 應(yīng)用實(shí)例

二次變電站虛擬微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的前面板如圖7所示。將MATLAB得到的故障數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Lab-VIEW中，各相電流采樣值為輸入量。先設(shè)置各項(xiàng)仿真參數(shù)，之后運(yùn)行系統(tǒng)，測(cè)量端電流、電壓、動(dòng)作結(jié)果、故障類型等數(shù)據(jù)在仿真的過(guò)程中全部可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)，以便更好地分析保護(hù)的功能。把輸出同每一段預(yù)設(shè)值對(duì)比后，輸入到選擇控件中，通過(guò)選擇控件中的True＆False判斷是繼續(xù)進(jìn)行下一段比較還是發(fā)出跳閘信號(hào)。將Ⅱ段、Ⅲ段的比較子模塊分別放入順序結(jié)構(gòu)中，利用延時(shí)控件實(shí)現(xiàn)延時(shí)。設(shè)定電流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段整定值分別為10 A、8 A、5 A，Ⅱ段延時(shí)1 s、Ⅲ段延時(shí)2.5 s。當(dāng)測(cè)量端電流小于5 A時(shí)，前面板合位和運(yùn)行指示燈工作;當(dāng)測(cè)量端電流大于10 A時(shí)，前面板跳位指示燈工作，且液晶屏顯示Ⅰ段動(dòng)作;當(dāng)測(cè)量端電流大于8 A且小于10 A時(shí)，延時(shí)1 s后前面板跳位指示燈工作，且液晶屏顯示Ⅱ段動(dòng)作;當(dāng)測(cè)量端電流大于5 A且小于8 A時(shí)，延時(shí)2.5 s后前面板跳位指示燈工作，且液晶屏顯示Ⅲ段動(dòng)作。該結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)的動(dòng)作結(jié)果相符。

圖7 二次變電站虛擬微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)前面板Fig.7 Front panel of the virtual microcomputer protection system in secondary substation

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立的基于虛擬技術(shù)的二次變電站虛擬微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，可以把微機(jī)保護(hù)的動(dòng)作過(guò)程和相關(guān)的電氣量特征信息直觀地展示出來(lái)，保護(hù)算法及保護(hù)方式也可以靈活設(shè)置。因此，該系統(tǒng)可用在培訓(xùn)電力公司工作人員、學(xué)校教學(xué)及剖析微機(jī)保護(hù)拒動(dòng)和誤動(dòng)的原因，也可為設(shè)計(jì)新的微機(jī)保護(hù)方法提供借鑒。

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