微機(jī)保護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與應(yīng)用

楊宏宇++田有文++趙靜翔

摘 要 以微機(jī)兩段式電流保護(hù)為例，詳細(xì)介紹利用LabVIEW開發(fā)出一套微機(jī)保護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。實(shí)踐應(yīng)用表明，微機(jī)保護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)具有成本低廉、操作方便、方便升級(jí)、功能完善的優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量顯著提升。

關(guān)鍵詞 虛擬儀器；微機(jī)保護(hù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；LabVIEW

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2015）02-0043-03

1 引言

繼電保護(hù)在電力系統(tǒng)中占有重要的地位，是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。微機(jī)繼電保護(hù)幾乎完全取締了傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置，在電力系統(tǒng)保護(hù)方面已經(jīng)占到主導(dǎo)位置。在微機(jī)保護(hù)教學(xué)中，為了使學(xué)生加深對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、分析問題和解決問題能力以及科技創(chuàng)新能力，往往設(shè)置一些相關(guān)實(shí)驗(yàn)。但微機(jī)保護(hù)裝置價(jià)格昂貴，維護(hù)費(fèi)用也高，且實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能單一，致使一些院校放棄了微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)，從而影響了教學(xué)質(zhì)量。

基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是建立在軟件教學(xué)基礎(chǔ)上的。虛擬儀器技術(shù)利用高效靈活的軟件控制高性能的硬件，增強(qiáng)系統(tǒng)功能與靈活性。虛擬儀器具有交互性、數(shù)字化、模塊化、易于網(wǎng)絡(luò)化等明顯特點(diǎn)，適合于開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。所以，許多高等院校開發(fā)了電氣工程類課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，大大增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。本文探索將虛擬儀器技術(shù)用于微機(jī)保護(hù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)出一套低成本、高效率、方便升級(jí)的微機(jī)保護(hù)教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)可視化，在原理方面、工作過程方面以及使用方面能夠讓學(xué)生更直觀、更簡(jiǎn)單地掌握微機(jī)保護(hù)理論，以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)手段和方式，優(yōu)化教學(xué)活動(dòng)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

2 微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)

本文利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)包括兩段式電流保護(hù)、三段式電流保護(hù)、方向性電流保護(hù)、零序電流保護(hù)、自動(dòng)重合閘原理等。下面以兩段式電流保護(hù)為例，即無時(shí)限電流速斷保護(hù)（電流I段）、定時(shí)限過電流保護(hù)（電流Ⅲ段），說明應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)的過程。

系統(tǒng)設(shè)計(jì) 利用LabVIEW設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)有兩個(gè)部分，一個(gè)部分為前面板，另一部分為程序框圖。前面板由輸入控件和顯示控件組成，輸入控件是指旋鈕、按鈕等輸入裝置。顯示控件是指指示燈等顯示裝置。輸入控件模擬儀器的輸入裝置，為VI的程序框圖提供數(shù)據(jù)。顯示控件模擬儀器的輸出裝置，用以顯示程序框圖獲取或生成的數(shù)據(jù)。在利用LabVIEW進(jìn)行程序框圖設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)用到一些對(duì)象，它們主要來自五大子模板，即結(jié)構(gòu)子模板、數(shù)值子模板、布爾子模板、比較子模板、定時(shí)子模板。

在兩段式電流保護(hù)中，整定電流是保護(hù)動(dòng)作的重要根據(jù)。電流I段保護(hù)中動(dòng)作電流是為保證選擇性，保護(hù)裝置的起動(dòng)電流應(yīng)按躲開下一條線路出口處短路時(shí)，通過保護(hù)的最大短路電流來整定。而電流Ⅲ段保護(hù)中動(dòng)作電流是按躲開被保護(hù)線路的最大負(fù)荷電流，且在自起動(dòng)電流下繼電器能可靠返回來整定。這兩個(gè)整定電流是變量，且是按特定需要來隨時(shí)進(jìn)行改變的，所以在程序框圖設(shè)計(jì)中需要添加兩個(gè)轉(zhuǎn)換為輸入控件的數(shù)值常量，以便用戶可以隨時(shí)更改自己輸入的數(shù)據(jù)。

電流I段保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間較小，可認(rèn)為是時(shí)間為零。而電流Ⅲ段保護(hù)中，由于保護(hù)范圍很大，為保證保護(hù)動(dòng)作的選擇性，其保護(hù)動(dòng)作延時(shí)應(yīng)比下一條線路的電流Ⅲ段的動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)一個(gè)時(shí)限階段。在電流Ⅲ段保護(hù)中要有時(shí)間延遲，則需要設(shè)計(jì)延時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)用到結(jié)構(gòu)模板中的層疊式順序結(jié)構(gòu)和定時(shí)模板中的時(shí)間延時(shí)，將兩個(gè)組合起來就可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)的效果，并且延時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)短可以再根據(jù)自己需要更改。如圖1所示，延時(shí)程序框圖。

在本系統(tǒng)中，當(dāng)線路未出現(xiàn)故障時(shí)，也就是線路正常運(yùn)行時(shí)，則需要顯示出來；當(dāng)線路出現(xiàn)故障時(shí)，電流I段保護(hù)和電流Ⅲ段保護(hù)也要運(yùn)行、動(dòng)作、保護(hù)，則也需要顯示出來。這就要用到布爾模板中轉(zhuǎn)換為顯示控件的布爾常量，在前面板上會(huì)顯示成指示燈，燈亮不亮對(duì)應(yīng)于是否在工作。

本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了總電源開關(guān)，來顯示系統(tǒng)是否通電。

系統(tǒng)功能 本系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)以四方微機(jī)保護(hù)裝置為背景，分別設(shè)計(jì)了電源開關(guān)、指示燈、按鍵。指示燈顯示當(dāng)前裝置的工作狀況，如同實(shí)際保護(hù)裝置一樣進(jìn)行相應(yīng)的顯示和指示，虛擬前面板上的按鍵可用鼠標(biāo)點(diǎn)擊進(jìn)行操作。

微機(jī)保護(hù)裝置的前面板見圖2：“開”為電源開關(guān)鍵；“電流”“I段整定”“Ⅲ段整定”為輸入數(shù)據(jù)鍵；“電源”表示電源開關(guān)的狀態(tài)；“正?！北硎揪€路處于正常狀態(tài)；“I段”表示I段保護(hù)在工作；“Ⅲ段”表示Ⅲ段保護(hù)在工作。

當(dāng)裝置正常工作時(shí)，“正?！睙袅?，可以通過“電流”“I段整定”“Ⅲ段整定”鍵來輸入數(shù)據(jù)，其中“I段整定”“Ⅲ段整定”輸入的是保護(hù)所需要的整定電流取值。圖3為基于LabVIEW的設(shè)計(jì)原理圖。

對(duì)于微機(jī)兩段式電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)的操作過程，首先打開電源，然后輸入兩個(gè)通過收集和運(yùn)算得到的電流整定值，分別輸入到“I段整定”“Ⅲ段整定”中，其中I段整定值要比Ⅲ段整定值大。如分別輸入“5”“3”，當(dāng)“電流”值為1到3 A（大于0小于3 A）時(shí)，前面板中“正?！睙魰?huì)亮；然而當(dāng)“電流”值為4 A（大于等于3小于5 A）時(shí)，“Ⅲ段”燈會(huì)亮，并且延時(shí)0.5 s；當(dāng)“電流”值為7 A（大于等于5 A）時(shí)，“I段”燈會(huì)迅速亮。最后，當(dāng)不用時(shí)，可以直接關(guān)閉電源。

3 結(jié)束語

本文利用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了外觀與實(shí)際裝置相同、功能也與實(shí)際裝置相同且功能更多樣的微機(jī)保護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。此虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了可視化功能，通過“圖形”方式展現(xiàn)出實(shí)際裝置，給人一種一目了然的感覺。而且能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)儀器的很多不足之處，又能夠發(fā)揮其在操作、使用、價(jià)格和功能等方面的優(yōu)勢(shì)，學(xué)生僅從前面板上就可以完成整個(gè)微機(jī)保護(hù)裝置的工作過程。另外，虛擬儀器技術(shù)充分將硬件軟件化，減少了以前大部分硬件檢修費(fèi)用和硬件更換費(fèi)用，且本身費(fèi)用也相對(duì)較低；微機(jī)保護(hù)軟件落后可以進(jìn)行升級(jí)更新，如果需要新的功能，則可以把新的功能模塊調(diào)用到系統(tǒng)中，并且不受內(nèi)存大小的影響，本身自動(dòng)化、智能化程度也很高。

在實(shí)踐應(yīng)用中，學(xué)生可以通過修改參數(shù)、不斷調(diào)試，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析，在實(shí)踐中深刻理解和掌握微機(jī)保護(hù)的知識(shí)，使理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐緊密結(jié)合，學(xué)習(xí)過程更加生動(dòng)形象，從而提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，因此在其他高校中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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