基于虛擬儀器的多功能繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置

王曉波， 張惠忠， 王鋅桐， 李　淼

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽　合肥　230051；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心， 安徽　合肥　230022；3.合肥工業(yè)大學(xué)， 安徽　合肥　230009)

1　引言

繼電保護(hù)裝置是反映電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備故障或者不正常工作狀態(tài)，而作用于斷路器跳閘或發(fā)出信號(hào)的一種自動(dòng)裝置[1]。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，任何電氣設(shè)備在沒(méi)有繼電保護(hù)裝置的情況下，是不允許投入運(yùn)行的[2]。

為了保證繼電保護(hù)裝置的正確工作，在研制、生產(chǎn)、安裝驗(yàn)收、定期和補(bǔ)充檢驗(yàn)各個(gè)階段，都需要十分認(rèn)真地對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行試驗(yàn)[3]。繼電保護(hù)試驗(yàn)人員的水平直接會(huì)影響繼電保護(hù)裝置的試驗(yàn)結(jié)果，因此，需要建立繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室以供試驗(yàn)人員進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，以提高試驗(yàn)水平。

繼電保護(hù)裝置種類繁多，建設(shè)一個(gè)功能齊全的實(shí)驗(yàn)室需要占用很大的實(shí)驗(yàn)室面積；繼電保護(hù)裝置價(jià)格昂貴，尤其是超高壓特高壓設(shè)備的保護(hù)裝置，價(jià)格特別昂貴，建設(shè)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室花費(fèi)巨大；繼電保護(hù)裝置更新?lián)Q代快，隨著現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備的更新?lián)Q代，實(shí)驗(yàn)室繼電保護(hù)裝置也需要更新?lián)Q代，建設(shè)壓力巨大。因此，能以較少的資金、較小的占地面積建設(shè)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室，是非常有必要的。

2　虛擬繼電保護(hù)裝置的構(gòu)成原理與方法

本文提出一種基于虛擬儀器的多功能型繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)套裝，由本套裝一套設(shè)備即可完成所有需要的繼電保護(hù)裝置的實(shí)驗(yàn)，并可以進(jìn)行功能擴(kuò)展，開發(fā)新的繼電保護(hù)裝置，以完成繼電保護(hù)裝置的更新?lián)Q代的實(shí)驗(yàn)需要[4]。

本文提出的裝置需要的軟件采用NI公司的LabVIEW軟件，當(dāng)然也可以采用其他虛擬儀器編程軟件。硬件部分包括兩臺(tái)計(jì)算機(jī)、六塊數(shù)據(jù)采集卡(其中兩塊既具有模擬量輸入、輸出功能，也具有數(shù)字量輸入、輸出功能；一塊只具有模擬量輸入功能；一塊只具有模擬量輸出功能；還有另外兩塊只具有數(shù)字量輸入、輸出功能)和兩塊LED顯示屏，如圖1所示。

圖1　虛擬繼電保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

計(jì)算機(jī)1用來(lái)構(gòu)成繼電保護(hù)測(cè)試儀；計(jì)算機(jī)2用來(lái)構(gòu)成繼電保護(hù)裝置；數(shù)據(jù)采集卡1用來(lái)配合計(jì)算機(jī)1構(gòu)成繼電保護(hù)測(cè)試儀，這塊采集卡既具有模擬量輸入、輸出功能，也具有數(shù)字量輸入、輸出功能；數(shù)據(jù)采集卡2用來(lái)配合計(jì)算機(jī)2構(gòu)成繼電保護(hù)裝置，這塊采集卡既具有模擬量輸入、輸出功能，也具有數(shù)字量輸入、輸出功能；數(shù)據(jù)采集卡3只有數(shù)字量輸入、輸出功能，用來(lái)配合計(jì)算機(jī)1、2判斷繼電保護(hù)試驗(yàn)中的接線是否正確；數(shù)據(jù)采集卡4只有數(shù)字量輸入、輸出功能，用來(lái)配合計(jì)算機(jī)1、2判斷繼電保護(hù)試驗(yàn)中的接線是否正確；數(shù)據(jù)采集卡5只有模擬量輸入功能，用來(lái)配合計(jì)算機(jī)1判斷繼電保護(hù)試驗(yàn)中的接線是否正確；數(shù)據(jù)采集卡6只有模擬量輸出功能，用來(lái)配合計(jì)算機(jī)2判斷繼電保護(hù)試驗(yàn)中的接線是否正確；LED顯示屏1用來(lái)顯示在計(jì)算機(jī)1執(zhí)行某個(gè)程序時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡1的端子位對(duì)應(yīng)的繼電保護(hù)測(cè)試儀端子；LED顯示屏2用來(lái)顯示在計(jì)算機(jī)2執(zhí)行某個(gè)程序時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡2的端子位對(duì)應(yīng)的繼電保護(hù)裝置端子。

圖2　虛擬繼電保護(hù)裝置　　操作軟件主界面

計(jì)算機(jī)1的軟件程序主要包括三個(gè)部分，第一部分為虛擬繼電保護(hù)測(cè)試儀的驅(qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡1的相關(guān)部分；第二部分為L(zhǎng)ED顯示屏的驅(qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)啟動(dòng)LED顯示屏1的字幕顯示；第三部分為預(yù)檢測(cè)程序，負(fù)責(zé)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡3和數(shù)據(jù)采集卡5的相關(guān)部分，用來(lái)判斷是否正確接線。計(jì)算機(jī)2的軟件程序主要也包括三個(gè)部分，第一部分為虛擬繼電保護(hù)裝置的驅(qū)動(dòng)程序，其中包括若干個(gè)子程序，負(fù)責(zé)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡2的相關(guān)部分，每個(gè)子程序使數(shù)據(jù)采集卡2對(duì)應(yīng)的實(shí)際繼電保護(hù)裝置硬件含義不同，啟動(dòng)不同的子程序則數(shù)據(jù)采集卡2和計(jì)算機(jī)2配合，成為不同的虛擬繼電保護(hù)裝置；第二部分為L(zhǎng)ED顯示屏的驅(qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)啟動(dòng)LED顯示屏2的字幕顯示，也包括若干個(gè)子程序，每個(gè)子程序使LED顯示屏2顯示不同的字幕，啟動(dòng)不同的子程序則LED顯示屏2用來(lái)顯示此時(shí)數(shù)據(jù)采集卡2接線端子對(duì)應(yīng)的實(shí)際繼電保護(hù)裝置的端子內(nèi)容；第三部分為預(yù)檢測(cè)程序，負(fù)責(zé)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡4和數(shù)據(jù)采集卡6的相關(guān)部分，用來(lái)判斷是否正確接線。

為了能更清楚地說(shuō)明本裝置，下面舉具體例子說(shuō)明。現(xiàn)在需要用本繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)套裝進(jìn)行DL-32型電流繼電器動(dòng)作特性實(shí)驗(yàn)。首先打開計(jì)算機(jī)1，進(jìn)入主程序，進(jìn)入界面情況見(jiàn)圖2。顯示界面1部分完全和真實(shí)的繼電保護(hù)測(cè)試儀相同，主要包括電壓、電流、數(shù)字量輸入、輸出等功能顯示，“預(yù)檢測(cè)”與“開始實(shí)驗(yàn)”為兩個(gè)按鈕，當(dāng)虛擬繼電保護(hù)測(cè)試儀與虛擬繼電保護(hù)裝置完成接線以后，首先不要按下“開始實(shí)驗(yàn)”按鈕，要先按下“預(yù)檢測(cè)”按鈕。按下“預(yù)檢測(cè)”按鈕后，虛擬繼電保護(hù)測(cè)試儀中對(duì)應(yīng)的硬件，即數(shù)據(jù)采集卡1并不發(fā)生模擬量和數(shù)字量，也就沒(méi)有電量加在數(shù)據(jù)采集卡2上，也即虛擬繼電保護(hù)裝置上，由于并沒(méi)有電量存在，不會(huì)燒壞硬件。打開計(jì)算機(jī)2，進(jìn)入主程序，進(jìn)入界面情況見(jiàn)圖3。按下“DL-32電流繼電器”按鈕后，進(jìn)入界面情況如圖4，其中“顯示界面部分”用來(lái)模擬DL-32型電流繼電器。開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，按照下列步驟進(jìn)行。

圖3　裝置繼電器選擇界面　　圖4　電流繼電器模擬界面

(1)打開計(jì)算機(jī)1和計(jì)算機(jī)2，分別進(jìn)入計(jì)算機(jī)1和計(jì)算機(jī)2的主程序，然后在計(jì)算機(jī)2上選擇需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的繼電保護(hù)裝置，這里選擇“DL-32電流繼電器”，此時(shí)，LED顯示屏1和LED顯示屏2按照繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)需求(程序事先設(shè)定)進(jìn)行顯示，這樣的目的是使虛擬儀器的硬件標(biāo)識(shí)更加清楚。

(2)按照實(shí)驗(yàn)原理接線(即圖5的接線)。

圖5　測(cè)試電流繼電器特性接線圖

(3)接線完成后，點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)1此時(shí)界面中的“預(yù)檢測(cè)”按鈕，由于計(jì)算機(jī)1與計(jì)算機(jī)2具有通訊關(guān)系，此時(shí)，計(jì)算機(jī)2也會(huì)按照事先程序預(yù)定進(jìn)行。計(jì)算機(jī)2中程序控制使數(shù)據(jù)采集卡6上的端子：Y6-1和Y6- 4產(chǎn)生電流，并且電流數(shù)值不相同，比如Y6-1上電流為5mA，Y6- 4上的電流為10mA。數(shù)據(jù)采集卡3的常開接點(diǎn)1和3閉合，數(shù)據(jù)采集卡4的常開接點(diǎn)1和4閉合。此時(shí)，如果實(shí)驗(yàn)操作者接線正確，則數(shù)據(jù)采集卡5的端子Y5-1上接收到10mA的電流，端子Y5-2上接收到5mA的電流，數(shù)據(jù)采集卡5把這個(gè)數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)1。計(jì)算機(jī)1中預(yù)先編制好的程序如果判定數(shù)據(jù)采集卡5的端子Y5-1上接收到10mA的電流，端子Y5-2上接收到5mA的電流，則認(rèn)為接線正確，否則認(rèn)為接線錯(cuò)誤。

(4)如果計(jì)算機(jī)1判定接線錯(cuò)誤，則實(shí)驗(yàn)操作者需要檢查接線，檢查并且調(diào)整接線后再進(jìn)行以上步驟。如果計(jì)算機(jī)1判定接線正確，則提示實(shí)驗(yàn)操作者，可以進(jìn)行下一步。

(5)完成“預(yù)檢測(cè)”后，按下“開始實(shí)驗(yàn)”按鈕，此時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡6上不再發(fā)生電流，數(shù)據(jù)采集卡3和數(shù)據(jù)采集卡4的常開接點(diǎn)再次打開。數(shù)據(jù)采集卡1由計(jì)算機(jī)1的程序控制，加上相應(yīng)的電流，可以進(jìn)行正常實(shí)驗(yàn)。

以上的檢測(cè)中，之所以只檢測(cè)Ia與In的接線是否正確，是因?yàn)檫@兩個(gè)接線端子位電流，如果接錯(cuò)線會(huì)對(duì)儀器造成損壞，而無(wú)源端子即使接錯(cuò)線，也不會(huì)產(chǎn)生損壞元器件的致命錯(cuò)誤。這里，設(shè)計(jì)為不檢測(cè)，首先可以節(jié)約硬件，其次由于繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)中接線方法可能并不唯一，這樣檢測(cè)會(huì)大大占用硬件和軟件資源。

3　結(jié)語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際運(yùn)行中，本裝置的優(yōu)點(diǎn)是非常突出的。

首先，培訓(xùn)學(xué)員來(lái)自不同的現(xiàn)場(chǎng)，由于繼電保護(hù)裝置種類多、生產(chǎn)廠家多，如果建設(shè)普通繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室，必須投入大量資金、占用大面積的實(shí)驗(yàn)室資源，而虛擬繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置則有效地解決了這個(gè)問(wèn)題。

其次，隨著繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，必將涌現(xiàn)出更多的新型繼電保護(hù)裝置，如果使用傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置，是不容易進(jìn)行擴(kuò)展的[5]，使用虛擬繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置后，只需要改動(dòng)計(jì)算機(jī)軟件就可以生成新型繼電保護(hù)裝置，靈活性好。

再次，本虛擬繼電保護(hù)裝置使用LED顯示屏標(biāo)識(shí)接線端子，更為直觀。而且具有錯(cuò)誤接線報(bào)警功能，有效地防止了硬件的損壞，延長(zhǎng)了裝置的壽命。

但是，虛擬繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置也有缺點(diǎn)，主要是在外觀上和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際繼電保護(hù)裝置差異很大，不過(guò)，如果培訓(xùn)學(xué)員摒棄心理上的因素，外觀問(wèn)題其實(shí)對(duì)培訓(xùn)效果沒(méi)有任何影響。

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