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摘要：基于LabVIEW的继电保护实验平台的开发将虚拟仪器技术与电力系统继电保护相结合，以图形化编程软件LabVIEW为支撑，搭建具有信号采集与分析的多功能虚拟继电保护实验平台，充分利用实验室教学实验装置，突破硬件不足对实验教学的限制，是目前高校实验教学的迫切需要。同时该平台可以丰富教学方式，提高学生的学习热情和动手能力，对于培养学生的创造性思维有很大的帮助。
关键词：虚拟仪器技术；LabVIEW；数字模拟平台；继电保护实验
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）35-0150-02
电力系统继电保护作为电气工程专业学生必修的专业基础课程，其实验课程对帮助学生理解继电器的继电特性和工作原理具有非常好的指导作用。虽然学校实验室配有专业的继电保护实验装置和相应继电器挂箱搭建起来的实验平台，但由于现有实验设备的局限性，实际教学实验中只能进行近似的模拟仿真，而且所搭建的平台往往结构简单，功能单一，仅可满足一些演示性和验证性实验的要求[1]。另外，由于经费等方面的限制，实验设备不可能经常的更新换代，使得实验教学往往落后于现代技术发展的前沿。
虚拟仪器作为当前计算机技术与测试仪器技术相结合的产物，是一种全新的测量技术和手段，它利用计算机强大的图形环境和运算功能，基于“软件即是仪器”的思想，以软件实现的方式模拟传统仪器面板，代替传统仪器完成对仪器的控制、数据分析和显示功能[2-4]。虚拟仪器的“虚拟”主要有两方面的含义：一是虚拟仪器的面板是虚拟的；二是虚拟仪器的测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。
目前应用最广泛的虚拟仪器开发平台软件主要有NI（National Instruments）公司的LabVIEW和Lab Windows/CVI等。这类软件通过数据采集卡、GPIB卡等硬件模块来实现虚拟仪器环境与现实设备的信息交换，并提供了多种用于处理采样数据的控件，以完成特定仪器功能的模拟[5-6]。虚拟仪器提供的工具几乎能满足所有模拟仿真的需要，而且任何一个用户都可以方便灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作，并可以根据不同的测试要求通过窗口来切换不同的虚拟仪器[7]。
经过多年的发展，虚拟仪器技术具有丰富的内涵，目前已有GPIB（General Purpose Interface Bus），DAQ（Data Acquisition），VXI（VME Extension for Instrument）和PXI（PCI Extension for Instrument）四种标准体系结构，已广泛应用于电子测量、振动分析、故障诊断等诸多方面[8]。近年来，虚拟仪器技术逐步应用于电力系统测量、电力系统监控以及电力系统的仿真和教学中。
一、主要功能及原理介绍
电力系统由发电机、变压器、电力线路及各种用电设备组成。各电气元件及系统整体一般处于正常运行状态，但也可能出现故障或异常运行状态。为防止事故发生，电力系统继电保护就是用来反映电气设备发生的故障和异常运行情况，动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的保护装置。双端电源网络是典型的电力系统输电线路结构形式，在其间发生的相间故障以及所采取的保护功能是继电保护课程理论学习和理解的基础。但实验室现有EPL-Ⅱ型继电保护实验装置只能开展常规的继电器动作特性实验和单端电源结构下的继电保护实验，无法模拟实际输电系统中双端电源、环网电源供电等复杂的电力网络拓扑结构，无法帮助学生正确理解基于方向闭锁元件的三段式电流保护配置思想在双端电源输电线路上的应用，是实验环节中的一大不足。
将虚拟仪器技术与电气工程类专业的继电保护实验相结合，同时考虑到现有模拟实验平台的局限性，开发了基于图形化编程软件LabVIEW的继电保护虚拟实验平台。该平台实现了电力系统故障特征的虚拟仿真和继电保护动作过程的可视化，在此基础上可以进一步开发和配置各种类型的继电保护功能，具有很大的开发空间，同时也能很好的克服硬件（继电器、线路结构、测量仪表等）的制约，为鼓励学生自主设计实验方案搭建了良好的开放式平台[9-10]。
1.构成及原理
继电保护虚拟实验平台的实现由两部分来完成：
（1）基于EPL-Ⅱ型装置的双端电源输电线路继电保护实验的改进设计。对实验室现有实验装置的单端电源辐射式线路结构进行改进，构建了双端电源输电线结构，设计了功率方向继电保护实验的改进方案，克服了实验设备本身的缺陷和原实验方法的不足，实现了功率方向保护“区内故障动作、区外故障闭锁”的基本要求，实验步骤清晰、操作过程简单、实验现象直观，取得良好的效果。
（2）基于LabVIEW和EPL-Ⅱ型继电保护装置的虚拟实验平台的开发。利用LabVIEW软件模拟实现了典型继电器（电流继电器、电压继电器、相间功率方向继电器、零序功率方向继电器、各种特性的阻抗继电器、比率制动特性的差动继电器和重合闸继电器等）的基本功能，并通过PCI总线和数据采集卡实现了LabVIEW和继电保护设备之间的通信，实现对线路的状态监测、故障判别并发出动作指令，进而控制断路器动作实现继电保护的功能。
EPL-II型实验装置和经改造后的实验平台原理接线图分别如图1和图2所示。
与系统硬件实验平台对应，在上位机中采用虚拟仪器软件LabVIEW模拟出如图2所示的双端电源输电线路模型。
软件设计中采用模块化的设计方法，每个功能模块实现相应的功能，最后通过整合调用，实现系统整体设计。采用模块结构的最大优点是效率高，数据容易共享。由于模块之间可以相互调用，因此可以非常灵活地组织模块完成各种功能，达到较高的整体效率。如果需要对模块中某一功能升级，只需改写相应的模块，而不需要改动整个软件结构，当需要增加系统功能时也只需要增加相应的软件功能模块即可。图3为功率继电器模块，该模块具有操作简便、显示直观的特点，易于学生理解继电器的动作特性和输电线路保护的基本原理。 2.具体实现过程
上位机中的虚拟仪器平台根据信号采集挂箱采集到的信息分析得出硬件实验台中电力系统故障在输电线路中发生的位置，在虚拟仪器双端电源输电线路模型的相应位置模拟相同类型故障，这样就实现了双端电源输电线路在硬件实验装置和虚拟仪器软件平台中的对应，所不同的是在虚拟仪器平台中保护的配置和整定可根据输电线路模型和预先设置的线路电阻、电抗等参数分析计算完成。
此外，还可以通过加装PLC控制箱的方式将虚拟仪器平台的继电器模块执行结果反馈到硬件实验装置中，控制相应的继电器是否动作，实现继电保护信息从硬件实验装置到上位机的虚拟仪器平台再反馈回硬件的完整的循环。系统的结构大致如图4所示。
二、实验平台在实际实验中的应用
多功能继电保护虚拟实验平台搭建完成后，便可用于实现信号的采集与信号分析，并在此系统的基础上对单端电源输电线路三段式电流保护、双端电源输电线路方向性电流保护和距离保护以及变压器保护等进行仿真实验。实验结果表明该平台具有以下功能：可实现多通道数据的采集，数字滤波，信号分析和计算，以及数据的存储和对历史数据的复现，线路的零序保护、距离保护以及差动保护能够迅速、可靠动作。图5所示为虚拟仪器实验平台中单端电源输电线路的三段式电流保护配合。
三、结束语
将虚拟仪器技术引入到高校实验室的升级改造中，采用图形化编程语言LabVIEW并充分利用学校实验室原有的实验装置，开发了可用于电力系统继电保护综合实验的数字模拟平台。该平台不仅能较好解决经费投入难以完全保障、电力系统实验设备昂贵等问题，还可以使学生获得尽可能全面具体的实验教育，而且很好的将学生学过的现代测试理论、信息电子科学、计算机开发及网络应用技术等相关知识系统结合起来，充实了实验内容，对学生综合利用所学知识的能力培养大有好处，同时在继电保护课程实验中也取得了不错的教学效果。
参考文献：
[1]王智东，王钢，胡少强.新型继电保护实验平台建设[J].电气电子教学学报，2009，31（4）：78-80.
[2]李香萍.虚拟仪器在实验教学中的应用[J].实验室科学，2009，
（5）：128-129.
[3]荣雅君，刘琳，高广峰，等.虚拟仪器在实验教学中的应用[J].电力系统及其自动化学报，2009，21（1）：78-82.
[4]杨慧.基于虚拟仪器技术的继电保护实验系统开发[D].长沙：中南大学，2010.
[5]赵成勇.基于虚拟仪器的电力系统动态模拟实验数字化改造[J].电气电子教学学报，2008，30（1）：87-90.
[6]王晔.LabVIEW 在电力系统中的应用[D].西安：西安电子科技大学，2006.
[7]陈栋.基于 LabVIEW 平台多路并行动态测试虚拟仪器的研究[D].南京：南京航空航天大学，2005.
[8]应怀樵.卡泰仪器与虚拟仪器技术的现状与发展趋势[J].国外电子测量技术，2000，（2）：2-4.
[9]廖晓晖.电力系统继电保护可视化开发平台的研究[D].上海：上海交通大学，2008.
[10]南树功，邵文权，王妍薇，等.基于虚拟仪器技术的继电保护功能分析系统[J].陕西电力，2013，41（9）：50-54.
（责任编辑：韩晓英）
关键词：虚拟仪器技术；LabVIEW；数字模拟平台；继电保护实验
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）35-0150-02
电力系统继电保护作为电气工程专业学生必修的专业基础课程，其实验课程对帮助学生理解继电器的继电特性和工作原理具有非常好的指导作用。虽然学校实验室配有专业的继电保护实验装置和相应继电器挂箱搭建起来的实验平台，但由于现有实验设备的局限性，实际教学实验中只能进行近似的模拟仿真，而且所搭建的平台往往结构简单，功能单一，仅可满足一些演示性和验证性实验的要求[1]。另外，由于经费等方面的限制，实验设备不可能经常的更新换代，使得实验教学往往落后于现代技术发展的前沿。
虚拟仪器作为当前计算机技术与测试仪器技术相结合的产物，是一种全新的测量技术和手段，它利用计算机强大的图形环境和运算功能，基于“软件即是仪器”的思想，以软件实现的方式模拟传统仪器面板，代替传统仪器完成对仪器的控制、数据分析和显示功能[2-4]。虚拟仪器的“虚拟”主要有两方面的含义：一是虚拟仪器的面板是虚拟的；二是虚拟仪器的测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。
目前应用最广泛的虚拟仪器开发平台软件主要有NI（National Instruments）公司的LabVIEW和Lab Windows/CVI等。这类软件通过数据采集卡、GPIB卡等硬件模块来实现虚拟仪器环境与现实设备的信息交换，并提供了多种用于处理采样数据的控件，以完成特定仪器功能的模拟[5-6]。虚拟仪器提供的工具几乎能满足所有模拟仿真的需要，而且任何一个用户都可以方便灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作，并可以根据不同的测试要求通过窗口来切换不同的虚拟仪器[7]。
经过多年的发展，虚拟仪器技术具有丰富的内涵，目前已有GPIB（General Purpose Interface Bus），DAQ（Data Acquisition），VXI（VME Extension for Instrument）和PXI（PCI Extension for Instrument）四种标准体系结构，已广泛应用于电子测量、振动分析、故障诊断等诸多方面[8]。近年来，虚拟仪器技术逐步应用于电力系统测量、电力系统监控以及电力系统的仿真和教学中。
一、主要功能及原理介绍
电力系统由发电机、变压器、电力线路及各种用电设备组成。各电气元件及系统整体一般处于正常运行状态，但也可能出现故障或异常运行状态。为防止事故发生，电力系统继电保护就是用来反映电气设备发生的故障和异常运行情况，动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的保护装置。双端电源网络是典型的电力系统输电线路结构形式，在其间发生的相间故障以及所采取的保护功能是继电保护课程理论学习和理解的基础。但实验室现有EPL-Ⅱ型继电保护实验装置只能开展常规的继电器动作特性实验和单端电源结构下的继电保护实验，无法模拟实际输电系统中双端电源、环网电源供电等复杂的电力网络拓扑结构，无法帮助学生正确理解基于方向闭锁元件的三段式电流保护配置思想在双端电源输电线路上的应用，是实验环节中的一大不足。
将虚拟仪器技术与电气工程类专业的继电保护实验相结合，同时考虑到现有模拟实验平台的局限性，开发了基于图形化编程软件LabVIEW的继电保护虚拟实验平台。该平台实现了电力系统故障特征的虚拟仿真和继电保护动作过程的可视化，在此基础上可以进一步开发和配置各种类型的继电保护功能，具有很大的开发空间，同时也能很好的克服硬件（继电器、线路结构、测量仪表等）的制约，为鼓励学生自主设计实验方案搭建了良好的开放式平台[9-10]。
1.构成及原理
继电保护虚拟实验平台的实现由两部分来完成：
（1）基于EPL-Ⅱ型装置的双端电源输电线路继电保护实验的改进设计。对实验室现有实验装置的单端电源辐射式线路结构进行改进，构建了双端电源输电线结构，设计了功率方向继电保护实验的改进方案，克服了实验设备本身的缺陷和原实验方法的不足，实现了功率方向保护“区内故障动作、区外故障闭锁”的基本要求，实验步骤清晰、操作过程简单、实验现象直观，取得良好的效果。
（2）基于LabVIEW和EPL-Ⅱ型继电保护装置的虚拟实验平台的开发。利用LabVIEW软件模拟实现了典型继电器（电流继电器、电压继电器、相间功率方向继电器、零序功率方向继电器、各种特性的阻抗继电器、比率制动特性的差动继电器和重合闸继电器等）的基本功能，并通过PCI总线和数据采集卡实现了LabVIEW和继电保护设备之间的通信，实现对线路的状态监测、故障判别并发出动作指令，进而控制断路器动作实现继电保护的功能。
EPL-II型实验装置和经改造后的实验平台原理接线图分别如图1和图2所示。
与系统硬件实验平台对应，在上位机中采用虚拟仪器软件LabVIEW模拟出如图2所示的双端电源输电线路模型。
软件设计中采用模块化的设计方法，每个功能模块实现相应的功能，最后通过整合调用，实现系统整体设计。采用模块结构的最大优点是效率高，数据容易共享。由于模块之间可以相互调用，因此可以非常灵活地组织模块完成各种功能，达到较高的整体效率。如果需要对模块中某一功能升级，只需改写相应的模块，而不需要改动整个软件结构，当需要增加系统功能时也只需要增加相应的软件功能模块即可。图3为功率继电器模块，该模块具有操作简便、显示直观的特点，易于学生理解继电器的动作特性和输电线路保护的基本原理。 2.具体实现过程
上位机中的虚拟仪器平台根据信号采集挂箱采集到的信息分析得出硬件实验台中电力系统故障在输电线路中发生的位置，在虚拟仪器双端电源输电线路模型的相应位置模拟相同类型故障，这样就实现了双端电源输电线路在硬件实验装置和虚拟仪器软件平台中的对应，所不同的是在虚拟仪器平台中保护的配置和整定可根据输电线路模型和预先设置的线路电阻、电抗等参数分析计算完成。
此外，还可以通过加装PLC控制箱的方式将虚拟仪器平台的继电器模块执行结果反馈到硬件实验装置中，控制相应的继电器是否动作，实现继电保护信息从硬件实验装置到上位机的虚拟仪器平台再反馈回硬件的完整的循环。系统的结构大致如图4所示。
二、实验平台在实际实验中的应用
多功能继电保护虚拟实验平台搭建完成后，便可用于实现信号的采集与信号分析，并在此系统的基础上对单端电源输电线路三段式电流保护、双端电源输电线路方向性电流保护和距离保护以及变压器保护等进行仿真实验。实验结果表明该平台具有以下功能：可实现多通道数据的采集，数字滤波，信号分析和计算，以及数据的存储和对历史数据的复现，线路的零序保护、距离保护以及差动保护能够迅速、可靠动作。图5所示为虚拟仪器实验平台中单端电源输电线路的三段式电流保护配合。
三、结束语
将虚拟仪器技术引入到高校实验室的升级改造中，采用图形化编程语言LabVIEW并充分利用学校实验室原有的实验装置，开发了可用于电力系统继电保护综合实验的数字模拟平台。该平台不仅能较好解决经费投入难以完全保障、电力系统实验设备昂贵等问题，还可以使学生获得尽可能全面具体的实验教育，而且很好的将学生学过的现代测试理论、信息电子科学、计算机开发及网络应用技术等相关知识系统结合起来，充实了实验内容，对学生综合利用所学知识的能力培养大有好处，同时在继电保护课程实验中也取得了不错的教学效果。
参考文献：
[1]王智东，王钢，胡少强.新型继电保护实验平台建设[J].电气电子教学学报，2009，31（4）：78-80.
[2]李香萍.虚拟仪器在实验教学中的应用[J].实验室科学，2009，
（5）：128-129.
[3]荣雅君，刘琳，高广峰，等.虚拟仪器在实验教学中的应用[J].电力系统及其自动化学报，2009，21（1）：78-82.
[4]杨慧.基于虚拟仪器技术的继电保护实验系统开发[D].长沙：中南大学，2010.
[5]赵成勇.基于虚拟仪器的电力系统动态模拟实验数字化改造[J].电气电子教学学报，2008，30（1）：87-90.
[6]王晔.LabVIEW 在电力系统中的应用[D].西安：西安电子科技大学，2006.
[7]陈栋.基于 LabVIEW 平台多路并行动态测试虚拟仪器的研究[D].南京：南京航空航天大学，2005.
[8]应怀樵.卡泰仪器与虚拟仪器技术的现状与发展趋势[J].国外电子测量技术，2000，（2）：2-4.
[9]廖晓晖.电力系统继电保护可视化开发平台的研究[D].上海：上海交通大学，2008.
[10]南树功，邵文权，王妍薇，等.基于虚拟仪器技术的继电保护功能分析系统[J].陕西电力，2013，41（9）：50-54.
（责任编辑：韩晓英）