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1、国内图书分类号：TM773国际图书分类号.：621.3工学硕士学位论文基于 LabVIEW 的电力系统继电保护设计硕 士 研 究 生： 刘 琳导 师： 荣雅君 教授申 请 学 位 级 别： 工学硕士学 科 、 专 业： 电力系统及其自动化所 在 单 位： 电气工程学院授 予 学 位 单 位： 燕山大学Classified Index: TM773U.D.C.: 621.3Dissertation for the Master Degree in EngineeringDESIGN OF RELAY PROTECTION INPOWER SYSTEM BASED ONLABVIEWCandida
2、te:Supervisor:Academic Degree Applied for:Specialty:University:Liu LinProf. Rong YajunMaster of EngineeringPower System and AutomationYanShan University燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于 LabVIEW 的电力系统继电保护设计，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集
3、体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：年月日燕山大学硕士学位论文使用授权书基于 LabVIEW 的电力系统继电保护设计系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。保密，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。（请在以上相应方框内打“”
4、 ）作者签名：导师签名：日期：日期：年年月月日日摘摘要要继电保护对电力系统的安全稳定运行起着至关重要的作用。电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的突飞猛进又不断地促进了继电保护技术的发展。继电保护技术未来将向着计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化的趋势发展。虚拟仪器(Virtual Instrument，简称 VI)是仪器技术与计算机技术深层次的结合。它是运用应用程序将计算机与功能化模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，利用计算机来管理仪器、组织仪器系统，最终达到取代传统电子仪器的目的。虚拟仪器实际上是软硬件
5、结合、虚实结合的产物，它充分利用最新的计算机技术实现并扩展了传统仪器的功能。本文将虚拟仪器技术应用于电力系统继电保护中，以计算机和阿尔泰USB2002 数据采集卡为主要硬件，以图形化编程软件 LabVIEW 为开发平台，构建了一个用于实现信号的采集与信号分析的多功能虚拟继电保护系统，并在此系统的基础上对零序保护、距离保护和纵联差动保护进行了仿真实验。实验结果表明该系统具有以下功能：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。此外，该系统在减低设备成本的同时，还具有人机界面友好，维护方便和功能扩充容易
6、的优点。该系统在电力系统试验中充分体现了方便、快捷、实用等优势。关键词电力系统；继电保护；虚拟仪器；LabVIEW；数据采集卡I燕山大学工学硕士学位论文AbstractThe relay protection plays an important role in the power system security.The rapid development of power system has new request to the relay protection,and the rapidly progress of the electronic technology, computer
7、technology andcommunication promotes the development of relay protection unceasingly. Therelay protection technology will tend to computerized, networked andintellectualized, and will integrate protect, control, measurement with datacommunication.The virtual instrument is the deeply combination of t
8、he instrumenttechnology and the computer technology. It combines computer with thefunctional module hardware using application program. User can not onlymanipulate the computer through friendly graphical interface, but also manageinstrument control and organization instrument system. It can finally
9、achieve thegoal of substitution tradition electronic instrument. In fact, the virtual instrumentis the union of software and hardware, and the union of virtual and actual. Itfully uses the newest computer technology to complete and expand the functionof traditional instrument.This paper applies the
10、virtual instrument to the relay protection. It sets up asystem of virtual relay protection with the function of data acquisition and signalanalysis, based on computer and Art USB2002 data acquisition card andsoftware of LabVIEW. A simulation experiment of zero-sequence protection,distance protection
11、 and pilot differential protection based on virtual instrumentis done. The experiment results show that the system includes the multi-channelssignal acquisition, digital filter, signal processing and calculation, as well assignal memory and recall. The line zero-sequence protection, distance protect
12、ionand differential protection can operate rapidly and reliability.Reducing the cost of the equipment, the system can also provide a friendlyIIAbstracthuman-machine interface. In addition, it is convenient for the systemmaintenance and function expansion. It is also convenient to the systemmaintenan
13、ce and function expansion. The system has got a good verification andshows the superior performances in the of the power system.Keywords Power system; Relay protection; Virtual instruments; LabVIEW;Data acquisition cardIII燕山大学工学硕士学位论文IV目目录录摘要 Abstract 第 1 章 绪论 11.1 继电保护概述 11.2 虚拟仪器概述 21.2.1 虚拟仪器概念 2
14、1.2.2 国内外发展现状 31.2.3 虚拟仪器技术的意义 41.3 本课题的研究意义 51.4 本文的研究内容 6第 2 章 数字滤波器及计算机算法 72.1 数字滤波器 72.1.1 数字滤波器概述 72.1.2 数字滤波器分类 82.1.3 数字滤波器的传统设计方法 102.2 正弦函数算法 112.2.1 采样值积算法 122.2.2 导数算法 142.3 傅氏算法 162.4 保护功能算法 172.4.1 移相算法 172.4.2 序分量算法 172.4.3 继电器算法 182.4.4 相电流突变量算法 202.5 各种算法的比较 212.6 本章小结 22第 3 章 系统硬件 2
15、33.1 采集卡的概述 233.1.1 USB 接口的优点 233.1.2 采集卡的性能和技术指标 243.1.3 采集卡的主要组成 253.2 采集卡的工作原理 25V燕山大学工学硕士学位论文3.2.1 A/D 工作模式 263.2.2 A/D 转换启动控制 263.2.3 板上转换定时器 273.2.4 FIFO 数据和状态 273.3 采集卡的驱动程序安装 283.3.1 安装步骤 283.3.2 安装结果确认 293.4 采集卡与 LabVIEW 驱动程序接口 293.4.1 内置式驱动程序 303.4.2 外挂式驱动程序 313.5 本章小结 32第 4 章 系统的软件 334.1
16、LabVIEW 简介 334.1.1 LabVIEW 的概念 334.1.2 LabVIEW 软件的特点 344.1.3 LabVIEW 的组成部分 354.1.4 基于 LabVIEW 的虚拟仪器设计方法 374.2 继电保护系统软件的编程 384.2.1 相电流突变量元件 384.2.2 功率方向继电器 404.2.3 阻抗继电器 424.2.4 故障类型的判断 464.3 本章小结 48第 5 章 基于 LabVIEW 的继电保护设计 495.1 系统网络结构 495.2 数据采集及滤波的设计 495.3 纵联差动保护的设计 525.4 零序保护与距离保护的设计 555.5 实验步骤 5
17、85.6 本章小结 58结论 60参考文献 62攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果 66致谢 67作者简介 68VI第 1 章 绪论第 1 章绪论1.1继电保护概述电力系统由发电机、变压器、母线、输配电线路及用电设备组成。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，如短路、断线、过负荷等状态。故障和异常运行情况若不及时处理或处理不当，就可能在电力系统中引起事故，造成人员伤亡和设备损坏，使用户停电、电能质量下降到不能容许的程度。为防止事故发生，电力系统继电保护就是装设在每一个电气设备上，用来反映它们发生的故障和异常运行情况，从而动作于断路器跳闸或发出信号的一种
18、有效的反事故装置。继电保护的主要任务是自动地、有选择地、快速地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭受损害；当被保护元件出现异常运行状态时，保护装置一般经一定延时动作于发出信号，根据人身和设备的要求，必要时动作于跳闸1。继电保护技术是随着电力系统的发展而发展起来的。20世纪初，继电器开始广泛应用于电力系统的保护中，这个时期可认为是继电保护技术发展的开端。从20世纪50年代到90年代末，在40余年的时间里，继电保护技术经历了四个发展阶段：从电磁式保护装置到晶体管式继电保护装置，到集成电路继电保护装置，再到微机继电保护装置。与此同时，构成继电保护装置的元件、材料等也发生了巨大的变革，并且
19、理论上也得到较大的发展。20世纪50年代，我国在引进并消化了国外先进的电磁式继电器制造技术的基础上，完成了我国的电磁型继电保护装置的设计和制造，其主要是由各个电磁型继电器组成，这阶段在保护的理论上也有了较大的发展，建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。自20世纪50年代末，我国已经进行了晶体管继电保护的研究工作，到20世纪70年代，晶体管保护进入了一个广泛运用的时间，特别是对110 kV以上线路的线路保1燕山大学工学硕士学位论文护上的运用。从20世纪70年代中期，基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究，到20世纪80年代末集成电路保护已形成完整系列，逐渐取代晶体管保护，到2
20、0世纪90年代中期，集成电路保护在220 kV以上线路上已全面使用。从三个阶段来看，由于我国电力工业发展(特别是在20世纪90年代初期)较慢的问题，造成了三个阶段的继电保护装置并列使用的局面，由于继电保护专业人员素质差距较大，造成保护装置的不正确动作也较多。从80年代初期，部分电力研究院及高校开始着眼微机保护，并在20世纪80年代末至20世纪90年代中期，微机保护进入一个快速发展的阶段，在电力系统的各个方面及各种电压等级上均有较大的发展，如线路保护、发电机保护、变压器保护、励磁调节系统等。至此，各种不同原理、性能优良、功能齐全、可靠性高的微机保护装置已全面运用在电力系统中，可以这样说从20世纪
21、90年代后期起，我国电力系统的继电保护已进入了微机保护时代2。我国电力系统继电保护技术经历了电磁型保护、晶体管保护、集成电路保护、微机保护四个阶段。随着电力系统的高速发展和计算机技术、通信技术的进步，继电保护技术向着计算机化、网络化、智能化、保护、控制、测量和数据通信一体化的方向发展，各类新技术的使用将使继电保护技术的发展有着更广阔的前景。1.2虚拟仪器概述1.2.1 虚拟仪器概念虚拟仪器(Virtual Instruments, VI)是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其它技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同孕育出的一项新成果3。它的出现彻底改观了传统检测设备
22、更改麻烦、升级困难的问题，也破除了传统仪器的功能由厂家定义、用户无法改变的模式。虚拟仪器技术给仪器设计者和仪器用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间，用户可以随心所欲地根据自己的需求，设计出自己的系统，以满足多种多样的应用需要。虚拟仪器的强大功能和灵活特性，2第 1 章 绪论使得它在仪器测量领域的应用前景十分广阔。由于它以软件为核心，主要依靠软件来实现仪器系统的功能，因此虚拟仪器系统的体积小，生产成本低，开发与生产周期短，智能化功能强，产品的技术性能好，利润率高。在当今仪器仪表界， 软件就是仪器”、 软件就是系统”的观念已经被人们普遍接受4。所谓虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机，它由通
23、用计算机、模块化功能硬件和控制专用软件组成。在虚拟仪器系统中，运用计算机灵活强大的软件代替传统的某些部件，用人的智力资源代替物资资源。其本质是利用计算机强大的运算功能、图形环境和在线帮助功能，建立具有良好人机交互功能的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示，通过一组软件和硬件，实现完全由用户定义，适合不同应用环境和对象的各种功能5。它是一种既有普通仪器的基本功能，又有普通仪器没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。在虚拟仪器中，硬件是软件赖以运行的物理环境，它仅仅是为了解决信号的输入和输出，软件才是仪器的核心，用户只要通过调整或修改仪器的软件，便可方便地改变或增减仪器系统的功能和规模，甚至
24、仪器的性质。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流。它是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。经过十几年的发展，虚拟仪器技术的内涵不断丰富，同时外延也不断扩展。目前，它己具有 GPIB(General Purpose InterfaceBus) ， DAQ(Data Acquisition) ， VXI(VME Extension for Instrument) 和PXI(PCI Extension for Instrument)四种标准体系结构6。虚拟仪器技术已应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航空航天、军事工程、
25、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教育及科研等诸多领域。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。1.2.2 国内外发展现状虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，3“ “燕山大学工学硕士学位论文它们被称为 21 世纪科学技术中的三大核心技术7。20 世纪 80 年代美国国家仪器公司(National Instruments Company, NI)首先提出了虚拟仪器的概念。美国是虚拟仪器的诞生国，也是全球最大的虚拟仪器研究、制造地，其生产虚拟仪器的主要厂家有 NI 公司、HP 公司和 Tek 公司等8。
26、自 20 世纪 80 年代以来，NI 公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器，特别是它推出的 LabVIEW 图形编程环境已享誉世界，成为这类新型仪器开发系统的世界生产大户。在 NI 公司之后，美国惠普(HP)公司紧紧跟上。该公司推出 HPVEE 编程系统可以提供数十至数百种虚拟仪器的组件单元和整机，用户可以用它组建或挑选自己所需的仪器9。除此之外，世界上陆续有数百家公司，如 Tektronix 公司，Racal 公司等也相继推出了总线系统多达数百个品种的虚拟式仪器。作为仪器领域中新兴的技术，虚拟式仪器的研究、开发在国内已经过了起步阶段。从 90 年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、西安电子科技大学、成都电子科技大学等院校和中科泛华电子科技等公司都致力于研究和开发虚拟仪器产品。它们在引进和消化 NI公司、HP 公司的产品等方面做了一系列有益工作，并在研究和开发虚拟式仪器产品及设计平台上取得了一批瞩目的成果10。虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构；改变了人们的仪器观。据世界仪表与自动化杂志报道，21 世纪初叶，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达到数千种，市场占有率将达到电测仪器的 50%。这一预测对整个仪器仪表领域，不啻是一次强烈的震撼，使从事电测仪器科学技术研究与开发的科学家和工程师们都看清了
