一种用于实验教学的线路保护实验平台设计

继电保护课程是电气工程及其自动化专业的一门专业课，该课程理论内容比较抽象，且与工业现场结合紧密，学生在学习的过程中必须通过实验手段加深理解。目前现有的继电保护实验装置有的是采用电磁型继电器构成，[1]有的是采用工业微机保护装置配合信号发生器构成。[2]采用电磁型继电器构成的继电保护直观，易理解；工业上使用的微机保护装置主要依靠软件来实现保护的整定和动作，使得其动作行为不透明，造成学生难以充分理解微机保护动作原理，增加了学习微机继电保护课程的难度。[3]

许多学者提出了利用Matlab、DSP或可编程器件构成微机保护实验装置。[3]基于模型设计的方法在电机控制、嵌入式开发、汽车电子等领域己获得广泛应用。它利用Matlab作为平台，能够实现Simulink算法模型到C代码的自动转化。[4]

基于上述分析，本文设计了一种电力系统微机线路保护实验平台，该平台采用Simulink软件撘建线路仿真模型并采用S函数编程实现保护算法，然后转换为DSP的工程文件，下载到DSP硬件平台，和模拟线路装置配合进行实际测试，通过此平台，使学生了解微机继电保护装置的组成、软件算法、运行时的数据变化以及动作的实现过程，培养了学生动手能力及解决问题的能力。

1 实验平台设计与结构

实验平台主要由三部分构成：计算机、DSP控制板、模拟线路装置。如图1 所示。图1 中，计算机上装有Matlab软件；DSP控制板包括DSP芯片、电压和电流采集调理电路、开关量输出以及输入电路；模拟线路装置由自耦调压器、电抗器和断路器组成，可以人为设置短路故障。计算机通过USB接口和DSP的JTAG仿真器相连，电压和电流互感器用来采集模拟线路的电压、电流信息，开关量输出用以控制模拟线路的断路器的合闸和分闸。DSP用来完成数据采集和处理，选用TI公司的TMS320L芯片，采样频率可自主设定。

学生实验的时候通过 Matlab的GUI 界面，可以进入不同类型的实验项目，链接Simulink仿真环境并打开实验项目的仿真模型，观察模型的构成，通过在相应的子界面中设置和调整仿真参数，进行仿真试验；仿真结束后，打开对应的带有DSP模块的仿真模型，通过Matlab提供的(Real Time Work shop，RTW)自动生成DSP工程文件代码，并启动DSP的调试软件，编译正确后生成DSP 可执行.out文件，下载进DSP芯片中，配合线路模型运行，验证线路保护的原理。仿真平台设有数字式继电器实验、微机保护实验和创新实验三类，每一类又包括不同的实验项目，具体实验设置明细见下表。

实验分类实验名称实验分类实验名称实验分类实验名称数字式继电器实验电流继电器实验电压继电器实验功率方向继电器实验差动继电器实验阻抗继电器实验微机保护实验电流速断保护实验电流电压连锁保护实验三相一次重合闸实验三段式电流保护实验三段式距离保护实验创新实验10kV线路微机保护实验35kV线路微机保护实验110kV线路微机保护实验

2 实验平台实现

2.1 GUI界面的设计

为了方便学生调试和验证，基于Matlab/GUI建立了可视化用户界面，用于在实验过程中控制Simulink仿真，可以改变保护整定值，线路参数，并查看相应仿真结果。GUI界面分为主界面和子界面，主界面在进入实验系统后就能见到，主界面按照表1设计，主要是各种类型的实验项目选择，见图2所示。点击每个实验项目就可以进入相应的子界面，每个子界面内容可分为参数输入、实验原理说明、运行仿真和模型设计4大部分。图3为点击主界面中的电流继电器特性实验后出现的子界面。本文中的GUI界面通过Matlab图形用户界面开发环境GUIDE来实现。

每个选中的实验项目都给出了简要的原理说明，点击“运行仿真”即可打开Simulink构成的模型界面并进行仿真，而点击“退出”按钮，则可以退出子界面，回到主界面。点击“模型设计”则可进入到带有DSP模块的Simulink模型界面。

2.2 模型设计的实现

RTW是用来从Simulink模型生成包括C程序在内的完整CCS工程的工具。Math Works公司将C2000系列DSP 完整集成到Embedded Coder工具箱中，并且DSP 的底层驱动都被模块化封装。使用这些模块，可以在Simulink中实现DSP硬件寄存器的初始化和操作。

生成C代码之前，在Simulink环境下要先建立与目标板DSP相匹配的功能模块模型，图4为根据电流继电器实验仿真模型搭建的能够产生实时代码的控制模型，图4中删除了图3仿真模型中的硬件部分，只保留全波傅氏算法等软件部分，以及AD和作为定时器的PWM模块。

文章来源：《电力系统保护与控制》 网址: http://www.dlxtbhykzzz.cn/qikandaodu/2020/0820/470.html