摘要继电保护仿真是学习与研究继电保护原理的有效手段之一。本文通过参阅相关文献，对计算机仿真技术在继电保护仿真实验系统的应用情况及实现方法做出简单说明，并进行了概括分析。
关键词继电保护 数字仿真 MATLAB LabVIEW Visual C++
文章编号1008-5807（2011）02-105-02
一、引言
电力系统数字仿真作为一种研究、试验和培训手段具有极好的经济性和实用性，可广泛应用于系统初始阶段的设计与试验，新技术、新原理的研究，系统运行过程中动态特性的分析与研究，以及系统的辅助决策控制与管理，还可以用于对系统运行人员的教学培训等。目前很多高校的电力系统及其自动化、电气及相关专业均开设继电保护课程或学习相关知识，除了少数高校外，大部分学校因各种原因缺乏较为完善的继电保护实验设施，致使学生在学习继电保护相关知识存在理解困难、理论联系不上实际等问题。
因此，本文研究采用数字仿真方法的实验系统，对于利用电力系统数字仿真输出的结果对系统进行动态特性分析、继电保护算法研究、以及继电保护新原理的动作特性分析等具有重要意义。
二、继电保护仿真实验系统要求
继电保护仿真实验系统的要求有：
1、真实性：根据真实系统的设置，可适当进行简化，建立仿真系统的保护模型，在故障时能够正确的模拟保护装置的动作行为；
2、灵活性：可以设置各种故障，校验不同原理保护动作的正确性；能方便修改设定参数、保护算法，动作逻辑和整定值等；当改变元件状态或保护动作时，能及时给出明确的提示。
3、可视性：应能显示保护的内部动作过程及相关电气量的变化过程，为微机保护的分析和研究提供依据。
4、可控性：仿真过程应是可控的，可单步执行或连续执行，加强对保护程序的调试，方便研究人员对保护内部过程的了解。这点对研究新原理和新方法非常重要。
5、扩展性：应能方便对系统进行扩展，易于增加新的保护原理、保护类型，以适应多种微机保护装置，及不断涌现地新原理和新方法。
三、继电保护实验系统开发平台选择
（一）电力系统暂态仿真子系统开发平台
电力系统动态仿真的一个重要组成部分就是对系统进行故障模拟。基于继电保护仿真实验系统的要求，故障仿真子系统能够模拟电力系统发生的各种故障和非正常状态时的暂态过程，特别是严重畸变的故障电流和电压波形，其波形数据送入到继电保护动态性能仿真子系统以检验继电保护装置的特性和动作行为。 有以下三种方法产生故障信号：
1、利用数学函数产生故障波形
该方法按照一定的数学模型生成电流、电压波形数据，然后将数据送入到保护程序中，通过一些控件或按钮来分析和处理波形。由于是同一系统生成的数字化数据，可以满足输出同步，但这种方法只能实现比较简单的故障数据发生。
2、利用现场录波数据对故障波形回放
这种方法以实际现场的故障波形或动模试验装置产生的试验数据为主，通过将故障录波仪记录的数据文件按照COMTRADE格式生成的数据文件，利用故障再现(回放)来实现对继电保护进行测试。这种方法可以保证故障波形的真实性，便于正确分析继电保护的动作行为。但是，该方法由于不能人为设定和选择实际系统故障，而搭建合适的物理动模试验装置也较为昂贵，改变系统结构相对不容易，来源于实际系统或动模试验装置的故障录波仪所存的故障波形并不能完全满足各类故障的保护行为分析和校验要求。
3、利用电力系统暂态仿真软件产生故障波形
由于缺乏足够的现场实测数据，在设计和验证继电保护原理时可采用专业的电力系统暂态仿真软件生成系统故障数据。虽然故障暂态仿真提供的数据源并非来自实际系统，但只要仿真模型精确，算法选择得当，完全可以真实地反映实际系统的暂态过程，大量的保护原理的早期研究工作都是利用电磁暂态仿真程序来完成的。MATLAB中可以充分利用其强大的仿真平台以及优秀的作图环境，在Simulink环境下直接搭建电力系统仿真模型。同时可以充分利用MATLAB提供的大量模块及丰富的工具箱资源，很方便地搭建不同的系统结构。由于MATLAB是将计算过程建立在最基本的电路原理和微分方程的求解的基础之上，能够同步计算机电过程和电磁过程，从而可以观察到仿真结果很细微的变化。
（二）继电保护动态性能仿真子系统开发平台
电力系统计算过程通常比较复杂，如果有一种软件能简化计算过程，而且还能模拟一些功能各异的实验，让设计者把更多的时间用在理解原理和掌握设计上，而不是花费大量的精力在编写复杂的程序和准备实验上，那将大大提高学习效率。下面介绍两种实用性的软件技术：
１、基于虚拟仪器技术
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)，实验室虚拟仪器工程平台)是NI公司于1986年推出的一种高效的图形化软件开发环境，是面向测量与自动化领域工程师、科学家及技术人员的一种优秀编程平台。LabVIEW特点简要介绍如下：
(1) 图形化的仪器编程环境：采用了丰富的图形控件和图形化编程语言，通过“所见即所得”的可视化技术方便快捷的建立针对不同领域和行业各具特点的人机界面。
(2) 支持各种数据采集与仪器通信应用：能够很好的兼容各种插卡式和分布式数据采集产品。
(3) 丰富的功能函数库：内建了600多个分析函数，用户可直接调用来进行数据分析和信号处理。
(4) 网络功能：LabVIEW能够与Internet用户交换信息，共享资源。
(5) 灵活的程序调试手段：用户可以在程序中设置断点或探针，单步执行程序等多种方式对源代码程序进行调试。
(6) 内置高效的程序编译器：可以轻松地发布EXE、动态链接库或安装包。
(7) 支持多种系统平台：LabVIEW支持Windows、Linux、SunSPARC、Agilent-UX等多种操作系统。
因此，利用LabVIEW搭建继电保护实验平台来辅助学习，能够使理论学习与实践更好地紧密结合。通过对前面板进行设计，可以实现优秀的人机操作界面，甚至完全展现实际保护装置操作界面，学习将更生动、更形象，达到事半功倍的效果。此外图形化的编程环境极大缩短开发实验平台的时间，而且它提供多种接口非常方便功能扩展。
2、基于Visual C++平台
Visual C++是Microsoft公司推出的功能最强大、最复杂的语言产品之一，它是目前为止在Windows环境下进行大型软件开发的首选编程语言。
Visual C++6.0具有如下优点：
(1) 拥有强大的编辑环境和调试环境。高效的编译器，产生的可执行文件体积小巧、运行速度快，且底层控制能力强，有良好的图形处理功能。
(2) 集成了MFC(Microsoft Foundation Class)类库，使程序员可以使用MFC高效率地开发出各种应用程序MFC类库将所有图形用户界面的元素，如窗口、按钮、菜单等，都以类的形式进行封装，并且提供映射机制将Windows对这些图形界面元素所发出的消息映射到类的虚拟成员函数。
(3) C++在C语言的基础上，融入面向对象编程OOP(Object Oriented Programming)的思想。相对于结构化程序设计思想而言，代码具有很好的可重用性及可移植性。由于面向对象编程的可重用性，可以在应用程序中大量采用成熟的类库，从而大大缩短开发时间。
四、系统总体方案设计
根据以上分析，设计的继电保护实验系统总体结构图1所示。
五、结论
利用电力系统暂态仿真软件实现系统故障模拟，可灵活改变系统结构和参数，根据需要得到各种故障数据，能够形象生动的观察到保护动态过程，且实验系统开发周期短、界面友好、操作方便。系统功能齐全，具有很好的实用性。仿真系统涉及的测试方法、测试对象、保护算法等尽量与实际相一致，软件采用面向对象的模块化设计方法，开发实现丰富的教学实验内容。
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