圖形可編程繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

程 剛， 焦尚彬， 李生民， 孫旭霞， 劉 涵

(西安理工大學(xué) a. 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院; b. 信息與控制工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 西安 710048 )

圖形可編程繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

程 剛a,b， 焦尚彬a,b， 李生民a， 孫旭霞a， 劉 涵a,b

(西安理工大學(xué) a. 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院; b. 信息與控制工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 西安 710048 )

基于工業(yè)級保護(hù)控制器M7D，設(shè)計(jì)了一套基于圖形可編程繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用PLPShell軟件內(nèi)部的30余種保護(hù)元件和圖形可編程功能，學(xué)生根據(jù)所學(xué)繼電保護(hù)原理可自行編寫邏輯程序，下載至保護(hù)控制器中運(yùn)行，并驗(yàn)證保護(hù)邏輯的正確性。該平臺(tái)可以克服傳統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)學(xué)生不能編寫邏輯程序的缺點(diǎn)，可以更加直觀地理解保護(hù)原理，并提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，符合工程教育人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求。

繼電保護(hù)； 圖形可編程； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引 言

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)是一門與實(shí)踐相結(jié)合，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性、綜合性的專業(yè)課程，相對比較抽象和難學(xué)。因此，在繼電保護(hù)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)顯得尤為重要。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以更好地理解理論教學(xué)內(nèi)容，掌握必要的工程技術(shù)、測試方法、先進(jìn)設(shè)備和基本研究方法，同時(shí)還可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力[1-2]。

隨著繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)保護(hù)裝置構(gòu)成的保護(hù)電路已廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)，而目前多數(shù)高校繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仍是以電磁型、整流型、晶體管為主的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，與實(shí)際工程應(yīng)用相脫節(jié)。另外，由于實(shí)驗(yàn)裝置的限制，實(shí)驗(yàn)方式非常簡單，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，觀察繼電器的分合，很難深入理解繼電保護(hù)內(nèi)部邏輯功能[11]，綜合性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較少，使得學(xué)生缺乏實(shí)際操作能力，不利于學(xué)生實(shí)踐性和創(chuàng)新性的培養(yǎng)，急需改進(jìn)和完善[3-11]。結(jié)合我系國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)情況，本文介紹了自主設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用工業(yè)級M7D繼電保護(hù)裝置，并配套可圖形編程的PLPShell軟件，使學(xué)生可自行在軟件上編寫保護(hù)邏輯圖形、設(shè)置定制、保護(hù)時(shí)間等。以三相限時(shí)電流速斷保護(hù)為例，介紹了軟件應(yīng)用，大大提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，加深對理論知識(shí)的理解，與培養(yǎng)工程教育人才的目標(biāo)相契合。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

針對上述繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)存在的問題，我實(shí)驗(yàn)中心開發(fā)設(shè)計(jì)了集保護(hù)、通信、監(jiān)控與一體的圖形可編程繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)采用了工業(yè)級保護(hù)控制器M7D，并配套可圖形編程的PLPShell軟件，學(xué)生可以根據(jù)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，在軟件中編寫邏輯程序，并下載至保護(hù)裝置M7D中運(yùn)行程序，同時(shí)構(gòu)建上位監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測到保護(hù)裝置采集的電氣量，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與監(jiān)控功能，形成一個(gè)閉環(huán)，讓學(xué)生對繼電保護(hù)系統(tǒng)有更加直觀的認(rèn)知，大大提高了實(shí)踐操作能力，同時(shí)加深對理論知識(shí)的理解[12-13]，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

該平臺(tái)的創(chuàng)新性在于具有獨(dú)特的重復(fù)可圖形編程功能，一般工業(yè)級微機(jī)保護(hù)程序已經(jīng)固化，不允許客戶隨意更改，買來使用即可，所以成本也較高[14]，鑒于此，該平臺(tái)不僅融合了工業(yè)級的產(chǎn)品，同時(shí)又提供可編程邏輯平臺(tái)，靈活方便，可以按照需求自己編寫程序，例如做線路保護(hù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可編寫電流保護(hù)、 電壓保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、距離保護(hù)、零序保護(hù)、方向保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)等邏輯保護(hù)圖形[15]，進(jìn)行驗(yàn)證，非常方便，不僅降低了成本，而且很大程度提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由M7D硬件、PLPShell軟件、操作臺(tái)，以及工作站組成。寫的順序?yàn)閺男〉酱螅篗7D硬件、軟件(只介紹功能)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和工作站。

1.1 M7D硬件

M7D硬件保護(hù)裝置是以功能強(qiáng)大的DSP為核心，配備豐富的外圍接口電路，其工作主頻150 MB，工作溫度-40～125 ℃，極其適合工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 M7D原理框圖

M7D提供的接口資源包括：8路交流電流、4路交流電壓輸入通道；3路4～20 mA/1～5 V 直流量輸入通道；1路4～20 mA 直流量輸出通道；16路開關(guān)量輸入通道(交直流兩用)、10路開關(guān)量輸出通道；通信接口有1個(gè)RS-485，1對光纖，1個(gè)RS-232維護(hù)口，2個(gè)以太網(wǎng)口。

1.2 PLPShell軟件

本軟件是專為M7D保護(hù)裝置設(shè)計(jì)的配置、調(diào)試用軟件，具有畫面編輯、輸出配置、邏輯編程、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)調(diào)試、故障錄波等功能，如圖2所示。

圖2 PLPShell軟件界面圖

另外含有30余種保護(hù)元件、方向元件、時(shí)間元件及邏輯元件等，還提供106個(gè)中間變量或輸入、輸出資源，其特色在于學(xué)生可以在Windows環(huán)境下形象直觀地對這些資源進(jìn)行圖形化編程，操作簡單，應(yīng)用靈活，適應(yīng)性極強(qiáng)。

1.3 操作臺(tái)

如圖3所示，操作臺(tái)面板上畫有發(fā)電機(jī)組，升壓變，輸電線路、三圈變和無窮大系統(tǒng)示意圖，模擬了一個(gè)小型電力系統(tǒng)，便于學(xué)生對電力系統(tǒng)有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)，同時(shí)設(shè)有斷路器分/合指示燈，顯示保護(hù)的狀態(tài)，在面板右側(cè)嵌入M7D保護(hù)裝置，方便學(xué)生操作。

1.4 工作站

工作站和保護(hù)裝置通過RS-485通信，可以顯示遙測、遙信量，監(jiān)控設(shè)備的工作狀態(tài)，運(yùn)行參數(shù)，定值設(shè)置，故障信息等。同時(shí)，學(xué)生可以用組態(tài)王軟件自己練習(xí)組建上位界面，培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力，也極大地豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2 實(shí)例應(yīng)用

在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中，過電流保護(hù)是最基本，也是必不可缺的保護(hù)，下面以三相限時(shí)電流速斷保護(hù)為例，介紹在PLPShell軟件中搭建圖形邏輯的過程：

(1) 搭建A、B、C單相電流邏輯，以A相為例，如圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)面板圖

圖4 A相過流圖形邏輯圖

圖中，KG1為保護(hù)投退，Iah為A相采集電流，通過過流比較元件I>，與定值DZI1相比，大于為1，小于為0，然后和KG1邏輯與，帶出兩個(gè)中間狀態(tài)量87U1和SOE(32)，分別用于三相限時(shí)電流速斷保護(hù)的輸入和事件記錄。

(2) 搭建三相限時(shí)電流速斷保護(hù)邏輯，如圖5所示。

圖5 三相限時(shí)電流速斷保護(hù)圖形邏輯圖

圖中，先對A、B、C三相的過流狀態(tài)量87U1、87U2、87U3進(jìn)行邏輯或，然后和投退字KG1邏輯與，經(jīng)過一個(gè)延時(shí)元件DZT1(延時(shí)時(shí)間可自行設(shè)置)，帶出開出量OUT1(控制繼電器分/合)和事件記錄變量SOE(35)。

(3) 將編輯好的邏輯圖進(jìn)行編譯，系統(tǒng)會(huì)對工程數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)和組織各類型數(shù)據(jù)，確保無誤后下載到保護(hù)設(shè)備即可，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)組織圖

3 結(jié) 語

本文介紹的圖形可編程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有極強(qiáng)的靈活性和創(chuàng)新性，不僅可以保證學(xué)生完成基本的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)，如三段式電流保護(hù)，變壓器差動(dòng)保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)等，也能滿足后續(xù)的課程設(shè)計(jì)，本科畢業(yè)設(shè)計(jì)，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)開發(fā)以及工程實(shí)訓(xùn)等，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性思維，自主開發(fā)、自主設(shè)計(jì)，與工業(yè)實(shí)際相結(jié)合，培養(yǎng)符合企業(yè)要求的復(fù)合型人才。

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DesignofProgrammableRelayProtectionExperimentalPlatformBasedonGraphics

CHENGGanga,b，JIAOShangbina,b，LIShengmina，SUNXuxiaa，LIUHana,b

(a. School of Automation and Information Engineering; b. National Experimental Teaching Demonstration Center of Information and Control Engineering， Xi’an University of Technology，Xi’an 710048, China)

In view of the current status of microcomputer relay protection experiment in electrical engineering, a programmable relay protection experimental platform based on graphics is designed. The platform adopts the industrial protection controller M7D. By using more than 30 kinds of protection elements and graphic programmable functions inside PLPShell software, students can write their own logic programs according to the principle of relay protection, and download them to the protector to run and verify the correctness of the protection logic. The platform can overcome the shortcomings of the traditional microcomputer relay protection that students cannot write logic program, students can more intuitively understand the protection principle, and improve their practical ability. It meets with the engineering education personnel training objectives and requirements.

relay protection; graphics programmable; experimental teaching

TM 77

A

1006-7167(2017)11-0159-03

2017-02-10

陜西省高等教育教改項(xiàng)目(17GBG012)

程 剛(1988-)，男，陜西韓城人，碩士，助理工程師，研究方向：電網(wǎng)繼電保護(hù)，智能控制。

Tel.：13299137902; E-mail：chenggang@xaut.edu.cn