基于PLC与CAN总线的继电保护教学探索

钱素琴， 付宏宇

(东华大学 信息科学与技术学院, 上海 201620)

基于PLC与CAN总线的继电保护教学探索

钱素琴， 付宏宇

(东华大学 信息科学与技术学院, 上海 201620)

针对传统教学模式存在的弊病，本文提出了基于PLC与CAN总线技术的继电保护教学探索。利用实验室的PLC设备与CAN总线通信技术，实现电力线路的前后级保护，将继电保护的原理分析与实际的微机保护装置结合起来。该学习方式可以让学生们更容易理解继电保护的工作原理，培养学生们的创造性思维。

继电保护；CAN总线技术；PLC；教学探索

0 引言

电力系统在运行过程中，由于社会环境或者人为操作等各种复杂因素的影响，可能出现各种故障和不正常运行状态[1]。安装在各被保护对象上的电力系统继电保护装置，可以准确地判断出被保护对象发生的故障，并且及时使断路器跳闸或发出信号报警。电力系统继电保护装置是电力系统自动化的重要组成部分。为了保障电力系统安全可靠地运行生产,它应满足可靠性、选择性、灵敏性和快速性的要求[2，3]。

1 继电保护课程的教学现状

“电力系统继电保护”课程作为电气工程及其自动化专业的一门核心专业课程，通过该课程的学习，要求学生理解和掌握电力系统中多种继电保护的原理方法，并能进行相应的继电保护设计和整定计算。近年来，继电保护技术的发展十分迅速，但“电力系统继电保护”课程的教学方式仍然停留在传统的教学模式上，即按照教材内容与顺序通过理论教学来讲述继电保护的各种原理与方法[4]。这种教学方式的弊端就是学生们只学到理论知识，对实际的继电保护环节缺乏直观感受。学生即便通过现有的供电实验室装置可以了解一些常用继电器的工作原理，但是仍缺乏继电装置在实际的电力系统中具体应用的了解，导致教学内容与实际应用相脱节。因此，如何仿照实际电力系统继电保护工作场景，在实验室中建立一个模拟的环境，让学生通过该模拟平台直观地了解继电保护的实际应用，这是一个迫切需要解决的问题。

考虑到继电保护的类型多样，本文以输配电线路的多段继电保护内容为例，建立一个继电保护的模拟平台并利用现有的PLC和供电实验室设备，结合CAN总线通信网络技术，搭建了一个电力线路过电流保护的继电保护系统。该系统利用了现有实验装置进行二次开发，通过WinCC组件在上位机上开发了人机交互界面，可以模拟显示某个大型供配电系统对象，对其输配电线路的继电保护环节进行工作模拟和显示。

2 模拟系统的环境搭建

继电保护按保护动作原理分类分为过电流保护、低电压保护、过电压保护、功率方向保护、距离保护、差动保护、纵联保护和瓦斯保护等。本文所搭建的模拟系统针对的是电力线路的过电流继电保护环节。

本文首先构建一个大型的工厂供配电系统，结构如图1所示：供配电系统由上级220 kV变电站引出一路电源经电缆线路送至厂区110 kV总降压变电所。其中6 kV空压站配电站有两路电源线路，一路主供电源由上级10 kV配电站一台800 kVA配电变压器低压侧引出，经200 m电缆线路引至本站，另外一路备用电源引自其它配电站，6 kV空压站配电站安装自投装置。

图1 某工厂供配电系统的主接线拓扑结构

该供配电系统的输配电线路上分别用断路器进行负荷电流通断和短路故障情况的分闸控制。图中断路器QF1～QF4按照其在电力线路的位置，形成前后级关系。断路器的分闸动作是通过其对应的继电保护装置来控制的。本文基于PLC设备和现场总线技术搭建了一个工厂的工程通信网络，如图2所示。利用PLC1～PLC4输出节点分别连接QF1～QF4断路器的脱扣线圈，可以控制对应断路器的分闸操作。PLC通过现场总线CAN与中央控制室的上位机连接，上位机可根据需求配置远程接口和打印机，且配有独立UPS电源。各保护装置分散装在相应的开关柜上及保护屏上，同其它装置及上位机通过带屏蔽的双绞线形成CAN网实时通信系统。

图2 供配电系统通信网络构架示意图

过电流保护系统中各断路器的关联如图3所示。处于系统四处(各段输配电线路)的断路器QF1、QF2、QF3、QF4在继电保护环节具有前后级关系。因此，每段保护均配置速断及过流保护，速断及整定数值通过标幺短路计算获取。速断保护用以在短路发生时立即切断故障；过电流保护作为本段线路的近后备保护并作为下段线路的远后备保护。另外，在断路器合、分闸过程中也考虑相关的倒闸操作规程，以满足变、配电所开关柜“五防”要求。

任一断路器的PLC程序分为三部分：①基于CAN总线通信的CAN通信初始化程序；②通信设置(包括控制该断路器)的PLC与其它位置的PLC之间的发送、接收通信程序；控制断路器的PLC与上位机之间的发送、接收通信程序；③短路故障跳闸模块程序，包含继电保护短路跳闸条件及跳闸指令。其中过电流保护短路跳闸条件一方面是断路器对于自身过电流保护整定值的比较条件，另一方面是从下级断路器发生过电流短路时的断路器的实际动作情况。

图3中“加速跳闸”的启动与否取决于两个“信息”：一是下级断路器是否有跳、合闸控制信号，二是下级断路器是否正确且及时跳闸，即需要读取下级断路器状态。

图3 微机型过电流保护断路器实现加速跳闸工作原理示意图

3 模拟实现过程

3.1 过电流保护逻辑单元结构

图4所示的是基于多代理机制的过电流保护。由于实现了级间联络，故其保护策略能够快速实现信息联络而加速动作。

图4基于多代理机制的过电流保护逻辑单元内部结构展开图

3.2 过电流保护动作电流波形

当断路器K3的跳闸回路未正确、及时动作时，断路器K3信号回路立即产生“应跳但未跳”信号。具体来说，该“应跳但未跳”包含两方面信息，一是该断路器合、分闸控制信号，二是断路器实际状态。基于多代理机制的过电流保护由于级间有联络，上级断路器(此处为断路器K2)不断通过状态通信获取断路器K3即时信号，当接收到断路器K3的“应跳但未跳”信号时，K2的跳闸回路立即被接通，完成加速过电流元后备保护。故母线B4上的三相短路故障被延迟到0.23 s切除，导致母线B2上出现了仅为0.03 s的电压跌落，大大减轻了该母线上负荷Load2所受的影响。图5至图8是多代理机制作用下母线B4， B2上的三相电压和三相电流波形。

如图5所示，假设供配电系统原先处于正常工作状态，在0.2 s时，系统B4母线上发生三相短路故障。传统继电保护采用K2延时动作作为后备保护，但其前后级动作时间间隔达到预设时限极差0.3 s，断路器K2延时0.3 s断开，切除故障。而基于多代理机制下的K2会不断通过状态通信获取K3的即时信号，当在0.2 s发生故障K3没有做出响应时，此时K2的跳闸回路会立即被接通，从图5可以看出，响应时间为0.23 s。和传统的保护方式相比，该方式响应速度快，保证了电力系统的可靠性。

3.3 过电流保护动作时的电流电压变化波形

在带低压闭锁的保护下，整定动作电流值小，但是由于欠电压回路的闭锁，消除了由于过负荷电流等情况造成的仅利用电流量检测型过电流保护系统误动作。所以带低压闭锁的过电流保护一方面提高了继电保护的灵敏度，另一方面避免了误动作，保证了动作的正确性。仿真结果如图9及图10所示。图9为仿真时间0.5 s内的电流变化波形。图10为仿真时间0.5 s内的电压变化波形。

图5 基于多代理机制的过电流保护断路器K3拒动时B4电流波形

图6 基于多代理机制的过电流保护断路器K3拒动时B4电压波形

图7 基于多代理机制的过电流保护断路器K3拒动时B2电流波形

图8 基于多代理机制的过电流保护断路器K3拒动时B2电流波形

图9 带低压闭锁的过电流保护电流变化波形

图10 带低压闭锁的过电流保护电压变化波形

由图可得，0.1 s—0.3 s段，由于在原有负荷基础上投入了负荷2导致系统过负荷，系统负荷容量及潮流电流增大，母线电压略有下降，此时过电流继电器启动，但是略有下降的母线电压远大于整定电压，故欠电压继电器闭锁断路器跳闸回路，断路器未跳闸，系统正常运行；在0.3 s时发生三相短路故障，电流急剧增大，电压显著下降，满足负荷过电流继电器及欠电压继电器动作条件，故断路器快速且及时跳闸，切断故障电路。

3.4 系统监测平台的实现

在空压站配电站6 kV母线上发生三相短路时，若断路器QF4未切断短路故障，则应该由上级10 kV车间配电站馈出线断路器QF3产生跳闸以切断故障。模仿传统过电流保护下的前后级断路器配合情况，断路器QF3会在断路器QF4的近后备保护未动作时，延迟0.5 s后QF3产生跳闸。在本模拟平台中，基于PLC和CAN总线技术的过电流保护系统，通过通信网络监测各个断路器的动作情况，如果检测到断路器QF4应该动作却未动作时，能通过PLC的软件编程控制使QF3跳闸，即PLC3输出控制QF3脱扣线圈得电动作，切除故障。

本文在中央控制室的上位机上，利用WinCC组件技术开发了一个系统监测平台。实现的监测图展示为图11，图中黑色指示灯代表断路器未动作即闭合的状态，白色指示灯代表断路器动作即断开的状态。从该图可以看出在检测到断路器QF4应该动作却未动作时，系统按照前后级配合，动作于断路器QF3跳闸，即QF3启动切除故障。从仿真结果来看，发生故障后断路器可以迅速地、准确地做出保护动作，保护了系统的安全不受到损坏，具有很好的可靠性和灵敏性。通过该平台的模拟实验，学生们很容易理解电力线路多段保护的继电保护原理，加深对继电保护的认识程度。

图11 通信状态下主接线及指示灯状态

4 结语

本文针对“电力系统继电保护”课程传统教学模式中理论教学与实践环节不能有效结合的弊端，提出了模拟平台实验环境构建的思路。据此我校在原有PLC实验设备和供电实验装置的基础上，利用CAN总线通信技术实现了一个供配电系统的电力线路继电保护的模拟平台。基于PLC和CAN总线技术实现的电力线路的多段继电保护模拟平台可以推广应用到模拟其他继电保护环节的开发中。

在“电力系统继电保护”课程的教学过程中，利用模拟平台的实践操作，可以将理论与实践有效结合，让学生更容易学习和理解继电保护的工作原理和过程。该模拟系统目前在教学过程中已使用并达到了预期的效果。

(钱素琴等文)

[1] 杨文英,盖志强,等.电力系统继电保护可靠性问题研究[J].北京：中国电力教育,2013,(27):210-211.

[2] 许彩娟.关于电力系统继电保护可靠性问题的研究[J].北京：中国新技术新产品 ,2012,16(15).128-129.

[3] 李惜玉,周旭良.基于220KV变电站仿真系统的母线保护应用[J].北京：中国电力教育,2014,(34):93-96.

[4] 蔡苗,蔡红娟,黄松.电类专业基础实验课程教学方法的改革与实践[J].南京：电气电子教学学报,2016,(01):112-115.

Teaching Exploration of Relay Protection Based on PLC and CAN Bus Technology

QIAN Su-qin，FU Hong-yu

(SchoolofInformationScienceandTeachnolgy,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

Aiming at the shortcomings of the traditional teaching mode, this paper puts forward the teaching of relay protection based on PLC and CAN bus technology. The laboratory PLC equipment and CAN bus communication technology is used to achieve the protection of famer and latter power line ,combing the principle of relay protection and the actual microcomputer protection device. The learning method allows students to more easily understand the working principle of relay protection, and cultivate students′ creative thinking.

relay protection; CAN bus technology; PLC; teaching exploration

2016-06-19;

2017-02- 28

钱素琴(1971-)，女，副教授，主要从事电力系统分析与设计，微机原理等课程教学，E-mail：qiansq@mail.dhu.edu.cn

G420

A

1008-0686(2017)03-0054-05