图形可编程继电保护实验平台的设计

2017-12-15焦尚彬李生民孙旭霞

实验室研究与探索 2017年11期

关键词：保护装置创新性继电保护

程刚，焦尚彬，李生民，孙旭霞，刘涵

(西安理工大学 a. 自动化与信息工程学院; b. 信息与控制工程国家级实验教学示范中心，西安 710048 )

图形可编程继电保护实验平台的设计

程刚a,b，焦尚彬a,b，李生民a，孙旭霞a，刘涵a,b

(西安理工大学 a. 自动化与信息工程学院; b. 信息与控制工程国家级实验教学示范中心，西安 710048 )

基于工业级保护控制器M7D，设计了一套基于图形可编程继电保护实验平台，利用PLPShell软件内部的30余种保护元件和图形可编程功能，学生根据所学继电保护原理可自行编写逻辑程序，下载至保护控制器中运行，并验证保护逻辑的正确性。该平台可以克服传统微机继电保护学生不能编写逻辑程序的缺点，可以更加直观地理解保护原理，并提高学生的实践动手能力，符合工程教育人才培养的目标要求。

继电保护；图形可编程；实验教学

0 引言

电力系统继电保护是一门与实践相结合，具有较强的应用性、综合性的专业课程，相对比较抽象和难学。因此，在继电保护教学中，实验教学环节显得尤为重要。学生通过实验教学，可以更好地理解理论教学内容，掌握必要的工程技术、测试方法、先进设备和基本研究方法，同时还可以培养学生的实验技能、科学素养和创新能力[1-2]。

随着继电保护技术的发展，微机保护装置构成的保护电路已广泛应用于电力行业，而目前多数高校继电保护实验室开设的实验项目仍是以电磁型、整流型、晶体管为主的继电保护实验项目，与实际工程应用相脱节。另外，由于实验装置的限制，实验方式非常简单，学生做实验主要以验证性实验为主，观察继电器的分合，很难深入理解继电保护内部逻辑功能[11]，综合性、创新性的实验内容较少，使得学生缺乏实际操作能力，不利于学生实践性和创新性的培养，急需改进和完善[3-11]。结合我系国家级实验教学示范中心继电保护实验室的建设情况，本文介绍了自主设计的继电保护实验平台，采用工业级M7D继电保护装置，并配套可图形编程的PLPShell软件，使学生可自行在软件上编写保护逻辑图形、设置定制、保护时间等。以三相限时电流速断保护为例，介绍了软件应用，大大提高了学生的动手能力，加深对理论知识的理解，与培养工程教育人才的目标相契合。

1 实验平台的设计

针对上述继电保护实验存在的问题，我实验中心开发设计了集保护、通信、监控与一体的图形可编程继电保护实验平台，平台采用了工业级保护控制器M7D，并配套可图形编程的PLPShell软件，学生可以根据理论知识的学习，在软件中编写逻辑程序，并下载至保护装置M7D中运行程序，同时构建上位监控系统，可以实时监测到保护装置采集的电气量，实现远程操作与监控功能，形成一个闭环，让学生对继电保护系统有更加直观的认知，大大提高了实践操作能力，同时加深对理论知识的理解[12-13]，提升实验教学质量。

该平台的创新性在于具有独特的重复可图形编程功能，一般工业级微机保护程序已经固化，不允许客户随意更改，买来使用即可，所以成本也较高[14]，鉴于此，该平台不仅融合了工业级的产品，同时又提供可编程逻辑平台，灵活方便，可以按照需求自己编写程序，例如做线路保护实验时，学生可编写电流保护、电压保护、差动保护、距离保护、零序保护、方向保护、过负荷保护等逻辑保护图形[15]，进行验证，非常方便，不仅降低了成本，而且很大程度提高了学生的创新能力。

实验平台由M7D硬件、PLPShell软件、操作台，以及工作站组成。写的顺序为从小到大：M7D硬件、软件(只介绍功能)、实验平台和工作站。

1.1 M7D硬件

M7D硬件保护装置是以功能强大的DSP为核心，配备丰富的外围接口电路，其工作主频150 MB，工作温度-40～125 ℃，极其适合工业控制领域的应用，其原理结构框图如图1所示。

图1 M7D原理框图

M7D提供的接口资源包括：8路交流电流、4路交流电压输入通道；3路4～20 mA/1～5 V 直流量输入通道；1路4～20 mA 直流量输出通道；16路开关量输入通道(交直流两用)、10路开关量输出通道；通信接口有1个RS-485，1对光纤，1个RS-232维护口，2个以太网口。

1.2 PLPShell软件

本软件是专为M7D保护装置设计的配置、调试用软件，具有画面编辑、输出配置、逻辑编程、系统配置、系统调试、故障录波等功能，如图2所示。

图2 PLPShell软件界面图

另外含有30余种保护元件、方向元件、时间元件及逻辑元件等，还提供106个中间变量或输入、输出资源，其特色在于学生可以在Windows环境下形象直观地对这些资源进行图形化编程，操作简单，应用灵活，适应性极强。

1.3 操作台

如图3所示，操作台面板上画有发电机组，升压变，输电线路、三圈变和无穷大系统示意图，模拟了一个小型电力系统，便于学生对电力系统有一个初步认识，同时设有断路器分/合指示灯，显示保护的状态，在面板右侧嵌入M7D保护装置，方便学生操作。

1.4 工作站

工作站和保护装置通过RS-485通信，可以显示遥测、遥信量，监控设备的工作状态，运行参数，定值设置，故障信息等。同时，学生可以用组态王软件自己练习组建上位界面，培养学生解决工程实际问题的能力，也极大地丰富了实验内容。

2 实例应用

在电力系统继电保护中，过电流保护是最基本，也是必不可缺的保护，下面以三相限时电流速断保护为例，介绍在PLPShell软件中搭建图形逻辑的过程：

(1) 搭建A、B、C单相电流逻辑，以A相为例，如图4所示。

图3 实验操作台面板图

图4 A相过流图形逻辑图

图中，KG1为保护投退，Iah为A相采集电流，通过过流比较元件I>，与定值DZI1相比，大于为1，小于为0，然后和KG1逻辑与，带出两个中间状态量87U1和SOE(32)，分别用于三相限时电流速断保护的输入和事件记录。

(2) 搭建三相限时电流速断保护逻辑，如图5所示。

图5 三相限时电流速断保护图形逻辑图

图中，先对A、B、C三相的过流状态量87U1、87U2、87U3进行逻辑或，然后和投退字KG1逻辑与，经过一个延时元件DZT1(延时时间可自行设置)，带出开出量OUT1(控制继电器分/合)和事件记录变量SOE(35)。

(3) 将编辑好的逻辑图进行编译，系统会对工程数据进行有效性检验和组织各类型数据，确保无误后下载到保护设备即可，如图6所示。

图6 数据组织图

3 结语

本文介绍的图形可编程实验平台，具有极强的灵活性和创新性，不仅可以保证学生完成基本的继电保护实验，如三段式电流保护，变压器差动保护、发电机保护等，也能满足后续的课程设计，本科毕业设计，创新性实验开发以及工程实训等，启发学生创新性思维，自主开发、自主设计，与工业实际相结合，培养符合企业要求的复合型人才。

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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