微机继电保护实验教学通用平台的设计开发

姚 舜，杨耿煌，张莹梅，路光达

（天津职业技术师范大学天津市信息传感与智能控制重点实验室，天津 300222）

微机继电保护和备自投等装置共同构成电力系统的二次设备。微机继电保护装置在二次设备中的作用举足轻重，它可在电网运行故障时快速切断供电线路，从而最大限度地降低故障对电网造成的影响。由于其能高效快速地对电网故障做出响应，故被广泛应用在实际工程中，逐渐取代了传统继电保护装置[1-3]。故障信号在不同物理量上的变化特性即为电网故障特征。教师在微机继电保护理论教学中将对不同电网故障特征的识别作为核心教学内容，在实验教学中将继电器动作数学逻辑的研究作为核心实验内容。在为实验教学配置实验装置时，为了不影响学生实验教学的学习效果，不宜选择企业生产用的微机继电保护装置，一是由于企业生产用装置工作方式固定，难以满足教学中微机继电保护工作方式多样性的需求；二是由于装置价格昂贵导致难以形成多批量的系统教学平台[4-5]。为此，研究微机继电保护实验教学通用平台以辅助实验教学，提高实验教学中学生的操作体验度，增强学生的实验学习效果[6-8]。

1 微机继电保护实验教学通用平台结构

微机继电保护实验教学通用平台包括电压电流发生器和微机继电保护通用装置2 部分，微机继电保护实验教学通用平台结构如图1所示。

图1 微机继电保护实验教学通用平台结构

微机继电保护电压电流发生器是由电压电流发生装置和电源箱组成，电压电流发生装置可输出双路的 UA、UB、UC、U0、IA、IB、IC、I0、GND 等故障模拟信号，其所需的直流电源由电源箱提供。工控机利用通信协议向电压电流发生装置输入仿真离散信号，并在电压电流发生装置内通过D/A 转换及功率放大，向微机继电保护通用装置提供发生电网短路故障前后各电压电流的模拟输入量，以此方式模仿输出接近实际情况的电力系统故障电气信号。

微机继电保护通用装置由CPU 单元、模拟外设单元和数字外设单元共同构成。其中CPU 单元和数字外设单元由统一定义的开放数字接口连接。开关量的输入输出、A/D 转换、人机交互等功能均可通过CPU单元控制数字外设单元来实现。模拟外设单元除了可以进行电气隔离和数字解调外，还能为实验提供足够的模拟量输入通道。

2 微机继电保护实验通用平台设计

2.1 电压电流发生器

电压电流发生器中的电压电流发生装置和电源箱分别采用工控机与数字信号处理器进行功能替代。其中，工控机可以对发生短路故障前后信号的变化规则进行设置，仿真短路电压电流并经USB 通信将提取的仿真波形信号传输至数字信号处理器，再经双精度算法产生各相任意的高精度离散信号。为保证输出电压电流信号的线性度和精确度，在电源箱中安装了高分辨率、高采样率的D/A 转换器，使输出的阶梯波波形质量优良，在还原出高质量、高稳定正弦波的过程中仅依靠低通滤波器即可滤除高频分量。针对相电压和相电流，直接输出从直流到含各种频率成分的波形，而非经过升压升流方式使电压电流发生器产生，最大限度模拟出各种短路故障时真实的电压、电流特征。在设计功效电路时应考虑过压、过流和短路保护等问题，当电流回路出现过流、开路时或当电压回路出现过载、短路时，电路能通过限制输出功率来关断整个功放电路，从而保护系统安全。设计的电压电流发生器面板如图2所示。

图2 电压电流发生器面板

2.2 软硬件映射技术

针对继电保护压板角度特征，市场上出现的各品牌典型微机继电保护装置的工作原理基本是由信号流程及逻辑控制过程组成。其在教学实践过程中可以体现为实连接件和虚连接件2 部分[9-11]。在实验操作时，实验教学通用平台可分化为模块化硬件、模块化软件2 部分。模块化硬件中有输入与输出；模块化软件中有保护算法和基本电量计算方法[12-14]。基本电量计算方法包括3 类，分别为电压、电流及其他物理参数。

将实验教学通用平台的模块化硬件、模块化软件分别与各品牌微机继电保护装置的实连接件和虚连接件相对应，通过映射实现相互兼容[15-17]。将多类型微机继电保护装置中实、虚连接件的功能映射到实验教学通用平台模块化硬件、软件的逻辑关系后，即可在实验教学通用平台上实现多类型继电保护装置的逻辑控制过程和信号流程[18]。实验教学通用平台结构如图3所示。

图3 实验教学通用平台

2.3 微机继电保护通用装置模块化设计

微机继电保护通用装置由数字运算、电量采集与控制、数据交互3 个基本模块构成。通过对三者进行不同组合来适配不同微机继电保护类型，硬件模块化结构如图4所示。其中，数字运算模块中包含各种继电保护运算模块；电量采集与控制模块由开关量输入、开关量输出和模拟量输入共同构成且三者可独立使用，以此实现对输入信号进行分析和采集；数据交互模块是根据采集信号特征，通过选择手动或自动方式对典型继电保护故障类型进行判断，及时做出反应并控制电路的运行，同时记录该时段电量信号波形。根据包含在数字运算模块内的继电保护运算模型对设定手动或自动交互方式的数据交互模块的具体数据、硬件资源等进行配置。其中，数据配置的主要目的是确定运算模型内继电保护整定算法中的各类因数，硬件资源配置的主要目的是规定已选继电保护运算模型的具体通道。硬件电路与接口结构如图5所示。

软件模块包括继电保护基础算法，如基于正弦信号模型的两点乘积算法、基于周期信号模型的傅里叶算法、与信号频率无关的三点采样值乘积算法；能进行瞬时值计算、相量计算的滤序算法，包含相量比值算法、阻抗测量的补偿算法、减小过渡电阻影响的阻抗算法和R-L 模型算法的阻抗算法等。

实验教学通用平台由2 部分组成。上部为微机继电保护实验教学通用平台，下部为电压电流发生器。

图4 硬件模块化结构

图5 硬件电路与接口结构

3 应用实例

以南瑞RCS-9612 继电保护装置为例，阐释该通用平台应用过程。

该装置适用电压等级低于110 kV 的非直接或小电阻接地系统，不仅能实现各种保护方面的功能，还能实现 P、Q、IA、IC、UA、UB、UC、UAB、UBC、UCA、U0、f、cosφ 等模拟量的遥测、SOE 记录、脉冲输入等测控方面的功能。

微机继电保护实验教学通用平台将三相测试电源作为故障信号源，在使用该平台时还需将其与三相电压信号、三相电流信号、高电平+15 V 有效的开入开出信号和输出范围为0～4 V 或4～20 mA 的直流模拟量进行连接。RCS9612 线路保护装置外部接线端子的属性分为模拟量与数字量2 类，RCS9612 线路保护装置部分外部接线端子映射如表1所示。

表1 RCS9612 线路保护装置部分外部接线端子映射

利用虚连接件（软件模拟完成连接）与实连接件（外部接线完成连接）可完成向微机继电保护实验教学通用平台输出逻辑控制信号的任务，外部线路连接如图6所示。

图6 外部线路连接

中低压线路保护启动逻辑和三段式零序电流保护逻辑如图7所示。图7中，将低压信号DY 和断路器跳闸启动位置TWJ 通过实连接件接线与端子407（负端）、419 相连，已充电的重合闸连接至重合闸信号输出端子303、304，遥控操作点连接至遥控电源输入端子403，低频率启动LF 连接至投低周减载312，QJ 连接至控制电源411，使南瑞继电保护装置RCS-9612与微机继电保护实验教学通用平台的外部接线端子、内部控制字对应连接。其中，GFH 为过负载启动；L01、L02、L03、L0js 分别为三段零序和加速段启动；FBL01、FBL02、FBL03 分别为具有选择带方向功能的控制字；L1、L2、L3、Ljs 分别为三段过电流保护。它们均可独立整定，每段不仅能通过控制字对经方向、经负压闭锁进行选择，还能通过设置整定控制字来实现分段电流保护的投退。同时，可以通过配置独立的加速段保护实现根据需求情况利用控制字选择合闸前加速或合闸后加速的功能。

在实验开始前，学生需要完成硬件连接，教师对学生的接线情况进行检查，避免因接线错误而影响实验进展。在确定接线准确无误后，教师可让学生打开实验操作软件，在主界面选择将要进行的实验项目。学生将速断保护、定时速断保护和延时速断保护3 项选中后，对其每段的整定值（动作电流）和整定时间（动作延迟时间）进行设置，其中，I 段、II 段、III 段的动作电流分别为 5A、3A、1A，动作时间分别为 0s，1s，2s，三段过流保护实验操作界面如图8所示。

图7 中低压线路保护启动逻辑和三段式零序电流保护逻辑

图8 三段过流保护实验操作界面

完成上述操作后，学生启动电压电流发生器并对其电量输出通道和开入量进行设定，设定完成后点击电压电流发生器的开始试验按键，使其不断地向微机继电保护实验教学通用平台发出故障信号。当微机继电保护实验教学通用平台接收到的故障信号与预设的整定值相同时，微机继电保护实验教学通用平台会立刻发出警报，同时迅速切断运行状态异常的线路。其动作时刻的电特性值会被电压电流发生器记录下来并生成数据信息，学生对数据进行整理后即可结束实验。

4 结 语

本研究设计开发了可映射多类型微机继电保护装置的微机继电保护实验教学通用平台。利用该平台显著降低了现有实验装置对微机继电保护实验教学环节造成的不利影响，解决了实验教学环节中不可直观展示多类型微机继电保护的工作方式的问题。借助该平台学生能够了解不同品牌、不同型号的微机继电保护装置之间的差异性，从而提高实验教学效果。此外，平台还可利用编程模拟出新型微机继电保护装置的功能，满足实验教学多元化需求的同时，还能保证实验装置使用的时效性。