程 剛， 焦尚彬， 李生民， 孫旭霞， 劉 涵

(西安理工大學 a. 自動化與信息工程學院; b. 信息與控制工程國家級實驗教學示范中心， 西安 710048 )

圖形可編程繼電保護實驗平臺的設計

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 a. 自動化與信息工程學院; b. 信息與控制工程國家級實驗教學示范中心， 西安 710048 )

基于工業(yè)級保護控制器M7D，設計了一套基于圖形可編程繼電保護實驗平臺，利用PLPShell軟件內(nèi)部的30余種保護元件和圖形可編程功能，學生根據(jù)所學繼電保護原理可自行編寫邏輯程序，下載至保護控制器中運行，并驗證保護邏輯的正確性。該平臺可以克服傳統(tǒng)微機繼電保護學生不能編寫邏輯程序的缺點，可以更加直觀地理解保護原理，并提高學生的實踐動手能力，符合工程教育人才培養(yǎng)的目標要求。

繼電保護； 圖形可編程； 實驗教學

0 引 言

電力系統(tǒng)繼電保護是一門與實踐相結(jié)合，具有較強的應用性、綜合性的專業(yè)課程，相對比較抽象和難學。因此，在繼電保護教學中，實驗教學環(huán)節(jié)顯得尤為重要。學生通過實驗教學，可以更好地理解理論教學內(nèi)容，掌握必要的工程技術、測試方法、先進設備和基本研究方法，同時還可以培養(yǎng)學生的實驗技能、科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力[1-2]。

隨著繼電保護技術的發(fā)展，微機保護裝置構(gòu)成的保護電路已廣泛應用于電力行業(yè)，而目前多數(shù)高校繼電保護實驗室開設的實驗項目仍是以電磁型、整流型、晶體管為主的繼電保護實驗項目，與實際工程應用相脫節(jié)。另外，由于實驗裝置的限制，實驗方式非常簡單，學生做實驗主要以驗證性實驗為主，觀察繼電器的分合，很難深入理解繼電保護內(nèi)部邏輯功能[11]，綜合性、創(chuàng)新性的實驗內(nèi)容較少，使得學生缺乏實際操作能力，不利于學生實踐性和創(chuàng)新性的培養(yǎng)，急需改進和完善[3-11]。結(jié)合我系國家級實驗教學示范中心繼電保護實驗室的建設情況，本文介紹了自主設計的繼電保護實驗平臺，采用工業(yè)級M7D繼電保護裝置，并配套可圖形編程的PLPShell軟件，使學生可自行在軟件上編寫保護邏輯圖形、設置定制、保護時間等。以三相限時電流速斷保護為例，介紹了軟件應用，大大提高了學生的動手能力，加深對理論知識的理解，與培養(yǎng)工程教育人才的目標相契合。

1 實驗平臺的設計

針對上述繼電保護實驗存在的問題，我實驗中心開發(fā)設計了集保護、通信、監(jiān)控與一體的圖形可編程繼電保護實驗平臺，平臺采用了工業(yè)級保護控制器M7D，并配套可圖形編程的PLPShell軟件，學生可以根據(jù)理論知識的學習，在軟件中編寫邏輯程序，并下載至保護裝置M7D中運行程序，同時構(gòu)建上位監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測到保護裝置采集的電氣量，實現(xiàn)遠程操作與監(jiān)控功能，形成一個閉環(huán)，讓學生對繼電保護系統(tǒng)有更加直觀的認知，大大提高了實踐操作能力，同時加深對理論知識的理解[12-13]，提升實驗教學質(zhì)量。

該平臺的創(chuàng)新性在于具有獨特的重復可圖形編程功能，一般工業(yè)級微機保護程序已經(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，該平臺不僅融合了工業(yè)級的產(chǎn)品，同時又提供可編程邏輯平臺，靈活方便，可以按照需求自己編寫程序，例如做線路保護實驗時，學生可編寫電流保護、 電壓保護、差動保護、距離保護、零序保護、方向保護、過負荷保護等邏輯保護圖形[15]，進行驗證，非常方便，不僅降低了成本，而且很大程度提高了學生的創(chuàng)新能力。

實驗平臺由M7D硬件、PLPShell軟件、操作臺，以及工作站組成。寫的順序為從小到大：M7D硬件、軟件(只介紹功能)、實驗平臺和工作站。

1.1 M7D硬件

M7D硬件保護裝置是以功能強大的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)控制領域的應用，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路開關量輸入通道(交直流兩用)、10路開關量輸出通道；通信接口有1個RS-485，1對光纖，1個RS-232維護口，2個以太網(wǎng)口。

1.2 PLPShell軟件

本軟件是專為M7D保護裝置設計的配置、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余種保護元件、方向元件、時間元件及邏輯元件等，還提供106個中間變量或輸入、輸出資源，其特色在于學生可以在Windows環(huán)境下形象直觀地對這些資源進行圖形化編程，操作簡單，應用靈活，適應性極強。

1.3 操作臺

如圖3所示，操作臺面板上畫有發(fā)電機組，升壓變，輸電線路、三圈變和無窮大系統(tǒng)示意圖，模擬了一個小型電力系統(tǒng)，便于學生對電力系統(tǒng)有一個初步認識，同時設有斷路器分/合指示燈，顯示保護的狀態(tài)，在面板右側(cè)嵌入M7D保護裝置，方便學生操作。

1.4 工作站

工作站和保護裝置通過RS-485通信，可以顯示遙測、遙信量，監(jiān)控設備的工作狀態(tài)，運行參數(shù)，定值設置，故障信息等。同時，學生可以用組態(tài)王軟件自己練習組建上位界面，培養(yǎng)學生解決工程實際問題的能力，也極大地豐富了實驗內(nèi)容。

2 實例應用

在電力系統(tǒng)繼電保護中，過電流保護是最基本，也是必不可缺的保護，下面以三相限時電流速斷保護為例，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 實驗操作臺面板圖

圖4 A相過流圖形邏輯圖

圖中，KG1為保護投退，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，帶出兩個中間狀態(tài)量87U1和SOE(32)，分別用于三相限時電流速斷保護的輸入和事件記錄。

(2) 搭建三相限時電流速斷保護邏輯，如圖5所示。

圖5 三相限時電流速斷保護圖形邏輯圖

圖中，先對A、B、C三相的過流狀態(tài)量87U1、87U2、87U3進行邏輯或，然后和投退字KG1邏輯與，經(jīng)過一個延時元件DZT1(延時時間可自行設置)，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行編譯，系統(tǒng)會對工程數(shù)據(jù)進行有效性檢驗和組織各類型數(shù)據(jù)，確保無誤后下載到保護設備即可，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驗平臺，具有極強的靈活性和創(chuàng)新性，不僅可以保證學生完成基本的繼電保護實驗，如三段式電流保護，變壓器差動保護、發(fā)電機保護等，也能滿足后續(xù)的課程設計，本科畢業(yè)設計，創(chuàng)新性實驗開發(fā)以及工程實訓等，啟發(fā)學生創(chuàng)新性思維，自主開發(fā)、自主設計，與工業(yè)實際相結(jié)合，培養(yǎng)符合企業(yè)要求的復合型人才。

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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，智能控制。

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