基于PLC與CAN總線的繼電保護(hù)教學(xué)探索

錢素琴， 付宏宇

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上海 201620)

基于PLC與CAN總線的繼電保護(hù)教學(xué)探索

錢素琴， 付宏宇

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上海 201620)

針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的弊病，本文提出了基于PLC與CAN總線技術(shù)的繼電保護(hù)教學(xué)探索。利用實(shí)驗(yàn)室的PLC設(shè)備與CAN總線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力線路的前后級(jí)保護(hù)，將繼電保護(hù)的原理分析與實(shí)際的微機(jī)保護(hù)裝置結(jié)合起來(lái)。該學(xué)習(xí)方式可以讓學(xué)生們更容易理解繼電保護(hù)的工作原理，培養(yǎng)學(xué)生們的創(chuàng)造性思維。

繼電保護(hù)；CAN總線技術(shù)；PLC；教學(xué)探索

0 引言

電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，由于社會(huì)環(huán)境或者人為操作等各種復(fù)雜因素的影響，可能出現(xiàn)各種故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)[1]。安裝在各被保護(hù)對(duì)象上的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置，可以準(zhǔn)確地判斷出被保護(hù)對(duì)象發(fā)生的故障，并且及時(shí)使斷路器跳閘或發(fā)出信號(hào)報(bào)警。電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)自動(dòng)化的重要組成部分。為了保障電力系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行生產(chǎn),它應(yīng)滿足可靠性、選擇性、靈敏性和快速性的要求[2，3]。

1 繼電保護(hù)課程的教學(xué)現(xiàn)狀

“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”課程作為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生理解和掌握電力系統(tǒng)中多種繼電保護(hù)的原理方法，并能進(jìn)行相應(yīng)的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)和整定計(jì)算。近年來(lái)，繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展十分迅速，但“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”課程的教學(xué)方式仍然停留在傳統(tǒng)的教學(xué)模式上，即按照教材內(nèi)容與順序通過(guò)理論教學(xué)來(lái)講述繼電保護(hù)的各種原理與方法[4]。這種教學(xué)方式的弊端就是學(xué)生們只學(xué)到理論知識(shí)，對(duì)實(shí)際的繼電保護(hù)環(huán)節(jié)缺乏直觀感受。學(xué)生即便通過(guò)現(xiàn)有的供電實(shí)驗(yàn)室裝置可以了解一些常用繼電器的工作原理，但是仍缺乏繼電裝置在實(shí)際的電力系統(tǒng)中具體應(yīng)用的了解，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用相脫節(jié)。因此，如何仿照實(shí)際電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作場(chǎng)景，在實(shí)驗(yàn)室中建立一個(gè)模擬的環(huán)境，讓學(xué)生通過(guò)該模擬平臺(tái)直觀地了解繼電保護(hù)的實(shí)際應(yīng)用，這是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

考慮到繼電保護(hù)的類型多樣，本文以輸配電線路的多段繼電保護(hù)內(nèi)容為例，建立一個(gè)繼電保護(hù)的模擬平臺(tái)并利用現(xiàn)有的PLC和供電實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，結(jié)合CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，搭建了一個(gè)電力線路過(guò)電流保護(hù)的繼電保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)WinCC組件在上位機(jī)上開(kāi)發(fā)了人機(jī)交互界面，可以模擬顯示某個(gè)大型供配電系統(tǒng)對(duì)象，對(duì)其輸配電線路的繼電保護(hù)環(huán)節(jié)進(jìn)行工作模擬和顯示。

2 模擬系統(tǒng)的環(huán)境搭建

繼電保護(hù)按保護(hù)動(dòng)作原理分類分為過(guò)電流保護(hù)、低電壓保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、功率方向保護(hù)、距離保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)和瓦斯保護(hù)等。本文所搭建的模擬系統(tǒng)針對(duì)的是電力線路的過(guò)電流繼電保護(hù)環(huán)節(jié)。

本文首先構(gòu)建一個(gè)大型的工廠供配電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示：供配電系統(tǒng)由上級(jí)220 kV變電站引出一路電源經(jīng)電纜線路送至廠區(qū)110 kV總降壓變電所。其中6 kV空壓站配電站有兩路電源線路，一路主供電源由上級(jí)10 kV配電站一臺(tái)800 kVA配電變壓器低壓側(cè)引出，經(jīng)200 m電纜線路引至本站，另外一路備用電源引自其它配電站，6 kV空壓站配電站安裝自投裝置。

圖1 某工廠供配電系統(tǒng)的主接線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該供配電系統(tǒng)的輸配電線路上分別用斷路器進(jìn)行負(fù)荷電流通斷和短路故障情況的分閘控制。圖中斷路器QF1～QF4按照其在電力線路的位置，形成前后級(jí)關(guān)系。斷路器的分閘動(dòng)作是通過(guò)其對(duì)應(yīng)的繼電保護(hù)裝置來(lái)控制的。本文基于PLC設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)搭建了一個(gè)工廠的工程通信網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。利用PLC1～PLC4輸出節(jié)點(diǎn)分別連接QF1～QF4斷路器的脫扣線圈，可以控制對(duì)應(yīng)斷路器的分閘操作。PLC通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線CAN與中央控制室的上位機(jī)連接，上位機(jī)可根據(jù)需求配置遠(yuǎn)程接口和打印機(jī)，且配有獨(dú)立UPS電源。各保護(hù)裝置分散裝在相應(yīng)的開(kāi)關(guān)柜上及保護(hù)屏上，同其它裝置及上位機(jī)通過(guò)帶屏蔽的雙絞線形成CAN網(wǎng)實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)。

圖2 供配電系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架示意圖

過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)中各斷路器的關(guān)聯(lián)如圖3所示。處于系統(tǒng)四處(各段輸配電線路)的斷路器QF1、QF2、QF3、QF4在繼電保護(hù)環(huán)節(jié)具有前后級(jí)關(guān)系。因此，每段保護(hù)均配置速斷及過(guò)流保護(hù)，速斷及整定數(shù)值通過(guò)標(biāo)幺短路計(jì)算獲取。速斷保護(hù)用以在短路發(fā)生時(shí)立即切斷故障；過(guò)電流保護(hù)作為本段線路的近后備保護(hù)并作為下段線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)。另外，在斷路器合、分閘過(guò)程中也考慮相關(guān)的倒閘操作規(guī)程，以滿足變、配電所開(kāi)關(guān)柜“五防”要求。

任一斷路器的PLC程序分為三部分：①基于CAN總線通信的CAN通信初始化程序；②通信設(shè)置(包括控制該斷路器)的PLC與其它位置的PLC之間的發(fā)送、接收通信程序；控制斷路器的PLC與上位機(jī)之間的發(fā)送、接收通信程序；③短路故障跳閘模塊程序，包含繼電保護(hù)短路跳閘條件及跳閘指令。其中過(guò)電流保護(hù)短路跳閘條件一方面是斷路器對(duì)于自身過(guò)電流保護(hù)整定值的比較條件，另一方面是從下級(jí)斷路器發(fā)生過(guò)電流短路時(shí)的斷路器的實(shí)際動(dòng)作情況。

圖3中“加速跳閘”的啟動(dòng)與否取決于兩個(gè)“信息”：一是下級(jí)斷路器是否有跳、合閘控制信號(hào)，二是下級(jí)斷路器是否正確且及時(shí)跳閘，即需要讀取下級(jí)斷路器狀態(tài)。

圖3 微機(jī)型過(guò)電流保護(hù)斷路器實(shí)現(xiàn)加速跳閘工作原理示意圖

3 模擬實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3.1 過(guò)電流保護(hù)邏輯單元結(jié)構(gòu)

圖4所示的是基于多代理機(jī)制的過(guò)電流保護(hù)。由于實(shí)現(xiàn)了級(jí)間聯(lián)絡(luò)，故其保護(hù)策略能夠快速實(shí)現(xiàn)信息聯(lián)絡(luò)而加速動(dòng)作。

圖4基于多代理機(jī)制的過(guò)電流保護(hù)邏輯單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)展開(kāi)圖

3.2 過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作電流波形

當(dāng)斷路器K3的跳閘回路未正確、及時(shí)動(dòng)作時(shí)，斷路器K3信號(hào)回路立即產(chǎn)生“應(yīng)跳但未跳”信號(hào)。具體來(lái)說(shuō)，該“應(yīng)跳但未跳”包含兩方面信息，一是該斷路器合、分閘控制信號(hào)，二是斷路器實(shí)際狀態(tài)。基于多代理機(jī)制的過(guò)電流保護(hù)由于級(jí)間有聯(lián)絡(luò)，上級(jí)斷路器(此處為斷路器K2)不斷通過(guò)狀態(tài)通信獲取斷路器K3即時(shí)信號(hào)，當(dāng)接收到斷路器K3的“應(yīng)跳但未跳”信號(hào)時(shí)，K2的跳閘回路立即被接通，完成加速過(guò)電流元后備保護(hù)。故母線B4上的三相短路故障被延遲到0.23 s切除，導(dǎo)致母線B2上出現(xiàn)了僅為0.03 s的電壓跌落，大大減輕了該母線上負(fù)荷Load2所受的影響。圖5至圖8是多代理機(jī)制作用下母線B4， B2上的三相電壓和三相電流波形。

如圖5所示，假設(shè)供配電系統(tǒng)原先處于正常工作狀態(tài)，在0.2 s時(shí)，系統(tǒng)B4母線上發(fā)生三相短路故障。傳統(tǒng)繼電保護(hù)采用K2延時(shí)動(dòng)作作為后備保護(hù)，但其前后級(jí)動(dòng)作時(shí)間間隔達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)限極差0.3 s，斷路器K2延時(shí)0.3 s斷開(kāi)，切除故障。而基于多代理機(jī)制下的K2會(huì)不斷通過(guò)狀態(tài)通信獲取K3的即時(shí)信號(hào)，當(dāng)在0.2 s發(fā)生故障K3沒(méi)有做出響應(yīng)時(shí)，此時(shí)K2的跳閘回路會(huì)立即被接通，從圖5可以看出，響應(yīng)時(shí)間為0.23 s。和傳統(tǒng)的保護(hù)方式相比，該方式響應(yīng)速度快，保證了電力系統(tǒng)的可靠性。

3.3 過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)的電流電壓變化波形

在帶低壓閉鎖的保護(hù)下，整定動(dòng)作電流值小，但是由于欠電壓回路的閉鎖，消除了由于過(guò)負(fù)荷電流等情況造成的僅利用電流量檢測(cè)型過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作。所以帶低壓閉鎖的過(guò)電流保護(hù)一方面提高了繼電保護(hù)的靈敏度，另一方面避免了誤動(dòng)作，保證了動(dòng)作的正確性。仿真結(jié)果如圖9及圖10所示。圖9為仿真時(shí)間0.5 s內(nèi)的電流變化波形。圖10為仿真時(shí)間0.5 s內(nèi)的電壓變化波形。

圖5 基于多代理機(jī)制的過(guò)電流保護(hù)斷路器K3拒動(dòng)時(shí)B4電流波形

圖6 基于多代理機(jī)制的過(guò)電流保護(hù)斷路器K3拒動(dòng)時(shí)B4電壓波形

圖7 基于多代理機(jī)制的過(guò)電流保護(hù)斷路器K3拒動(dòng)時(shí)B2電流波形

圖8 基于多代理機(jī)制的過(guò)電流保護(hù)斷路器K3拒動(dòng)時(shí)B2電流波形

圖9 帶低壓閉鎖的過(guò)電流保護(hù)電流變化波形

圖10 帶低壓閉鎖的過(guò)電流保護(hù)電壓變化波形

由圖可得，0.1 s—0.3 s段，由于在原有負(fù)荷基礎(chǔ)上投入了負(fù)荷2導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)負(fù)荷，系統(tǒng)負(fù)荷容量及潮流電流增大，母線電壓略有下降，此時(shí)過(guò)電流繼電器啟動(dòng)，但是略有下降的母線電壓遠(yuǎn)大于整定電壓，故欠電壓繼電器閉鎖斷路器跳閘回路，斷路器未跳閘，系統(tǒng)正常運(yùn)行；在0.3 s時(shí)發(fā)生三相短路故障，電流急劇增大，電壓顯著下降，滿足負(fù)荷過(guò)電流繼電器及欠電壓繼電器動(dòng)作條件，故斷路器快速且及時(shí)跳閘，切斷故障電路。

3.4 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

在空壓站配電站6 kV母線上發(fā)生三相短路時(shí)，若斷路器QF4未切斷短路故障，則應(yīng)該由上級(jí)10 kV車間配電站饋出線斷路器QF3產(chǎn)生跳閘以切斷故障。模仿傳統(tǒng)過(guò)電流保護(hù)下的前后級(jí)斷路器配合情況，斷路器QF3會(huì)在斷路器QF4的近后備保護(hù)未動(dòng)作時(shí)，延遲0.5 s后QF3產(chǎn)生跳閘。在本模擬平臺(tái)中，基于PLC和CAN總線技術(shù)的過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)各個(gè)斷路器的動(dòng)作情況，如果檢測(cè)到斷路器QF4應(yīng)該動(dòng)作卻未動(dòng)作時(shí)，能通過(guò)PLC的軟件編程控制使QF3跳閘，即PLC3輸出控制QF3脫扣線圈得電動(dòng)作，切除故障。

本文在中央控制室的上位機(jī)上，利用WinCC組件技術(shù)開(kāi)發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)圖展示為圖11，圖中黑色指示燈代表斷路器未動(dòng)作即閉合的狀態(tài)，白色指示燈代表斷路器動(dòng)作即斷開(kāi)的狀態(tài)。從該圖可以看出在檢測(cè)到斷路器QF4應(yīng)該動(dòng)作卻未動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)按照前后級(jí)配合，動(dòng)作于斷路器QF3跳閘，即QF3啟動(dòng)切除故障。從仿真結(jié)果來(lái)看，發(fā)生故障后斷路器可以迅速地、準(zhǔn)確地做出保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)了系統(tǒng)的安全不受到損壞，具有很好的可靠性和靈敏性。通過(guò)該平臺(tái)的模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們很容易理解電力線路多段保護(hù)的繼電保護(hù)原理，加深對(duì)繼電保護(hù)的認(rèn)識(shí)程度。

圖11 通信狀態(tài)下主接線及指示燈狀態(tài)

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”課程傳統(tǒng)教學(xué)模式中理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)不能有效結(jié)合的弊端，提出了模擬平臺(tái)實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建的思路。據(jù)此我校在原有PLC實(shí)驗(yàn)設(shè)備和供電實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，利用CAN總線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)供配電系統(tǒng)的電力線路繼電保護(hù)的模擬平臺(tái)?；赑LC和CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電力線路的多段繼電保護(hù)模擬平臺(tái)可以推廣應(yīng)用到模擬其他繼電保護(hù)環(huán)節(jié)的開(kāi)發(fā)中。

在“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”課程的教學(xué)過(guò)程中，利用模擬平臺(tái)的實(shí)踐操作，可以將理論與實(shí)踐有效結(jié)合，讓學(xué)生更容易學(xué)習(xí)和理解繼電保護(hù)的工作原理和過(guò)程。該模擬系統(tǒng)目前在教學(xué)過(guò)程中已使用并達(dá)到了預(yù)期的效果。

(錢素琴等文)

[1] 楊文英,蓋志強(qiáng),等.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)可靠性問(wèn)題研究[J].北京：中國(guó)電力教育,2013,(27):210-211.

[2] 許彩娟.關(guān)于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)可靠性問(wèn)題的研究[J].北京：中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品 ,2012,16(15).128-129.

[3] 李惜玉,周旭良.基于220KV變電站仿真系統(tǒng)的母線保護(hù)應(yīng)用[J].北京：中國(guó)電力教育,2014,(34):93-96.

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

QIAN Su-qin，F(xiàn)U 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

錢素琴(1971-)，女，副教授，主要從事電力系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)，微機(jī)原理等課程教學(xué)，E-mail：qiansq@mail.dhu.edu.cn

G420

A

1008-0686(2017)03-0054-05