微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

姚 舜，楊耿煌，張瑩梅，路光達(dá)

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

微機(jī)繼電保護(hù)和備自投等裝置共同構(gòu)成電力系統(tǒng)的二次設(shè)備。微機(jī)繼電保護(hù)裝置在二次設(shè)備中的作用舉足輕重，它可在電網(wǎng)運(yùn)行故障時(shí)快速切斷供電線路，從而最大限度地降低故障對(duì)電網(wǎng)造成的影響。由于其能高效快速地對(duì)電網(wǎng)故障做出響應(yīng)，故被廣泛應(yīng)用在實(shí)際工程中，逐漸取代了傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置[1-3]。故障信號(hào)在不同物理量上的變化特性即為電網(wǎng)故障特征。教師在微機(jī)繼電保護(hù)理論教學(xué)中將對(duì)不同電網(wǎng)故障特征的識(shí)別作為核心教學(xué)內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將繼電器動(dòng)作數(shù)學(xué)邏輯的研究作為核心實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在為實(shí)驗(yàn)教學(xué)配置實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，為了不影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)習(xí)效果，不宜選擇企業(yè)生產(chǎn)用的微機(jī)繼電保護(hù)裝置，一是由于企業(yè)生產(chǎn)用裝置工作方式固定，難以滿足教學(xué)中微機(jī)繼電保護(hù)工作方式多樣性的需求；二是由于裝置價(jià)格昂貴導(dǎo)致難以形成多批量的系統(tǒng)教學(xué)平臺(tái)[4-5]。為此，研究微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)以輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生的操作體驗(yàn)度，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果[6-8]。

1 微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)結(jié)構(gòu)

微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)包括電壓電流發(fā)生器和微機(jī)繼電保護(hù)通用裝置2 部分，微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)結(jié)構(gòu)

微機(jī)繼電保護(hù)電壓電流發(fā)生器是由電壓電流發(fā)生裝置和電源箱組成，電壓電流發(fā)生裝置可輸出雙路的 UA、UB、UC、U0、IA、IB、IC、I0、GND 等故障模擬信號(hào)，其所需的直流電源由電源箱提供。工控機(jī)利用通信協(xié)議向電壓電流發(fā)生裝置輸入仿真離散信號(hào)，并在電壓電流發(fā)生裝置內(nèi)通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換及功率放大，向微機(jī)繼電保護(hù)通用裝置提供發(fā)生電網(wǎng)短路故障前后各電壓電流的模擬輸入量，以此方式模仿輸出接近實(shí)際情況的電力系統(tǒng)故障電氣信號(hào)。

微機(jī)繼電保護(hù)通用裝置由CPU 單元、模擬外設(shè)單元和數(shù)字外設(shè)單元共同構(gòu)成。其中CPU 單元和數(shù)字外設(shè)單元由統(tǒng)一定義的開(kāi)放數(shù)字接口連接。開(kāi)關(guān)量的輸入輸出、A/D 轉(zhuǎn)換、人機(jī)交互等功能均可通過(guò)CPU單元控制數(shù)字外設(shè)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬外設(shè)單元除了可以進(jìn)行電氣隔離和數(shù)字解調(diào)外，還能為實(shí)驗(yàn)提供足夠的模擬量輸入通道。

2 微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)通用平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 電壓電流發(fā)生器

電壓電流發(fā)生器中的電壓電流發(fā)生裝置和電源箱分別采用工控機(jī)與數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行功能替代。其中，工控機(jī)可以對(duì)發(fā)生短路故障前后信號(hào)的變化規(guī)則進(jìn)行設(shè)置，仿真短路電壓電流并經(jīng)USB 通信將提取的仿真波形信號(hào)傳輸至數(shù)字信號(hào)處理器，再經(jīng)雙精度算法產(chǎn)生各相任意的高精度離散信號(hào)。為保證輸出電壓電流信號(hào)的線性度和精確度，在電源箱中安裝了高分辨率、高采樣率的D/A 轉(zhuǎn)換器，使輸出的階梯波波形質(zhì)量?jī)?yōu)良，在還原出高質(zhì)量、高穩(wěn)定正弦波的過(guò)程中僅依靠低通濾波器即可濾除高頻分量。針對(duì)相電壓和相電流，直接輸出從直流到含各種頻率成分的波形，而非經(jīng)過(guò)升壓升流方式使電壓電流發(fā)生器產(chǎn)生，最大限度模擬出各種短路故障時(shí)真實(shí)的電壓、電流特征。在設(shè)計(jì)功效電路時(shí)應(yīng)考慮過(guò)壓、過(guò)流和短路保護(hù)等問(wèn)題，當(dāng)電流回路出現(xiàn)過(guò)流、開(kāi)路時(shí)或當(dāng)電壓回路出現(xiàn)過(guò)載、短路時(shí)，電路能通過(guò)限制輸出功率來(lái)關(guān)斷整個(gè)功放電路，從而保護(hù)系統(tǒng)安全。設(shè)計(jì)的電壓電流發(fā)生器面板如圖2所示。

圖2 電壓電流發(fā)生器面板

2.2 軟硬件映射技術(shù)

針對(duì)繼電保護(hù)壓板角度特征，市場(chǎng)上出現(xiàn)的各品牌典型微機(jī)繼電保護(hù)裝置的工作原理基本是由信號(hào)流程及邏輯控制過(guò)程組成。其在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中可以體現(xiàn)為實(shí)連接件和虛連接件2 部分[9-11]。在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)可分化為模塊化硬件、模塊化軟件2 部分。模塊化硬件中有輸入與輸出；模塊化軟件中有保護(hù)算法和基本電量計(jì)算方法[12-14]。基本電量計(jì)算方法包括3 類(lèi)，分別為電壓、電流及其他物理參數(shù)。

將實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)的模塊化硬件、模塊化軟件分別與各品牌微機(jī)繼電保護(hù)裝置的實(shí)連接件和虛連接件相對(duì)應(yīng)，通過(guò)映射實(shí)現(xiàn)相互兼容[15-17]。將多類(lèi)型微機(jī)繼電保護(hù)裝置中實(shí)、虛連接件的功能映射到實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)模塊化硬件、軟件的邏輯關(guān)系后，即可在實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多類(lèi)型繼電保護(hù)裝置的邏輯控制過(guò)程和信號(hào)流程[18]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)

2.3 微機(jī)繼電保護(hù)通用裝置模塊化設(shè)計(jì)

微機(jī)繼電保護(hù)通用裝置由數(shù)字運(yùn)算、電量采集與控制、數(shù)據(jù)交互3 個(gè)基本模塊構(gòu)成。通過(guò)對(duì)三者進(jìn)行不同組合來(lái)適配不同微機(jī)繼電保護(hù)類(lèi)型，硬件模塊化結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，數(shù)字運(yùn)算模塊中包含各種繼電保護(hù)運(yùn)算模塊；電量采集與控制模塊由開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出和模擬量輸入共同構(gòu)成且三者可獨(dú)立使用，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分析和采集；數(shù)據(jù)交互模塊是根據(jù)采集信號(hào)特征，通過(guò)選擇手動(dòng)或自動(dòng)方式對(duì)典型繼電保護(hù)故障類(lèi)型進(jìn)行判斷，及時(shí)做出反應(yīng)并控制電路的運(yùn)行，同時(shí)記錄該時(shí)段電量信號(hào)波形。根據(jù)包含在數(shù)字運(yùn)算模塊內(nèi)的繼電保護(hù)運(yùn)算模型對(duì)設(shè)定手動(dòng)或自動(dòng)交互方式的數(shù)據(jù)交互模塊的具體數(shù)據(jù)、硬件資源等進(jìn)行配置。其中，數(shù)據(jù)配置的主要目的是確定運(yùn)算模型內(nèi)繼電保護(hù)整定算法中的各類(lèi)因數(shù)，硬件資源配置的主要目的是規(guī)定已選繼電保護(hù)運(yùn)算模型的具體通道。硬件電路與接口結(jié)構(gòu)如圖5所示。

軟件模塊包括繼電保護(hù)基礎(chǔ)算法，如基于正弦信號(hào)模型的兩點(diǎn)乘積算法、基于周期信號(hào)模型的傅里葉算法、與信號(hào)頻率無(wú)關(guān)的三點(diǎn)采樣值乘積算法；能進(jìn)行瞬時(shí)值計(jì)算、相量計(jì)算的濾序算法，包含相量比值算法、阻抗測(cè)量的補(bǔ)償算法、減小過(guò)渡電阻影響的阻抗算法和R-L 模型算法的阻抗算法等。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)由2 部分組成。上部為微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)，下部為電壓電流發(fā)生器。

圖4 硬件模塊化結(jié)構(gòu)

圖5 硬件電路與接口結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)用實(shí)例

以南瑞RCS-9612 繼電保護(hù)裝置為例，闡釋該通用平臺(tái)應(yīng)用過(guò)程。

該裝置適用電壓等級(jí)低于110 kV 的非直接或小電阻接地系統(tǒng)，不僅能實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)方面的功能，還能實(shí)現(xiàn) P、Q、IA、IC、UA、UB、UC、UAB、UBC、UCA、U0、f、cosφ 等模擬量的遙測(cè)、SOE 記錄、脈沖輸入等測(cè)控方面的功能。

微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)將三相測(cè)試電源作為故障信號(hào)源，在使用該平臺(tái)時(shí)還需將其與三相電壓信號(hào)、三相電流信號(hào)、高電平+15 V 有效的開(kāi)入開(kāi)出信號(hào)和輸出范圍為0～4 V 或4～20 mA 的直流模擬量進(jìn)行連接。RCS9612 線路保護(hù)裝置外部接線端子的屬性分為模擬量與數(shù)字量2 類(lèi)，RCS9612 線路保護(hù)裝置部分外部接線端子映射如表1所示。

表1 RCS9612 線路保護(hù)裝置部分外部接線端子映射

利用虛連接件（軟件模擬完成連接）與實(shí)連接件（外部接線完成連接）可完成向微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)輸出邏輯控制信號(hào)的任務(wù)，外部線路連接如圖6所示。

圖6 外部線路連接

中低壓線路保護(hù)啟動(dòng)邏輯和三段式零序電流保護(hù)邏輯如圖7所示。圖7中，將低壓信號(hào)DY 和斷路器跳閘啟動(dòng)位置TWJ 通過(guò)實(shí)連接件接線與端子407（負(fù)端）、419 相連，已充電的重合閘連接至重合閘信號(hào)輸出端子303、304，遙控操作點(diǎn)連接至遙控電源輸入端子403，低頻率啟動(dòng)LF 連接至投低周減載312，QJ 連接至控制電源411，使南瑞繼電保護(hù)裝置RCS-9612與微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)的外部接線端子、內(nèi)部控制字對(duì)應(yīng)連接。其中，GFH 為過(guò)負(fù)載啟動(dòng)；L01、L02、L03、L0js 分別為三段零序和加速段啟動(dòng)；FBL01、FBL02、FBL03 分別為具有選擇帶方向功能的控制字；L1、L2、L3、Ljs 分別為三段過(guò)電流保護(hù)。它們均可獨(dú)立整定，每段不僅能通過(guò)控制字對(duì)經(jīng)方向、經(jīng)負(fù)壓閉鎖進(jìn)行選擇，還能通過(guò)設(shè)置整定控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)分段電流保護(hù)的投退。同時(shí)，可以通過(guò)配置獨(dú)立的加速段保護(hù)實(shí)現(xiàn)根據(jù)需求情況利用控制字選擇合閘前加速或合閘后加速的功能。

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，學(xué)生需要完成硬件連接，教師對(duì)學(xué)生的接線情況進(jìn)行檢查，避免因接線錯(cuò)誤而影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。在確定接線準(zhǔn)確無(wú)誤后，教師可讓學(xué)生打開(kāi)實(shí)驗(yàn)操作軟件，在主界面選擇將要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生將速斷保護(hù)、定時(shí)速斷保護(hù)和延時(shí)速斷保護(hù)3 項(xiàng)選中后，對(duì)其每段的整定值（動(dòng)作電流）和整定時(shí)間（動(dòng)作延遲時(shí)間）進(jìn)行設(shè)置，其中，I 段、II 段、III 段的動(dòng)作電流分別為 5A、3A、1A，動(dòng)作時(shí)間分別為 0s，1s，2s，三段過(guò)流保護(hù)實(shí)驗(yàn)操作界面如圖8所示。

圖7 中低壓線路保護(hù)啟動(dòng)邏輯和三段式零序電流保護(hù)邏輯

圖8 三段過(guò)流保護(hù)實(shí)驗(yàn)操作界面

完成上述操作后，學(xué)生啟動(dòng)電壓電流發(fā)生器并對(duì)其電量輸出通道和開(kāi)入量進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定完成后點(diǎn)擊電壓電流發(fā)生器的開(kāi)始試驗(yàn)按鍵，使其不斷地向微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)發(fā)出故障信號(hào)。當(dāng)微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)接收到的故障信號(hào)與預(yù)設(shè)的整定值相同時(shí)，微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)會(huì)立刻發(fā)出警報(bào)，同時(shí)迅速切斷運(yùn)行狀態(tài)異常的線路。其動(dòng)作時(shí)刻的電特性值會(huì)被電壓電流發(fā)生器記錄下來(lái)并生成數(shù)據(jù)信息，學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后即可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了可映射多類(lèi)型微機(jī)繼電保護(hù)裝置的微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通用平臺(tái)。利用該平臺(tái)顯著降低了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)造成的不利影響，解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中不可直觀展示多類(lèi)型微機(jī)繼電保護(hù)的工作方式的問(wèn)題。借助該平臺(tái)學(xué)生能夠了解不同品牌、不同型號(hào)的微機(jī)繼電保護(hù)裝置之間的差異性，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。此外，平臺(tái)還可利用編程模擬出新型微機(jī)繼電保護(hù)裝置的功能，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)多元化需求的同時(shí)，還能保證實(shí)驗(yàn)裝置使用的時(shí)效性。