微機繼電保護實驗教學通用平臺的設計開發

姚 舜，楊耿煌，張瑩梅，路光達

（天津職業技術師范大學天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222）

微機繼電保護和備自投等裝置共同構成電力系統的二次設備。微機繼電保護裝置在二次設備中的作用舉足輕重，它可在電網運行故障時快速切斷供電線路，從而最大限度地降低故障對電網造成的影響。由于其能高效快速地對電網故障做出響應，故被廣泛應用在實際工程中，逐漸取代了傳統繼電保護裝置[1-3]。故障信號在不同物理量上的變化特性即為電網故障特征。教師在微機繼電保護理論教學中將對不同電網故障特征的識別作為核心教學內容，在實驗教學中將繼電器動作數學邏輯的研究作為核心實驗內容。在為實驗教學配置實驗裝置時，為了不影響學生實驗教學的學習效果，不宜選擇企業生產用的微機繼電保護裝置，一是由于企業生產用裝置工作方式固定，難以滿足教學中微機繼電保護工作方式多樣性的需求；二是由于裝置價格昂貴導致難以形成多批量的系統教學平臺[4-5]。為此，研究微機繼電保護實驗教學通用平臺以輔助實驗教學，提高實驗教學中學生的操作體驗度，增強學生的實驗學習效果[6-8]。

1 微機繼電保護實驗教學通用平臺結構

微機繼電保護實驗教學通用平臺包括電壓電流發生器和微機繼電保護通用裝置2 部分，微機繼電保護實驗教學通用平臺結構如圖1所示。

圖1 微機繼電保護實驗教學通用平臺結構

微機繼電保護電壓電流發生器是由電壓電流發生裝置和電源箱組成，電壓電流發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，其所需的直流電源由電源箱提供。工控機利用通信協議向電壓電流發生裝置輸入仿真離散信號，并在電壓電流發生裝置內通過D/A 轉換及功率放大，向微機繼電保護通用裝置提供發生電網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際情況的電力系統故障電氣信號。

微機繼電保護通用裝置由CPU 單元、模擬外設單元和數字外設單元共同構成。其中CPU 單元和數字外設單元由統一定義的開放數字接口連接。開關量的輸入輸出、A/D 轉換、人機交互等功能均可通過CPU單元控制數字外設單元來實現。模擬外設單元除了可以進行電氣隔離和數字解調外，還能為實驗提供足夠的模擬量輸入通道。

2 微機繼電保護實驗通用平臺設計

2.1 電壓電流發生器

電壓電流發生器中的電壓電流發生裝置和電源箱分別采用工控機與數字信號處理器進行功能替代。其中，工控機可以對發生短路故障前后信號的變化規則進行設置，仿真短路電壓電流并經USB 通信將提取的仿真波形信號傳輸至數字信號處理器，再經雙精度算法產生各相任意的高精度離散信號。為保證輸出電壓電流信號的線性度和精確度，在電源箱中安裝了高分辨率、高采樣率的D/A 轉換器，使輸出的階梯波波形質量優良，在還原出高質量、高穩定正弦波的過程中僅依靠低通濾波器即可濾除高頻分量。針對相電壓和相電流，直接輸出從直流到含各種頻率成分的波形，而非經過升壓升流方式使電壓電流發生器產生，最大限度模擬出各種短路故障時真實的電壓、電流特征。在設計功效電路時應考慮過壓、過流和短路保護等問題，當電流回路出現過流、開路時或當電壓回路出現過載、短路時，電路能通過限制輸出功率來關斷整個功放電路，從而保護系統安全。設計的電壓電流發生器面板如圖2所示。

圖2 電壓電流發生器面板

2.2 軟硬件映射技術

針對繼電保護壓板角度特征，市場上出現的各品牌典型微機繼電保護裝置的工作原理基本是由信號流程及邏輯控制過程組成。其在教學實踐過程中可以體現為實連接件和虛連接件2 部分[9-11]。在實驗操作時，實驗教學通用平臺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算法和基本電量計算方法[12-14]。基本電量計算方法包括3 類，分別為電壓、電流及其他物理參數。

將實驗教學通用平臺的模塊化硬件、模塊化軟件分別與各品牌微機繼電保護裝置的實連接件和虛連接件相對應，通過映射實現相互兼容[15-17]。將多類型微機繼電保護裝置中實、虛連接件的功能映射到實驗教學通用平臺模塊化硬件、軟件的邏輯關系后，即可在實驗教學通用平臺上實現多類型繼電保護裝置的邏輯控制過程和信號流程[18]。實驗教學通用平臺結構如圖3所示。

圖3 實驗教學通用平臺

2.3 微機繼電保護通用裝置模塊化設計

微機繼電保護通用裝置由數字運算、電量采集與控制、數據交互3 個基本模塊構成。通過對三者進行不同組合來適配不同微機繼電保護類型，硬件模塊化結構如圖4所示。其中，數字運算模塊中包含各種繼電保護運算模塊；電量采集與控制模塊由開關量輸入、開關量輸出和模擬量輸入共同構成且三者可獨立使用，以此實現對輸入信號進行分析和采集；數據交互模塊是根據采集信號特征，通過選擇手動或自動方式對典型繼電保護故障類型進行判斷，及時做出反應并控制電路的運行，同時記錄該時段電量信號波形。根據包含在數字運算模塊內的繼電保護運算模型對設定手動或自動交互方式的數據交互模塊的具體數據、硬件資源等進行配置。其中，數據配置的主要目的是確定運算模型內繼電保護整定算法中的各類因數，硬件資源配置的主要目的是規定已選繼電保護運算模型的具體通道。硬件電路與接口結構如圖5所示。

軟件模塊包括繼電保護基礎算法，如基于正弦信號模型的兩點乘積算法、基于周期信號模型的傅里葉算法、與信號頻率無關的三點采樣值乘積算法；能進行瞬時值計算、相量計算的濾序算法，包含相量比值算法、阻抗測量的補償算法、減小過渡電阻影響的阻抗算法和R-L 模型算法的阻抗算法等。

實驗教學通用平臺由2 部分組成。上部為微機繼電保護實驗教學通用平臺，下部為電壓電流發生器。

圖4 硬件模塊化結構

圖5 硬件電路與接口結構

3 應用實例

以南瑞RCS-9612 繼電保護裝置為例，闡釋該通用平臺應用過程。

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

微機繼電保護實驗教學通用平臺將三相測試電源作為故障信號源，在使用該平臺時還需將其與三相電壓信號、三相電流信號、高電平+15 V 有效的開入開出信號和輸出范圍為0～4 V 或4～20 mA 的直流模擬量進行連接。RCS9612 線路保護裝置外部接線端子的屬性分為模擬量與數字量2 類，RCS9612 線路保護裝置部分外部接線端子映射如表1所示。

表1 RCS9612 線路保護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）與實連接件（外部接線完成連接）可完成向微機繼電保護實驗教學通用平臺輸出邏輯控制信號的任務，外部線路連接如圖6所示。

圖6 外部線路連接

中低壓線路保護啟動邏輯和三段式零序電流保護邏輯如圖7所示。圖7中，將低壓信號DY 和斷路器跳閘啟動位置TWJ 通過實連接件接線與端子407（負端）、419 相連，已充電的重合閘連接至重合閘信號輸出端子303、304，遙控操作點連接至遙控電源輸入端子403，低頻率啟動LF 連接至投低周減載312，QJ 連接至控制電源411，使南瑞繼電保護裝置RCS-9612與微機繼電保護實驗教學通用平臺的外部接線端子、內部控制字對應連接。其中，GFH 為過負載啟動；L01、L02、L03、L0js 分別為三段零序和加速段啟動；FBL01、FBL02、FBL03 分別為具有選擇帶方向功能的控制字；L1、L2、L3、Ljs 分別為三段過電流保護。它們均可獨立整定，每段不僅能通過控制字對經方向、經負壓閉鎖進行選擇，還能通過設置整定控制字來實現分段電流保護的投退。同時，可以通過配置獨立的加速段保護實現根據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。

在實驗開始前，學生需要完成硬件連接，教師對學生的接線情況進行檢查，避免因接線錯誤而影響實驗進展。在確定接線準確無誤后，教師可讓學生打開實驗操作軟件，在主界面選擇將要進行的實驗項目。學生將速斷保護、定時速斷保護和延時速斷保護3 項選中后，對其每段的整定值（動作電流）和整定時間（動作延遲時間）進行設置，其中，I 段、II 段、III 段的動作電流分別為 5A、3A、1A，動作時間分別為 0s，1s，2s，三段過流保護實驗操作界面如圖8所示。

圖7 中低壓線路保護啟動邏輯和三段式零序電流保護邏輯

圖8 三段過流保護實驗操作界面

完成上述操作后，學生啟動電壓電流發生器并對其電量輸出通道和開入量進行設定，設定完成后點擊電壓電流發生器的開始試驗按鍵，使其不斷地向微機繼電保護實驗教學通用平臺發出故障信號。當微機繼電保護實驗教學通用平臺接收到的故障信號與預設的整定值相同時，微機繼電保護實驗教學通用平臺會立刻發出警報，同時迅速切斷運行狀態異常的線路。其動作時刻的電特性值會被電壓電流發生器記錄下來并生成數據信息，學生對數據進行整理后即可結束實驗。

4 結 語

本研究設計開發了可映射多類型微機繼電保護裝置的微機繼電保護實驗教學通用平臺。利用該平臺顯著降低了現有實驗裝置對微機繼電保護實驗教學環節造成的不利影響，解決了實驗教學環節中不可直觀展示多類型微機繼電保護的工作方式的問題。借助該平臺學生能夠了解不同品牌、不同型號的微機繼電保護裝置之間的差異性，從而提高實驗教學效果。此外，平臺還可利用編程模擬出新型微機繼電保護裝置的功能，滿足實驗教學多元化需求的同時，還能保證實驗裝置使用的時效性。