CN107798945A - 一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法，将基于可编程继电保护装置应用于继电保护的教学实验中，实现在线图形化保护逻辑编程和实时监控被测电量和保护逻辑的执行过程，具体包括以下步骤：步骤1，采用可编程继电保护装置与继电保护测试仪组成保护的硬件系统；步骤2，在计算机以保护元件图形组成继电保护逻辑，在线编译，下载到可编程微机继电保护装置中；步骤3，采用可编程电源或模拟负载及微机继电测试仪，构建设定的故障现象，产生故障源信号；步骤4，将步骤3产生的故障源信号引入可编程继电保护装置，监测故障源信号的特征量、测试保护逻辑动作执行过程和执行结果。

Description

一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法

技术领域

本发明属于电力系统与自动化技术领域，涉及一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法。

背景技术

继电保护是电力系统及自动化专业的一门核心课程。现有的实验教学设备存在不少问题使得该教学得不到良好的效果。

主要存在的问题是：

1.常规基于模拟保护元件的继电保护方法，是将所有涉及的保护继电器(电流继电器、电压继电器及中间继电器和时间继电器)，用线路连接在一起，即将所有的保护逻辑赋予接线中。元器件较多、接线复杂、查错困难，不宜操作和逻辑修改；但又由于继电器的动作速度快、动作继电器比较多,无法直观的观察所有继电器动作关系和动作过程,只能靠重复操作来完成。这既延长了实验时间,又对实验设备的使用寿命造成影响,最终使得实验教学效果不理想。

2.随着计算机仿真技术的发展，近年来采用继电保护器仿真实验，在一定程度上解决了实验的基本逻辑实验，无法和实际的保护系统结合，限于理论方法的理解，对于具体的保护配合等问题感觉抽象。

3.采用定型的微机继电保护装置，保护程序固化在装置中，该系统方便可靠实现、各种保护功能(固定的装置实现相应的保护)，但学生无法介入保护算法的设计和编程，更看不到保护逻辑的执行过程，难以对保护过程有较深刻的理解。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法，解决了现有技术中存在的继电保护算法无法自主编程和动作过程无法检测的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法，将基于可编程继电保护装置应用于继电保护的教学实验中，实现在线图形化保护逻辑编程和实时监控被测电量和保护逻辑的执行过程，具体包括以下步骤：

步骤1，采用可编程继电保护装置与继电保护测试仪组成保护的硬件系统；

步骤2，在计算机以保护元件图形组成继电保护逻辑，在线编译，下载到可编程微机继电保护装置中；

步骤3，采用可编程电源或模拟负载及微机继电测试仪，构建设定的故障现象，产生故障源信号；

步骤4，将步骤3产生的故障源信号引入可编程继电保护装置，监测故障源信号的特征量、测试保护逻辑动作执行过程和执行结果。

本发明的特点还在于，

步骤1中的硬件系统包括故障信号源、可编程继电保护装置、断路器和计算机，所述故障信号源、可编程继电保护装置、断路器依次连接，所述可编程继电保护装置通过RS485与计算机通信连接，所述计算机用于进行继电保护逻辑的编程，所述故障信号源提供继电保护的故障信号源至可编程继电保护装置，所述可编程继电保护装置按照电力系统保护的算法，判断故障状态，执行保护出口跳闸，所述计算同时监测被保护参量的数值变化和逻辑动作过程。

步骤2中的保护元件包括过压元件、欠压元件、过流元件、欠流元件、低频元件、过频元件、谐波分量元件、比较元件、反时限元件、过热原件、滑差元件、方向元件，每一个元件完成一个特定保护功能，相互配合组成继电保护逻辑。

步骤3中故障信号源的产生过程为：采用升流器或电力电子电路，产生独立可变幅值的三相电流,通过调节信号源的旋转手柄或旋钮，可以增加或减少输出电流，改变电流的大小或相位可以构造不同的故障特征，从而得到不同的故障信号源。

步骤4具体包括以下步骤：

步骤4.1，将故障源信号引入可编程继电保护装置

将信号源的电流输出信号Ia、Ib、Ic端口，用连接线接入可编程继电保护装置的Ia、Ib、Ic端口，即将信号源引入可编程继电保护装置，可编程继电保护装置利用自身采样程序将故障电流值读入可编程继电保护装置的内存单元中，便于后续处理；

步骤4.2，监测故障源信号的特征量

可编程继电保护装置将读入的故障电流计算出幅值与相位，变成数字量，一方面用于可编程继电保护装置的过流保护算法模块进行保护计算，另一方面用于在调试计算机上实时显示；

步骤4.3，对保护逻辑动作的执行过程进行测试

在计算上用特定的软件建立工程文档，找出三个过流元件与“或”门连接，再与过流保护投退控制信号KG0、及其下侧的由低电压启动单元以及过流保护投退控制信号KG20组成的低电压启动单元相与，组成低电压过流保护实验程序，然后设置保护的定值，将低电压过流保护实验程序编辑、下载至可编程继电保护装置，最后启动与可编程继电保护装置连接的信号源电源，并将与可编程继电保护装置连接的计算机转入监控与调试模式，观察电流幅值和相位的变化；

步骤4.4，得出执行结果

在信号源电流不断增大的过程中一旦超过该电流的整定值，延时一定的时间，使可编程继电保护装置的输出点置位为高电平，带动实体继电器动作，出口继电器的常开触点接通电力系统跳闸回路，断路器与电力系统断开，起到保护保护实验系统的目的。

步骤4.3中的软件为PLP Shell软件。

本发明的有益效果是：

1.将图形化数字可编程继电保护装置用于继电保护的教学系统中；

2.实现了继电器保护逻辑的在线图形化设计、编程和可视测试；

3.软件和实际装置的结合增加了保护算法执行过程的透明性和可操作性；

4.组态监控实时动态显示检测电量的变化和保护逻辑动作过程；

5.克服了传统继电保护元件接线复杂的问题，又能解决现有微机保护装置保护程序无法介入的问题，学生能够在线快速进行相关实验逻辑的图形化编程，又可以开发新的保护算法，即实现相关保护实验，又能够培养学生的自主创新精神。

附图说明

图1是本发明一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法中硬件系统的结构图；

图2是本发明一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法中继电保护软件元件的结构图。

图3是本发明一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法中过流保护编程逻辑图；

图4是本发明一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法中变压器差动保护电流互感器配置和交流回路接线图；

图5是本发明一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法中比例差动元件参数配置图；

图6是本发明一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法中变压器三相比例差动保护系统逻辑组态图；

图7是本发明一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法中变压器差动元件中间变量监控界面图；

图8是本发明一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法中变压器三组互感器被测电流的相位监控界面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法，将基于可编程继电保护装置应用于继电保护的教学实验中，实现在线图形化保护逻辑编程和实时监控被测电量和保护逻辑的执行过程，具体包括以下步骤：

步骤1，采用可编程继电保护装置与继电保护测试仪组成保护的硬件系统；

步骤2，在计算机以保护元件图形组成继电保护逻辑，在线编译，下载到可编程微机继电保护装置中；

步骤3，采用可编程电源或模拟负载及微机继电保护测试仪，构建设定的故障现象，产生故障源信号；

步骤4，将步骤3产生的故障源信号引入可编程继电保护装置，监测故障源信号的特征量、测试保护逻辑动作执行过程和执行结果。

步骤1中的硬件系统如图1所示，包括故障信号源、可编程继电保护装置、断路器和计算机，所述故障信号源、可编程继电保护装置、断路器依次连接，所述可编程继电保护装置通过RS485与计算机通信连接，所述计算机用于进行继电保护逻辑的编程，所述故障信号源提供继电保护的故障信号源至可编程继电保护装置，所述可编程继电保护装置按照电力系统保护的算法，判断故障状态，执行保护出口跳闸，所述计算同时监测被保护参量的数值变化和逻辑动作过程。

步骤2中的保护元件如图2所示，包括过压元件、欠压元件、过流元件、欠流元件、低频元件、过频元件、谐波分量元件、比较元件、反时限元件、过热原件、滑差元件、方向元件，每一个元件完成一个特定保护功能，相互配合组成继电保护逻辑。

步骤3中故障信号源的产生过程为：采用升流器或电力电子电路，产生独立可变幅值的三相电流,通过调节信号源的旋转手柄或旋钮，可以增加或减少输出电流，改变电流的大小或相位可以构造不同的故障特征，从而得到不同的故障信号源。

步骤4具体包括以下步骤：

步骤4.1，将故障源信号引入可编程继电保护装置

将信号源的电流输出信号Ia、Ib、Ic端口，用连接线接入可编程继电保护装置的Ia、Ib、Ic端口，即将信号源引入可编程继电保护装置，可编程继电保护装置利用自身采样程序将故障电流值读入可编程继电保护装置的内存单元中，便于后续处理；

步骤4.2，监测故障源信号的特征量

可编程继电保护装置将读入的故障电流计算出幅值与相位，变成数字量，一方面用于可编程继电保护装置的过流保护算法模块进行保护计算，另一方面用于在调试计算机上实时显示；

步骤4.3，对保护逻辑动作的执行过程进行测试

在计算上用特定的软件建立工程文档，找出三个过流元件与“或”门连接，再与过流保护投退控制信号KG0、及其下侧的由低电压启动单元以及过流保护投退控制信号KG20组成的低电压启动单元相与，组成低电压过流保护实验程序，然后设置保护的定值，将低电压过流保护实验程序编辑、下载至可编程继电保护装置，最后启动与可编程继电保护装置连接的信号源电源，并将与可编程继电保护装置连接的计算机转入监控与调试模式，观察电流幅值和相位的变化；

步骤4.4，得出执行结果

在信号源电流不断增大的过程中一旦超过该电流的整定值，延时一定的时间，使可编程继电保护装置的输出点置位为高电平，带动实体继电器动作，出口继电器的常开触点接通电力系统跳闸回路，断路器与电力系统断开，起到保护保护实验系统的目的。

步骤4.3中的软件为PLP Shell软件。

本发明一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法，首先搭建继电保护实验系统：采用专用电力系统可调电流源或继电保护测试仪选取故障信号源，取0-5A的三相电流和0-100V的三相电压源，接入可编程继电保护装置的电流Ia、Ib、IC和电压Ua、Ub、Uc的输入端DI端子，选择可编程继电保护装置的一个输出DO端子，作为保护系统的跳闸出口接点，将IPC或笔记本电脑通过RS485与保护装置进行通信连接，搭建好的继电保护实验系统如图1所示。

在IPC或笔记本计算机上的专用软件进行所需保护实验的编程与组态，如图2所示，每一个元件完成一个特定保护功能即保护算法，进行过流保护实验时选取过流元件，配合其他逻辑元件组成过流保护系统。

选择三个过流元件与指定的电流变量Ia、Ib、Ic连接，构成如图3所示的三相电流的检测部分，三个过流元件输出结果通过或门连接在一起，表示只要有一相过流，出口继电器均动作。

变压器的交流测量回路见图4所示，左侧为变压器器高、低压侧电流互感器的配置示意图，右侧为电流互感器展开图，6个互感器接入装置的电流输入端，在装置中形成中性点。

软件编程系统中变压器的差动保护用到差动保护元件的符号和参数如图5所示，其中，

O87P：最小动作量。

SLP1：第一条折线的斜率。它始于原点并与O87P相交于Ir1＝O87P/SLP1。

IRS1：第一条折线的终点Ir值，也是第二条折线的起点Ir值，须大于Ir1。

SLP2：第二条折线的斜率。它必须大于或等于SLP1。

Ids：差动速断电流定值。

其中，O87P和IRS1的值都取变压器额定电流Ie的倍数。

M7D采用双斜率比率差动特性曲线。输入按相别划分，Id1、Id2、Id3为差动电流，Ir1、Ir2、Ir3为制动电流由从绕组输入电流计算而来：

Id＝|I1+I2+I3|，Ir＝0.5(|I1|+|I2|+|I3|)。

差动元件所含动作判据为：

图6为变压器差动保护编程后的逻辑图，由三个差动元件和两个逻辑元件组成，把复杂差动保护编程变成了功能模块的简单连接，此过程类似于传统连线式继电保护系统，但避免了实际继电器复杂接线的繁琐，又有数字保护的准则可视的特点，这是本系统的特点。通过软件的调试功能能观察每个变量的变化过程和动作结果。每个状态变量状态和实际值参如图7所示，变压器三组互感器被测电流的相位监控图如图8所示，其中Iaw1、Ibw1、Icw1为变压器高压侧电流的测量值，Iaw2、Ibw2、Icw2为变压器低压侧电流的测量值，Iaw3、Ibw3、Icw3为变压器计量互感器的数值。

Claims (6)

1.一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法，将基于可编程继电保护装置应用于继电保护的教学实验中，实现在线图形化保护逻辑编程和实时监控被测电量和保护逻辑的执行过程，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，采用可编程继电保护装置与继电保护测试仪组成保护的硬件系统；

步骤2，在计算机以保护元件图形组成继电保护逻辑，在线编译，下载到可编程继电保护装置中；

步骤3，采用可编程电源或模拟负载及微机继电测试仪，构建设定的故障现象，产生故障源信号；

步骤4，将步骤3产生的故障源信号引入可编程继电保护装置，监测故障源信号的特征量、测试保护逻辑动作执行过程和执行结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法，其特征在于，所述步骤1中的硬件系统包括故障信号源、可编程继电保护装置、断路器和计算机，所述故障信号源、可编程继电保护装置、断路器依次连接，所述可编程继电保护装置通过RS485与计算机通信，所述计算机用于进行继电保护逻辑的编程，所述故障信号源提供继电保护的故障信号源至可编程继电保护装置，所述可编程继电保护装置按照电力系统保护的算法，判断故障状态，执行保护出口跳闸，所述计算同时监测被保护参量的数值变化和逻辑动作过程。

3.根据权利要求1所述的一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法，其特征在于，所述步骤2中的保护元件包括过压元件、欠压元件、过流元件、欠流元件、低频元件、过频元件、谐波分量元件、比较元件、反时限元件、过热原件、滑差元件、方向元件，每一个元件完成一个特定保护功能，相互配合组成继电保护逻辑。

4.根据权利要求1所述的一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法，其特征在于，所述步骤3中故障信号源的产生过程为：采用升流器或电力电子电路，产生独立可变幅值的三相电流,通过调节信号源的旋转手柄或旋钮，可以增加或减少输出电流，改变电流的大小或相位可以构造不同的故障特征，从而得到不同的故障信号源。

5.根据权利要求1所述的一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤4.1，将故障源信号引入可编程继电保护装置

将信号源的电流输出信号Ia、Ib、Ic端口，用连接线接入可编程继电保护装置的Ia、Ib、Ic端口，即将信号源引入可编程继电保护装置，可编程继电保护装置利用自身采样程序将故障电流值读入可编程继电保护装置的内存单元中，便于后续处理；

步骤4.2，监测故障源信号的特征量

可编程继电保护装置将读入的故障电流计算出幅值与相位，变成数字量，一方面用于可编程继电保护装置的过流保护算法模块进行保护计算，另一方面用于在调试计算机上实时显示；

步骤4.3，对保护逻辑动作的执行过程进行测试

在计算上用特定的软件建立工程文档，找出三个过流元件与“或”门连接，再与过流保护投退控制信号KG0、及其下侧的由低电压启动单元以及过流保护投退控制信号KG20组成的低电压启动单元相与，组成低电压过流保护实验程序，然后设置保护的定值，将低电压过流保护实验程序编辑、下载至可编程继电保护装置，最后启动与可编程继电保护装置连接的信号源电源，并将与可编程继电保护装置连接的计算机转入监控与调试模式，观察电流幅值和相位的变化；

步骤4.4，得出执行结果

在信号源电流不断增大的过程中一旦超过该电流的整定值，延时一定的时间，使可编程继电保护装置的输出点置位为高电平，带动实体继电器动作，出口继电器的常开触点接通电力系统跳闸回路，断路器与电力系统断开，起到保护保护实验系统的目的。

6.根据权利要求5所述的一种基于图形化数字可编程继电保护实验的教学方法，其特征在于，所述步骤4.3中的软件为PLP Shell软件。