（广东电网有限责任公司东莞供电局 广东东莞 523120）
摘要：为了配合变电站中继电保护装置功能试验，在PC监控机上开发PLC出口矩阵的检测试验软件，使PC监控机完成继电保护装置的出口校验与计算功能，研究和设计了具有多达32路通道进行同步接入检测且每个采样通道设置有相互独立的判别程序和共同的处理程序。本文简述了PLC控制程序的体系结构及运行系统的功能，介绍了PLC为主体的测试仪系统的硬件结构和信号处理过程，设计中采取电磁兼容的处理方法，减少保护装置出口信号的干扰。现场试验表明，该套继电保护装置出口状态检测仪功能完善，具有良好的变电站应用价值。
关键词：PLC控制器；跳闸矩阵；多通道处理
0 引言
继电保护装置是指当电力系统中的电力元件或电力系统本身发生了故障危及电力系统安全运行时，能够向运行值班人员及时发出警告信号，或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令以终止这些事件发展的一种自动化措施和设备。随着电力系统不断发展，电网架构日益复杂，继电保护装置的出口配置复杂多变，特别是主变、母差、安稳、备自投等同时具有多路出口回路的保护装置不断增加，其出口动作的正确性直接影响到整个电网系统的可靠稳定运行。
传统的继电保护装置动作出口检测手段，需要对所有出口控制字或跳闸矩阵的正确性逐一进行测试，校验其每个逻辑的动作出口均满足要求。由于较为复杂的保护逻辑的保护装置（如主变保护装置[1]）出口较多，在一项保护定检中需要花费大量时间进行出口电位的测试，然后根据各个出口电位的特征值组合一起才能完成一个跳闸逻辑的出口矩阵的计算，最终确认该逻辑的出口是否正确。可见，逐一对各跳闸出口进行电位测试的工作量大，同时存在某一个出口测试本身的错误率，这样不利于保护装置的正常运行。因此，为保证继电保护装置的所有出口动作结果能达到全面准确校验，提供一种多功能保护出口状态检测手段，实现同步检测出口控制字及跳闸矩阵结果测试是非常有必要的。
本文介绍了一种多功能保护出口状态检测仪系统的设计方法，该检测系统具有运算速度快、接口扩展灵活方便、可靠性高、易于维护，可快速准确全面地检测保护动作情况的特点。
1 PLC软件功能
多功能保护出口状态检测仪系统的控制算法，包括I/O箱、工控机PLC、人机界面、模拟量幅值转换模块、开关量驱动隔离模块，I/O箱与工控机PLC通过通讯电缆连接并进行数据交换，工控机PLC连接有人机界面的显示接口程序。如图1所示。
图1系统结构框图
系统中每一个模块依据工控机PLC中的控制算法完成相应的功能，以组成整套多功能保护出口状态检测系统：
(1)I/O箱分别与模拟量幅值转换模块及开关量驱动隔离模块相连接，完成数据的底层处理；
(2)模拟量幅值转换模块设有计时触发接口，以便在软件中使测试仪实现与保护装置故障同步触发功能。当保护装置检测到故障时，保护装置的触发脉冲会满足软件的判别程序，进而程序进入计时阶段以便计算跳闸动作时间；
(3)I/O箱内部设有工控机PLC循环扫描模块、同步处理模块及状态检测模块，各功能模块通过总线连接，由总控制器PLC程序实现相互通讯与控制：对有源接点回路，采用单端引入法，利用二次共地端，通过检测接点动作端对地电平的变化，实现对保护出口结果的判别；
(4)测试仪的人机界面程序可对每一通道进行单独配置或组合关联，使其与被测保护出口回路的实际配线相匹配，自动计算生成并显示相应逻辑出口控制字或跳闸矩阵结果；
(5)模拟量幅值转换模块提供多达32路通道进行同步接入检测，每个采样通道设置有相互独立的判别程序和共同的处理主程序，当输入的数据量满足判别程序后，为该数据设置一个标识，由主程序完成数据处理，最后将处理结果赋值给该标识的显示程序。
2 系统结构
测试仪系统采用三菱FX3U PLC循环扫描的方式进行信号采集，配置一块电容式触摸屏进行人机交互操作，能够及时响应继保装置动作出口时序，计算得出其出口动作矩阵。
继保装置跳闸矩阵具有动作出口选择性、时序性与电平性等特征：当供电线路发生故障时，继保装置根据其内部逻辑进行故障类型判别，最后以其所设置的出口矩阵定值进行正确的出口动作，动作正确且灵敏地切除线路该处故障，并且其出口动作电平大小与时序性满足切除故障需要。
根据继保装置动作出口的电平大小，测试仪系统除了配置接点输入的采样通道以外，还增加考虑电平开入的输入通道。这样系统就可在继保装置正确动作后采集其动作出口的开入量，进而完成装置跳闸矩阵的计算。系统电平输入通道的原理图如图2所示。
图2 装置信号采样原理图
系统电平输入通道中，一端是继保装置出口的共地端，另一端为继保装置压板电平出口。当继保装置的电平动作出口时，电平信号输入至由电感L6、L4、C2组成的LC滤波回路，这样伴有许多干扰信号的出口直流电平信号中的交流干扰信号将被电容变成热能消耗掉，然后变得比较纯净的直流电平信号再通过电感时，其中的交流干扰信号也被变成磁感和热能，频率较高的最容易被电感阻抗，这就可以抑制继保装置动作出口信号中较高频率的干扰信号。同样地，电平信号输入至电平处理芯片WRF2412P-6WC7后变 为开关量信号，再次经由LC滤波回路后，最终点亮信号指示功能的二极管L1，输入至工控机PLC的输入接口进行程序处理。
测试仪的工控机PLC中设置了一个以Modbus协议的串行通信接口，用以实现工控机PLC与人机界面数据传输，同时实现程序编辑与运行状态监测。如图3所示。
当继电保护装置检测到故障，并且正确动作出口后，跳闸出口的输出电平模拟量经过工控机的输入量接口模块后，转换出PLC采样所需的电气量信号，PLC控制程序根据所采样得到的电气量进行数据组合计算（不同的跳闸出口对应不同的数据位，待数据位确定后计算出整组的跳闸矩阵），然后根据计算结果通过数据总线传输至人机交互界面显示。
跳闸矩阵定值为十六进制数，定值中在需要跳闸的开关位置“1”，其它位置“0”，则可得到该开关元件出口的跳闸方式。因而，PLC工控机的程序不仅采样出口压板的电气量“1”，还需采样出口压板的电气量“0”，这样才能避免跳闸方式误判别。对于电气量“1”或“0”的判别，PLC工控机的前置模块应配置光耦模块，进行光电耦合，组成抗干扰回路，为PLC程序执行提供高精度的采样量。
PLC程序采用循环扫描方式的梯形图编写，工控机在每一运算周期内均进行测试仪端口的一次扫描，每当其中一个端口电平发生变化，其相应的检测模块更新程序的数值置位。这样，测试仪实现了在一个设定的检查时间段内检测保护装置动作出口的电平变化，进行在内部计算中数值结果组合，形成保护装置的跳闸矩阵的显示结果，校验保护装置的定值配置。
3 软件设计
本测试仪PLC软件的控制系统接上电源后将进入设置与结果显示界面，如图4所示。
图中“时间触发”按钮用以触发PLC程序的计算模块，当PLC进入程序执行模块时，控制系统将计算比较输入至测试仪的I/O信号量，进而计算得出本次保护装置跳闸的矩阵结果，最后调用结果显示程序将结果显示于主画面。“清除记录”按钮用于清除当前测试仪的测试结果，以便后续的下一次测试的开始。“报警信息”按钮用于查看当前测试的报警报文，其中包括PLC运行的状态信息。“设置画面”按钮用于进入设置画面，如图5所示，在该画面中可以配置通道的组合（在跳闸矩阵为多个I/O通道组合的情形下使用），也可以设置PLC控制软件检测计算的持续时间，保证PLC程序判断的实时性与适用性。
继电保护装置出口压板的每个出口延时是独立的[1]，在软件计算的时间设置方面需要同时考虑所有出口状态，即所设置的计算持续时间需要大于所有出口延时的最大值，待跳闸出口完成后软件进行开入量检查，进而计算出跳闸矩阵的值，最后调用人机交互界面的显示程序将跳闸矩阵数值显示出来。
测试仪程序按照硬件模块进行逐项编程，适用于继电保护装置的跳闸动作接点测试，但根据保护装置的动作时延和出口方式，可有不同配置方法：1）当保护装置只有一个出口，那么测试仪可设置一个通道运算即可；2）当保护装置拥有多于测试仪的显示配置出口，那么需要测试仪选择通道，将多个通道组合在一起作为其中一项计算。
4 关键技术
本多功能保护出口状态检测仪系统，包括I/O箱、工控机PLC、人机界面、模拟量幅值转换模块、开关量驱动隔离模块。其中，外围设备包括模拟量幅值转换模块、开关量驱动隔离模块以及人机接口的终端设备。模拟信号的转换原则是将保护装置跳闸回路输出至测试仪的高压大信号转换为控制核心可接收的低压小信号，以供使用；开关量信号接口主要完成输入输出信号的隔离、驱动和扩展功能；人机接口的终端设备作为人机界面，显示设备运行数据和下传操作命令，以显示矩阵测试的跳闸动作矩阵结果。
工控机PLC程序是控制系统的运算控制核心，以循环扫描的方式接收I/O箱回馈的系统运行参数，将控制信号发送至脉冲定位模块。I/O箱对信号进行初步处理，例如将模拟输入信号转换为数字信号，将开关量的动作转换成逻辑信号，以供工控机使用。同时I/O箱通过同步处理模块接收保护装置故障同步触发信号，处理后作为控制系统计算和脉冲触发的时刻基准。
本PLC控制软件是一个应用研究型课题，其目的是借鉴当今工业控制领域以广泛应用的PLC控制技术，在各种设计方法、设计思路并存的今天，寻求一种PLC在变电站现场调试保护装置跳闸出口的方法。
本PLC控制软件在对比、综合各种设计方法的基础上，重点提出了一整套PLC在变电站现场调试保护装置跳闸出口的设计步骤和方法。从系统的硬件选型、设计到软件的设计方法，重点对比讨论了系统软件设计的经验设计法、时序图法、逻辑设计法和顺序控制状态设计法，总结出了经验设计法适用于简单的、原有的继电器触点的保护装置出口跳闸检测技术的改造控制。根据当前变电站保护装置跳闸出口的情形，选用梯形图编程的PLC控制器作为主要控制核心，有效地减少了编程难度与开入量检测的问题，软件选取恰到好处。与现有技术相比，使用本软件程序控制系统的测试仪有益效果是：具有运算速度快、接口扩展灵活方便、可靠性高、易于维护，可快速准确全面地检测保护动作情况的特点。
针对本软件本身的改进，可以选取控制器速度较高的DSP为控制内核，这样I/O端口的数量有了质的提高，而且凭借DSP的计算速度，本软件的控制算法计算精度也会有很大提高，更加适用于变电站现场保护装置动作跳闸出口的时间延时检测，有利于现场工作人员的有效工作。
5 结束语
本文对变电站现场调试保护装置跳闸出口的方法进行了介绍，描述了保护装置出口测试仪控制器系统工作的基本过程，并采取电磁兼容的处理方法，减少保护装置出口信号的干扰，成功研制了一套继电保护装置出口状态测试。现场试验表明，该套继电保护装置出口状态检测仪功能完善，具有良好的变电站应用价值。
参考文献
[1] 南京南瑞继保电气有限公司.保护装置说明书[M].
作者简介
叶礼清（1984-），男，硕士，工程师，研究方向为电力电子与电力传动。
骆树权（1982-），男，本科，工程师，研究方向为电力系统自动化。
王映雯（1986-），女，本科，助理工程师，研究方向为电力系统自动化。
论文作者:叶礼清,骆树权,王映雯
论文发表刊物:《电力设备》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/27
标签：保护装置论文; 电平论文; 矩阵论文; 信号论文; 动作论文; 测试仪论文; 模块论文; 《电力设备》2017年第21期论文;