【电力期刊】微机保护装置中PLC功能的实现和应用.pdf

第2 7 卷第2期 2 007年 2月 电 力 自 动 化 议 备 E l e c t ri c POw e r A u t o m at i o nE q u i p m P n t V o l . 2 7N o . 2 F e h . 2 0 0 7 曲 微机保护装置中 P L C功能的实现和应用 谢志迅， 徐礼葆 ( 西门 子电力自 动化有限 公司， 江苏 南 京 211 1 00) 摘要: 提出了 一种结合电力 微机保护和可编程逻辑控制器(PLC) 2 种自 动化设备各自 优点的新方 法， 从功能实 现的基础上看这2 种装置有很大的相似之处， 具备互相融合的条件、 一定规模的可编程 逻辑， 从而方 便用户实 现现场的复杂闭 锁和特殊 要求。 分析了2 种装置的 软、 硬件框架和实 现方案， . 给出了P L C 平台和传统微机保护平台的差别和合并的可行性， 并介绍了 在微机保护装置中增加P L C 功能的具体方法， 所有方案都 在相应平台 上做过测试。最后， 介绍了 西门 子保护的P L C 功能( C F C ) 及其应用模式的灵活性。 关键词: 微机保护装置; P Lc; 嵌入式 操作系 统; 编译; 虚拟机; c F c 中图 分类号: T M7 7 4文献标识码: A文章编号: 1 0 0 6 一 6 0 4 7 ( 2 0 0 7 ) 0 2 一 0 1 2 1 一 0 3 在工业自 动化领域， 电力微机保护和可编程逻 辑控制器( P L C)一直被分为2 类不同的产品， 微机 保护的主要功能是为了保护电力运行设备， 而P L C 是为了 实现更广泛意义上的工业流程自 动化。其实 从功能实现的基础上看两者有很大的相似之处， 只 是侧重点不同。 经过多年的发展， 2 种产品 都已 经非 常成熟， 性能和功能上也都有很大提高， 在某些具体 应用上也开始互相融合， 比 如有工业自 动化用户使用 P LC实现简单的设备保护功能， 而国外多数微机保 护厂家( S i e m e n s 、 A B B 、 A R I V A ) 也都实现T一定规 模的可编程逻辑， 从而方便用户实现现场的复杂闭 锁和特殊要求。 1 装置框架 其实 在很多 年以 前， 国 外的 一 些大厂家就已 经开 始重视工业自 动化装置的 发展方向， 由于汲取了微电 子技术的革新， 推动了软件硬件化和硬件软件化的思 想， 使得装置功能可编程在工业自 动化中的应用前景 越来越广阔， 下面是传统的平台框架。 PLC 平台: 硬件设计采用多种性能级别， 面向不 同 规模的 应用川 ; 软件采用大循环( ro b inro und)调度 机制， 全局模块有初始化、 冷/ 热启动、 定时中断处理 等， 子模块循环顺序如图1 所示。 传统保护平台: 硬件设计性能采用多种性能级 别， 面向不同的保护功能; 软件采用大循环调度机 制， 全局模块有初始化、 定值处理转换、 定时中断处 理等， 子模块的 循环顺序如图2 所示。 从以 上2 种平台的结构上看， 两者有很大的相似 之处， 都是采用大循环调度， 子模块间一般都采用标 志来交互信息， 只在数据类型和具体处理上有着专业 上的不同， 如果可以在保护装置中 加入逻辑执行模 块， 就可以结合P L C的灵活性以 及微机保护的专业 收稿日期: 2 (X)6 一 07一 2 0 图 IP LC 平台软件流程 F i g . ISoft w are e x e c u t i o n ll o wo np L Cp l a tfo rm 图 2传统保护平台软件流程 F i g . ZS o ft ware e x e c uti o nfl o wo n t ra d i t i o n a l p ro t e c t i o np l a iform 性， 从而得到一个应用范围 更广泛的保护装置。 然而， 采用标志和 指针来交互信息在装置程序规 模比 较小的情况下可以很好地完成任务， 一旦程序规 模增大， 或者装置希望增加一些复杂功能， 这种架构 则会越来越难以实现和维护。那么在保护平台上增 加可编程逻辑功能就显得格外困 难， 因此也要求在软 件架构上更好地支持子模块的独立运行和数据交互。 具体的方法可以 是: 硬件上采用较高性能的平台， 从而支持一定规模的可编程逻辑数据的加入和平台 运行速度的提高， 软件上采用嵌人式操作系统构架， 将大循环的子模块改造为相对独立的具有不同优先 权级别任务， 任务之间通过消息和事件传递数据和信 曲 电 力 自 动 化 议 备第 2 7卷 息。执行流程如图3 所示。 多任务执行，事件和消息交互环境 图3新型保护平台软件执行流程 F i g . 3S o ft w a re e x e c u t i o nfl o w o nn e wP ro t e c t i o np l a t fo rm 从保护装置的最终实现上看， 引人嵌入式操作系 统在装置执行效率上并无建树， 但在灵活性、 易维护 性和可扩展性上则有很大优势( 也有利于装置构建 协议栈实现IEC 一 618 50等复杂通信规约) ， 为在保 护装置中嵌人P L C功能提供了良好的支持。 d . 调试命令的处理和虚拟机的状态跟踪。 有了 嵌人 式 操作系统的支持， 装置的 功能可以 做 成相对独立的子任务4 ， 因此P L C 功能的加入也就 成为一个P L C 子任务的实现。该任务可以按功能细 分为以下3 个模块: a . 虚拟机模块用于解释执行P L C代码段， 即解 释执行上位机编译好并下载到装置特定位置的中间 代码， ; b . 算法库模块存放了基本的以及用户特殊要 求的算法块供虚拟机调用来完成相应的功能， 并可 以扩展; c . 调试模块建立通道与上位机通信， 接受调试 命令并返回虚拟机状态以及内部数据的内容供上位 机调试终端显示。 2 实现方案 P L C技术的实现主要在于编辑、 编译和执行3 个 部分2 ， 编辑和编译部分是由上位机完成， 而执行部 分在装置中完成， 其中 执行部分可以作为独立任务嵌 人到保护装置中3I 。另外， 一个完整的PLC系统还 需要支持在线调试， 这个功能与上位机及装置都有关 系。总的实现结构如图4 所示。 图4P L C功能在微机保护装置中的实现结构 F i g . 4R e a l i z a t i o ns trUc t u re o f P L Cfu n c t i o n i nm i c ro P ro c e s s o r- b a s e d p r o t e c t i o n 在上位机上P L C功能的实现主要有: a . 采用IEC 6lI31 一 3(梯形图、 功能块图、 顺序功 能图或结构化文本) 的 标准语言作为编程语言; b . 采用双向图分析或有限自动机进行编译生成 中间语言; c . 上位机调试界面命令传递和逻辑代码编程语 言反编译定位。 在保护装置中P L C功能部分的实现主要有: a . 执行引擎采用“ 虚拟机” 解释执行， 与具体硬 件脱离; b . 输人、 输出和虚拟机之间内部数据的交换; c . 保护逻辑中间数据和虚拟机中间数据交换; 3 应用 以西门子公司的多功能数字保护装置7 SJ64为 例 ， 介绍在微机保护装置中引入了P L C思想的最 直接的应用。 3 . 1 装置输入、 输出的可编程配置和C F C 应用 在西门子公司的保护装置中很早就引人了输人 输出配置矩阵和C F C ( C o n t i n u o u sF u n c t i o nC h a rt ) ， 通过输人、 输出矩阵的配置， 输人、 输出信号可以 从物理通道上脱离， 与逻辑上的“ 信息” 相关联， 而不 关心信号具体是从哪一个通道来， 出口 也只是输出 “ 信息” ， 具体对应到哪一个触点动作由相关的矩阵 任务去对应。 C F C功能是一个图形界面， 可以实现可编程逻 辑和信息关联， 从而实现闭锁逻辑、 开关顺序操作、 遥测限 值监视等功能。因此， 用户可以在现场灵活地 配置逻辑和出口 6 ， 简化了 工程设计人员的 工作量。 C F C 支持的信息类型有断路器位置、 模拟量、 开 关量、 保护状态、 常规消息和中断等; 支持的逻辑功 能有算术、 比 较、 常规逻辑、 信息状态、 内 存、 控制命 令、 类型转换、 工程量转换以及定时器和时钟等。 3. 2 灵活保护功能的实现 传统的保护功能是根据单一的继电保护原理配 置的， 用户可以配置的参数有保护功能的使能开关、 定时器参数、 比 较逻辑阀值、 出口 类型， 以 及与其他 保护、 监控参量的闭锁开关。 灵活保护功能 是基于通用的保护逻辑， 通过 参数配置从而实现个性化保护原理的功能， 是对传 统保护的一大补充。 灵活保护功能支持C F C逻辑编 程， 支持测量量的配置， 包括信号类型为电流、 电压、 频率、 功率( 有功、 无功) 、 开关量等; 运行模式为一相 7 S J 6 2 一 64Janu a les A 7 _ V 以6 1 0 1 _ U S . S I E M E N S叮DE AM a n u al ， 2 00 3. SI P R O TEC4 7 sJ 68微机综合保护测控装置用户手册1 .0 版， 2 005. 第 2期谢志迅， 等: 微机保护装置中PLC 功能的实现和应用砌 或三相; 以及测量输出 为 基波幅 值， 真有效值， 正、 负 或零序分量等， 并提供了 一个通用的保护判据逻辑 而且支持多达20个功能模块， 从而构建用户自己的 保护应用。 总而言之， 尽管在功能上微机保护和PLC Z 种产 品应用场合不同， 也不可能完全相互替代， 但在微机 保护装置中引人P L C技术可以带来的好处有: 氏扩展了 产品的 保护 功能， 便 于 用户为自 己的 特 定需求定制保护逻辑; b . 减少厂家非标准产品种类， 便于生产管理和 工程服务; c . 降低用户建设和改造成本。 4 结论 如今在微机保护的传统功能上， 国内产品与国 外产品的差距已经不大川 ， 甚至在某些方面优于国 外产品， 而且在价格和服 务上也有 优势， 而国 外产品 的优势正是在于其灵活性及在国 际标准的引领上。 目 前， 由于国内微机保护的 应用在可编程逻辑 功能上的 需求还不是很强烈， 多数装置厂家尚没有在 产品中引人该功能， 但随 着与国 际 市场的 接轨， 国内 外知名厂家产品之间的竞争势必会引起国内同行在 这方面功能的加强。所以对于任何一个从事电力系 统微机保护产品的厂家， 要提高自 身的竞争力， 都有 必要重视微机保护中的 可编程逻辑功能， 这对用户在 装置的应用上有利， 是一个值得推广的方向。 参考文献: 【 1 姜 义 . P Lc可编 程序控制器 J . 机械工 人 . 冷 加 工， 2 Xx ( 5): 31一 3 3. J I A N G Y i . Pro孚 a n l ll la b l el o gi cc o ni ro l l e r J . M ach i n i st M e t al C u tt i n g ， 2 创 洲 ) ( 5 ) : 3 1 一 3 3 . 2 吕 俊白. 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( 责任编辑: 李 玲) 作者简介: 谢志 迅( 1 974 一 ) ， 男， 江苏无锡人， 硕士， 从事电力自 动化 系统及其保护测控装置的研发工作( E m ai l : zhi xun . xi e s i e m e n s . c o m) ; 徐礼葆( 1 9 79一 ) ， 男， 安徽石台 人， 硕士， 从事电力自 动化 系统及其保护浏控装里的研发工作。 R e a l i z a t i o na n da P P l i c a t i o no fP L Cfun c t i o ni n mi c r o P r o c e s s o r b a s e dP r o t e c t i o n X I EZ h i 一 x u n ， X UL i 一 b a o ( S i e m e n sP o w e rA u t o m a t i o nC o . ， Lt d . ， N anji n gZ l l l 0 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t : An e wm e t h o dt oc o m b i n eb o t ha d v a n t a g e sOfe l e c t ri cP o w e rm i c ro p ro c e s s o r 一 b a s e d p ro t e c t i o n a n d PLC( P r o 脚m m a b l e肠g i cC o n t ro l l e r )i sp ro P o s e d .A c c o rd i n gt ofu n c t i o n re a l i z a t i o n ， t w o e q u i p m e n t sares i m i l ar， w h i c h m a k e st h e i ra g 脚g a t i o n p o s s i b l e ， a n d b o t h c o n t a i np ro g r a m m a b l el o gi c ， w h i c he a s i e st h er e al i z a t i o no fc o m p l e xi n t e rl o c k i n ga n ds p e c i a l re q u i r e m e n t so nfi e l d . 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