基于PLC的繼電保護裝置的過流保護設(shè)計

王玨

（山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西省太原市 030021）

電力系統(tǒng)的繼電保護裝置是一種能夠自動檢測、識別故障并終止系統(tǒng)運行的設(shè)備，對電力系統(tǒng)的安全運行有著至關(guān)重要的作用。電力系統(tǒng)對繼電保護裝置運行可靠性、穩(wěn)定性的要求極高，但是在我國電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的繼電保護裝置是依靠動作值的整定計算進行工作的，并且是通過最小運行方式對靈敏度進行檢驗，這些特點使得傳統(tǒng)繼電保護裝置對電力系統(tǒng)的整定保護時間過長，無法在短時間內(nèi)檢測出電力系統(tǒng)的故障，并且繼電的保護時間也是十分有限的。這種情況主要是由于傳統(tǒng)的微機保護自動化水平較低，無法實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的動態(tài)檢測和保護。要想實現(xiàn)對電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的動態(tài)檢測和保護，必須充分利用PLC 來構(gòu)建繼電保護裝置，并做好基于PLC 的繼電保護裝置的過流保護設(shè)計。

1 PLC概述

PLC 指的是可編程邏輯控制器，可以通過利用可編程的存儲器對程序進行存儲，并執(zhí)行相應(yīng)的順序控制、運算等面向用戶的指令，最終實現(xiàn)對機械、生產(chǎn)過程的自動、有效控制?？删幊踢壿嬁刂破饔布Y(jié)構(gòu)和當(dāng)今的微型計算機基本一樣，可以看作是一種專門用在工業(yè)，進行生產(chǎn)控制的計算機?？删幊踢壿嬁刂破骶唧w由電源、中央處理單元、存儲器、輸入和輸出接口電路以及功能模塊構(gòu)成。其中電源是可編程邏輯控制器的基礎(chǔ)，沒有一個可靠的電源支撐，可編程邏輯控制器將無法正常、穩(wěn)定運行。中央處理單元是可編程邏輯控制器的核心，可以通過中央處理單元來接收、存儲用戶的數(shù)據(jù)信息，并對其他部分的狀態(tài)進行檢查，識別用戶程序中的錯誤。對于大型的可編程邏輯控制器來說，僅靠一個中央處理單元進行運行是遠遠不夠的，可靠性會很低，在這種情況下，可以采用雙中央處理單元構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或者采用三中央處理單元構(gòu)成表決式系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)中某一個中央處理單元出現(xiàn)故障問題時，整個可編程邏輯控制器還可以正常、穩(wěn)定運行，可靠性得到了極大提高。

可編程邏輯控制器主有著許多的優(yōu)點，比如其采用的編程語言通常是比較簡單明了的邏輯圖、梯形圖，不需要較為復(fù)雜的計算機知識，開發(fā)整個系統(tǒng)耗費的時間短，調(diào)試起來也十分簡單，當(dāng)發(fā)現(xiàn)編寫的程序存在問題時，工作人員可以在線對程序進行修改，不必拆動硬件去對控制方案進行更改?？删幊踢壿嬁刂破骼密浖〈藗鹘y(tǒng)繼電器中的時間繼電器、中間繼電器，只保留了極少的硬件元件，大大減少了由于這些繼電器觸點接觸不良而引發(fā)的故障問題，整體的抗干擾能力很強，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場這種干擾強烈的環(huán)境下仍可穩(wěn)定運行。此外，可編程邏輯控制器的維修保養(yǎng)也十分簡單、方便，當(dāng)出現(xiàn)故障問題時，工作人員可以依靠編程器反饋而來的信息及時找到故障所在，明確故障成因，確?？梢约皶r解決掉故障問題。

圖1

圖2

2 基于PLC的繼電保護裝置的過流保護設(shè)計

繼電保護裝置是一種能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)運行狀況進行自動檢測，對故障問題進行自動報警的設(shè)備，并且還可以自動控制斷路器跳閘，能夠?qū)崿F(xiàn)對電力系統(tǒng)的自動、有效保護，極大提高電力系統(tǒng)運行的可靠性、穩(wěn)定性以及安全性?；赑LC 的繼電保護裝置必須在穩(wěn)定性、選擇性、瞬時動態(tài)性以及靈敏性四個方面達到要求，確保能夠提升電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)對電力系統(tǒng)運行狀況的實時監(jiān)控。需要注意的是，不同工廠對繼電保護裝置的要求是不同的，實際的保護原理以及需要使用的編程語言、算法往往也不同，在編寫繼電保護軟件程序時，必須結(jié)合工廠電力系統(tǒng)的實際情況進行。本文分析的可編程邏輯控制器是以S3C2510 芯片為虛擬系統(tǒng)，有著能耗低、數(shù)據(jù)處理速度快、功能豐富的優(yōu)點，能夠?qū)⒉煌牟僮鲃澐殖刹煌膱?zhí)行優(yōu)先級，能夠幫助繼電保護裝置對電力系統(tǒng)的運行進行實時的檢測和保護。

開展基于PLC 的繼電保護裝置過流保護設(shè)計，首先需要對電力系統(tǒng)的實際情況進行細致分析，在本設(shè)計中主要采用的是多代理機制，將基于PLC 的繼電保護裝置過電流保護機制劃分到工廠中的每一個區(qū)域，具體的斷路器、可編程邏輯控器分布如圖1 所示。

圖1 中的PLC1、PLC2、PLC3、PLC4 四臺控制單元通過現(xiàn)場總線進行連接，最終構(gòu)成齊全的控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的有效控制。不同區(qū)域的PLC需要通過控制總線來和控制上機位進行連接，依靠上機位具有屏蔽功能的雙絞線來實現(xiàn)基于PLC 的繼電保護裝置的通信功能。

過電流保護具體是指當(dāng)線路中的電流超過預(yù)定的數(shù)值時，能夠控制保護裝置動作，保護電力系統(tǒng)安全。在進行基于PLC 的繼電保護裝置過流保護設(shè)計時，需要進行一系列的線路整定計算和靈敏度的檢驗，確保后續(xù)的過流保護設(shè)計有著極高的科學(xué)性和可行性。進行的線路整定計算主要有以下幾點：

（1）電流繼電器的整定計算。這一過程需要按照躲過變壓器的額定電流來對電流繼電器的動作電流進行整定，具體公式如下：Iop=（KrelIn）/（KrNa），其中Krel 指的是可靠系數(shù)，取值為1.2，Kr 是返回系數(shù)，取值在0.85～0.95 之間，In 指的是變壓器的實際額定電流。

（2）靈敏系數(shù)檢驗。繼電保護裝置靈敏系數(shù)檢驗和不帶低電壓閉鎖的過電流保護一樣，需要按照Ksen=Uop/（Ur.max/Nv）公式進行計算，Ur.max 指的是在運行過程中靈敏系數(shù)檢驗點出現(xiàn)金屬性相間短路時在保護安裝處的最高殘壓。

（3）低電壓保護整定值Udzj=Umin/KkKhNy=0.9Ue/KkKhNy。

（4）保護裝置的動作電流整定值Idzj=KkKjxIgh/KhN1。

基于PLC 的繼電保護裝置的過電流保護設(shè)計原理展開圖如圖2所示。

在整個電路正常的情況下KV1、KV2、KV3 三個低電壓繼電器的常閉觸點是處于斷開位置的，并且KA1、KA2 兩個過電流繼電器的常閉觸點也是處于斷開位置的。當(dāng)線路電流超過了繼電器動作電流的整定值，系統(tǒng)電壓不變時，KA1 和KA2 常開觸點會閉合，但是由于系統(tǒng)電壓不變，三個低電壓繼電器不會釋放，中間繼電器不會吸和，這也就使得斷路器QF 保持在原狀態(tài)，不會跳閘。只有系統(tǒng)電壓出現(xiàn)了顯著下降并且線路電流超過了繼電器動作電流的整定值，KV1、KV2、KV3 三個低電壓繼電器釋放，KA1、KA2常開觸點閉合后，才會使得斷路器QF 動作。在這種情況下KV1、KV2、KV3 的常開觸點閉合，KC1 中間繼電器得到電流使得常開觸點閉合，并且KT 時間繼電器也會得到電流，KT 時間繼電器在得到電流后其常開觸點會延時閉合，最終接通斷路器QF 中的跳閘線圈YR，使得斷路器QF 跳閘，中斷整個電路。

3 基于PLC的繼電保護裝置的過電流保護設(shè)計可行性分析

在基于PLC 的繼電保護裝置的過電流保護設(shè)計中，通信狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息主要通過上位機獲取，斷路器跳閘的指令主要通過各個可編程邏輯控制器獲取。通過對這些數(shù)據(jù)信息進行收集，可以有效掌控電力系統(tǒng)各部分的運行狀態(tài)，并實現(xiàn)配電系統(tǒng)和檢測機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)交換，如果斷路器無法正確斷開，可以通過控制單元來自動搜索附件的斷路器，從而有效控制系統(tǒng)的斷開，有效保護電力系統(tǒng)的安全。此設(shè)計中的網(wǎng)絡(luò)通信模式是CAN 拓撲結(jié)構(gòu)，這種通信結(jié)構(gòu)最遠的通信距離可以達到10KM，信號的最大傳輸速度可以達到1Mbps，而工廠中220KV 主降壓變壓器到各個生產(chǎn)車間的平均距離大約為1KM，所以說各個可編程邏輯控制器的機位都屬于CAN 拓撲結(jié)構(gòu)的范圍中，信號在范圍內(nèi)傳遞的速度也能夠達到國家相關(guān)的標準。

4 總結(jié)

本文設(shè)計的基于PLC 的繼電保護裝置過電流保護相對比較簡單，只是能夠?qū)崿F(xiàn)對一些比較常規(guī)的PLC 編程的需要，無法有效滿足繼電保護系統(tǒng)多樣性的需求.對本設(shè)計系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性還需要進行進一步的驗證，尤其是對繼電保護裝置的實時動態(tài)性能。