基于PLC實現的低壓三進線 三母聯備自投系統

王亮寬

（杭州德力西集團自動化公司，杭州 310023）

1 引言

為保證供電的可靠性，特別是大型醫院，電力系統經常采用2個或2個以上的電源進行供電，并且相互之間采取適當的備用方式。當工作電源失去電壓時，備用電源由自動裝置立即投入，從而保證供電的連續性，這種自動裝置稱為備用電源自動投入裝置，簡稱備自投。

110kV及以下等級的變電站一般都采用了備用電源自動投入裝置。傳統的備用電源自動投入裝置采用各種繼電器、接觸器、開關及觸點，根據不同的運行方式構成相應的備自投回路，其特點是價格便宜但設備體積大，開關動作慢，功能較少，接線復雜，觸點易損壞，改接麻煩，靈活性較差。近幾年普遍采用的是微機型備用電源自動投入裝置，其特點是有完善的故障邏輯判別和可靠的故障響應，維護方便，但一般采用預制的摸式，只能用于典型的進線自投或分段自投。隨著現代電力工業的發展和電網的建設改造，電力系統的規模越來越大，結構越來越復雜，性能要求越來越高，備用電源自動投入裝置的邏輯關系也越變復雜。傳統的備用電源自動投入裝置和微機型備自投裝置（即預制的摸式）已很難滿足現場千變萬化的要求。可編程控制器（PLC）是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、半導體集成技術、自動控制技術、數字技術和通信網絡技術發展起來的一種通用工業自動控制裝置。該裝置采用可編程控制的存儲器存儲用戶指令，用軟件編程實現確定的邏輯、順序、定時、記數、運算和一些特定的功能，通過數字或模擬量的輸入/輸出來控制各種類型的生產過程。相比繼電器控制，具有通用性強，靈活性好，接線簡單，功能強，易擴展，可靠性高，抗干擾能力強，定時準確，定時范圍寬等優點，從而逐步取代了傳統的繼電器控制。由PLC構成的備用電源投入裝置相對靈活、多變，可根據電力系統的運行方式，通過編程完成各種復雜的邏輯和功能，最大限度的滿足不同的現場要求。

2 備用電源自動投入裝置的基本原則[1]

（1）當工作母線上的電壓低于設定的無壓定值，且持續時間大于時間定值時，備自投裝置方可啟動。備自投的時間定值應與相關的保護及重合閘的時間定值相配合。

（2）備用電源的電壓工作于正常范圍，備用設備處于正常的準備狀態時，備自投裝置方可動作，否則應予以閉鎖。

（3）必須在斷開工作電源的斷路器之后，備自投裝置方可動作。工作電源消失后，不管其進線斷路器是否已被斷開，備自投裝置在啟動延時到達以后總是先跳該斷路器，確認該斷路器在跳位后，方能合備用電源的斷路器。

（4）人工切除工作電源時，備自投裝置不應動作。

（5）避免備用電源合于永久性故障狀態。

（6）備自投裝置只允許動作一次。以往傳統的備用電源自動投入裝置通過裝置內部電容器的充放電過程來保證只動作一次。

3 備自投裝置設計

3.1 電力系統主接線及運行要求

圖1為南陽第一人民醫院0.4kV系統主接線，其中Ⅱ段母線為重要負荷。

圖1 南陽第一人民醫院0.4kV系統主接線圖

系統運行要求：①1#、2#、3#進線正常工作運行時，三條進線各帶一段負載；②若1#進線停電，2#、3#進線正常運行，則3#進線通過QF6帶Ⅰ段負載；③若3#進線停電，1#、2#進線正常運行，則1#進線通過QF6帶Ⅲ段負載；④若2#進線停電，1#、 3#進線正常運行，則1#進線通過QF4帶Ⅱ段負載；⑤若1#、2#進線停電，3#進線正常運行，則3#進線通過QF5帶Ⅱ段負載；⑥若2#、3#進線停電，1#進線正常運行，則1#進線通過QF4帶Ⅱ段負載；⑦以上幾種情況下備自投動作后，若進線恢復送電，則斷開母聯開關，恢復到正常運行狀態。

3.2 備自投動作情況分析及邏輯框圖

系統正常運行時，三條進線各帶一段負載。根據運行要求，對每條進線電源失電后的備自投情況做出分析：

（1）若1#進線停電，2#、3#進線正常運行時合3#母聯；當1#進線恢復時，分3#母聯，合1#進線，恢復到正常運行狀態。

動作過程為：當檢測到1#進線失壓，備自投保護啟動跳1#進線，確認跳開后，合3#母聯。后當檢測到1#進線電壓正常時，跳3#母聯，確認跳開后合1#進線。

備自投充電條件：備自投允許、3#母聯在分位、1#進線在合位、Ⅰ段母線有壓、3#進線有壓，條件具備后，經20s備自投充電完成。

備自投動作條件：備自投充電完成、1#進線失電（TVj1、TVm1均無壓）。

自復充電條件：3#母聯在合位、1#進線在分位、Ⅰ段母線有壓、3#進線有壓，1#進線有壓，條件具備后，經設定時間后自復充電完成。

自復動作條件：自復充電完成。

邏輯框圖見圖2。

（2）3#進線停電，1#進線正常運行時合3#母聯；當3#進線恢復時，分3#母聯，合3#進線，恢復到正常運行狀態。

動作過程為：當檢測到3#進線失壓，備自投保護啟動跳3#進線，確認跳開后，合3#母聯。后當檢測到3#進線電壓正常時，跳3#母聯，確認跳開后合3#進線。

圖2 1#進線失電情況下備自投及自復邏輯框圖

備自投充電條件：備自投允許、3#母聯在分位、3#進線在合位、Ⅲ段母線有壓、1#進線有壓，條件具備后，經20s備自投充電完成。

備自投動作條件：備自投充電完成、3#進線失電（TVj3、TVm3均無壓）。

自復充電條件：3#母聯在合位、3#進線在分位、Ⅲ段母線有壓、1#進線有壓，3#進線有壓，條件具備后，經設定時間后自復充電完成。

自復動作條件：自復充電完成。

邏輯框圖見圖3。

圖3 3#進線失電情況下備自投及自復邏輯框圖

（3）若2#進線停電，1#進線正常運行合1DP10；若1#進線停電，3#進線正常運行，則合4DP4；當2#進線恢復時，則分開備自投動作時所合的開關，合2#進線，恢復到正常運行狀態。

動作過程為：①當檢測到2#進線失壓，1#進線運行正常時備自投保護啟動跳2#進線，確認跳開后，合1#母聯。后當檢測到2#進線電壓正常時，跳1#母聯，確認跳開后合2#進線；②當檢測到2#進線失壓，1#進線未運行且3#進線運行正常時備自投保護啟動跳2#進線，確認跳開后，合2#母聯。后當檢測到2#進線電壓正常時，跳2#母聯，確認跳開后合2#進線。

備自投充電條件：備自投允許、1#母聯在分位、2#母聯在分位、1#進線在合位且Ⅰ段母線有壓或3#進線在合位且Ⅲ段母線有壓，條件具備后，經20s備自投充電完成。

備自投動作條件：備自投充電完成、2#進線失電（TVj2、TVm2均無壓）。

自復充電條件：2#進線在分位、Ⅱ段母線有壓、2#進線有壓1#母聯在合位且1#進線有壓或2#母聯在合位且3#進線有壓，條件具備后，經設定時間后自復充電完成。

自復動作條件：自復充電完成。

邏輯框圖見圖4。

圖4 2#進線失電情況下備自投及自復邏輯框圖

3.3 備自投裝置硬件設計

根據以上備自投動作及自恢復邏輯框圖分析，其開關量輸入有進線及母聯開關位置共6個，模擬量輸入有三條進線的AB，BC相電壓及三段母線的AC相電壓共9個，繼電器輸出量有備自投動作4個，自復8個，運行指示3個。選用西門子公司S7-200的CPU224一只，模擬量擴展模塊EM231三只，繼電器輸出擴展模塊EM222四只即可實現。另外，需要電壓變送器9只，將交流380V電壓變為轉為直流0～5V供EM231模塊采樣；需要指示燈3個指示備自投準備就緒；需要轉換開關做手動操作和自動操作切換；DC 24V電源模塊1個給各模塊供電。

3.4 備自投裝置編程

根據所選硬件設備及系統設計，對各輸入輸出進行I/O地址分配，后備自投動作邏輯框圖進行編程。下面以1#進線停電，2#、3#進線正常運行時合3#母聯的動作過程為例說明備自投裝置的PLC編程。

I/O地址分配如表1所示。

表1 I/O地址分配表

PLC程序如圖5所示。

圖5 PLC程序

4 備自投裝置現場調試及運行

試驗前斷開進線變壓器高壓側斷路器，在變壓器低壓側（即三條進線端）各加上交流380V電壓，并由不同開關控制，后分別斷開各開關以摸擬運行中的進線停電情況。用上位機與PLC模塊通信后，將PLC程序下載到PLC模塊中，通過在線監視各輸入輸出量及程序運行情況，對PLC程序進行修改及優化．調試后備自投裝置能做到手動自動切換、備自投充電指示及不同情況下的自動投入及自復。該套備自投裝置現在已投入運行兩年之久，運行正常。

5 結論

基于PLC實現的備用電源自動投入裝置相對靈活、多變。其用軟件編程取代硬件接線，最大限度的滿足千變萬化的現場要求；采用可靠性高、安裝方便的可編程控制器（PLC）保證了系統的可靠性。可編程控制器可完全取代傳統的繼電接觸控制，在電氣控制系統中可全面推廣應用。

[1] 國家電力調度通信中心．電力系統繼電保護規定匯編[M].北京：中國電力出版社,2000.