基于PLC的自動化變壓器繼電保護裝置設計

韓屹威++唐少臣++毛行星

摘要：傳統的繼電微機保護系統由于在過電流保護方面存在著比較明顯的缺陷，隨著工業社會的不斷發展，配電系統是工程建設的必要環節，對工業配電系統的可靠性與智能性提出了很高的要求，也是社會不斷向前發展和技術進步的必然要求。本文在對參考文獻分析的基礎上，闡述了PLC繼電保護設計系統的基本原理，同時對嵌入式PLC降壓變電所繼電保護設計進行了闡述。另外，本文將PLC中的多級代理技術融入到變電站繼電保護裝置的使用之中，通過可行性論證之后，采用CAN總線技術實現了基于PLC通信控制的過電流保護技術；與傳統的微機保護技術相比，其智能性明顯提高，滿足了該工廠的工程技術需求。

關鍵詞：繼電保護系統；PLC；多級代理機制

中圖分類號：TM774 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）03-0015-02

在電力系統的繼電保護裝置中，通常要求其具有較好的選擇性、較高的可靠性以及良好的使用穩定性。傳統的繼電保護裝置是按照動作值的整定計算來進行的，靈敏度校驗方面采用最小運行方式進行檢驗。但是這種傳統的繼電保護裝置的缺點主要體現在整定保護時間過長，繼電保護時間有限以及保護故障檢測比較困難等。出現上述問題的根源就在于傳統的微機保護并不能在動態運行過程中實現對繼電保護運行系統狀態的檢測。目前基于自適應以PLC為基礎的繼電保護設計系統能夠充分考慮到變壓器繼電保護系統的實際運行狀況和具體問題的復雜性，從而實現電力系統的理想保護自動化系統選擇。

1 嵌入式PLC的原理

隨著近代控制學的不斷發展，尤其是最近十幾年來嵌入式系統的發展，它以較小體積、動態穩定性以及低成本，能夠實現與互聯網的良好融合等優點得到了全世界的工業用電系統的青睞。PLC技術是在最新國際標準IEC61131-4的頒布的基礎上逐漸發展起來，PLC在實現軟件封裝的同時，還可以實現“微機”的功能，已經廣泛的應用在各個領域。

隨著工業化用電的不斷發展，要求PLC處理的信息能力不斷值增強，對其運算精度和實時性能要求越來越高。目前電力系統同經常采用嵌入式PLC控制系統，一方面可以采用PLC語言進行邏輯編程；同時還兼具著計算能力強和實時性優異的特點。

2 基于PLC的繼電保護設計總體結構

工業用PLC繼電保護對工廠的電力系統的安全性、可靠性以及實時性具有關鍵的作用。本文針對某工廠進行的基于PLC的某工廠降壓變電所的繼電保護設計，也必須達到“選擇性、靈敏性、瞬時動態性和穩定性”四個方面的基本要求。本文所使用的PLC是以三星公司的S3C2510芯片為虛擬機系統，該系統采用了ARM920T內核，這種PLC具有低能耗、內設豐富和高速處理數據的基本功能，系統中的每一個操作任務都會有優先級別，是一個實時操作系統，能夠滿足該工廠繼電器保護裝置的設計要求。在進行工廠繼電器保護設計的過程中，由于保護的原理不同，需要使用PLC編程語言，所使用的算法也就不盡相同，要根據工廠的實際情況來進行繼電保護軟件程序的編寫。

3 PLC機繼電保護裝置的設計與可行性分析

3.1 PLC繼電保護的設計

本電路設計采用PLC中的多代理機制，將過電流保護機制分配到該廠區的各個車間和生活區域中，涉及到使用的PLC和相對應的控制斷路器如表1所示。

經過綜合考慮，該廠的生產區域和生活區域的配電系統采用CAN網絡通信架構，PLC控制器之間的網絡拓撲結構如圖1所示。

現場四臺PLC控制單元PLC1-4利用現場總線進行CAN方式的拓撲鏈接，從而實現工業用電控制的網絡控制。各個現場PLC通過控制總線與控制上機位進行連接，各個繼電保護裝置通過上機位的帶有屏蔽功能的雙絞線進行通信功能的實現。在現場給每一臺PLC配上PC機進行程序的編制和設備的控制。

3.2 通信網絡的可行性分析

本次畢業設計的目的是為了實現工廠配電系統內部與各個檢測機構之間的數據交換。比如當本系統中的斷路器不能正確的斷開時，能夠通過控制單元自動的搜索到附件的斷路器，加速系統的保護作用。目前可行性分析主要體現在以下兩個方面：

（1）本系統采用的網絡通信模式為CAN拓撲結構，該通信結構的最遠通信距離為10KM，信號最大傳輸速度為1Mbps（通信最長距離為50m）。工廠220KV主降壓變壓器距離各個車間的平均距離為1KM，其中各個車間10KV距離6KV空壓站的距離為0.5千米，所以各個PLC之間的機位控制在CAN拓撲結構的范圍之內，信息的傳遞速率也達到相關國家標準。

（2）對于本系統的CAN拓撲結構，采用短幀結構的信息傳遞模式，其中有效的字節數為8個，傳輸時間較短，受到干擾的概率比較低，出現傳遞錯誤時能夠及時的發現。

3.3 PLC多代理機制過電流繼電保護設計

本系統采用的繼電保護為PLC多代理機制，如果要實現對每個控制進出線斷路器，僅需要對PLC控制器進行微調即可。在PLC的數據輸出點上可以增減電壓檢測單元，電壓的信號數值來自于PT兩側的電壓值；其次可以調整PLC整定值，將電流值調整為最大允許電流值；電壓值可以設置為母線電壓的60%-70%。對于本設計中的6KV空壓站進線斷路器QF4而言，在帶有PLC代理機制的過電流飽和情況下。基于多級代理的過電流繼電保護裝置的技術關鍵在于對現場的PLC以及PLC與上位機之間的信息交互進行設置，滿足其一定的動態穩定性。早期的變電站采用的是串行網絡通信技術，這種通信方式的主要缺點為傳輸的速率比較低，一般采用主從結構，會帶來主機信息的共享的困難。目前比較流行的是現場總線技術，本設計中采用的CAN現場總線技術還具有全球的統一標準。假設在空壓站6KV的母線上發生三相電壓故障，通過與傳統繼電保護模式相對比可知，多級代理機制PLC，可以通過對QF4斷路器的設置，讓其處于未切斷的短路狀態，則其上級車間10KV出線斷路器QF3自動調動，切斷故障進行保護。在傳統的過電流保護模式下，熔斷器QF3會在QF4后備保護0.5S后進行跳閘，使得系統的拓撲結構發生變化。

4 人機交互監控系統的設計與實現

人機交互的監控的設計：

某工廠工業區域和生活區域的用電系統繼電保護系統，以PLC為基礎，設計了人機交互界面，能夠實現全廠的配電需求和二次設備的檢測管理，是的全廠多級變和配電系統主要設備和輸配電線路的自動化檢測和微機保護。

本畢業設計重點考慮的人機界面交互系統主要包括三個方面的功能，從而實現對系統設備的完全監控。主界面包括了潮流在線監測、控制面板以及繼電保護和自動裝置監控。某工廠潮流檢測系統界面實現了對全工廠的電壓系統檢測、電流在線動態監測以及中心監測。表2為繼電保護裝置及監測電壓及電流數據及來源。

5 結語

隨著工業社會的不斷發展，配電系統是工程建設的必要環節，對工業配電系統的可靠性與智能性提出了很高的要求，也是社會不斷向前發展和技術進步的必然要求。本文將PLC中的多級代理技術融入到變電站繼電保護裝置的使用之中，通過可行性論證之后，采用CAN總線技術實現了基于PLC通信控制的過電流保護技術；與傳統的微機保護技術相比，其智能性明顯提高，滿足了該工廠的工程技術需求。目前嵌入式PLC技術已經成功的運用到相當多的繼電保護設計中，他們之間的相互結合已經成為了一種不可阻擋的趨勢。本文在通過對繼電保護原理分析的基礎上，對PLC的原理以及可行性進行了詳細的分析。

由于筆者本身的開發經驗不足，雖然能夠滿足設計的需求，但是還有以下問題需要進一步探索：1）本文所涉及的PLC虛擬機指令相對比較簡單，僅僅能夠實現比較常規的PLC編程需要，針對繼電保護系統的多樣性需求，需要進一步豐富；2）所設計系統運行可靠性需要進一步驗證，尤其是繼電保護系統的實時動態性能需要驗證。

參考文獻

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