PLC在配電系統(tǒng)保護(hù)的應(yīng)用分析

黃永堅(jiān)

（廣東順暢科技有限公司，廣東 江門 529000）

0 引 言

可編程控制器（Programmable Logical Controller，PLC）是微機(jī)與繼電保護(hù)相結(jié)合的一種裝置，它結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有功能強(qiáng)、可靠性高、使用方便以及體積小等特點(diǎn)[1]。目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越多。本文根據(jù)傳統(tǒng)10 kV變配電站繼電保護(hù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)以PLC為核心，通過安裝在系統(tǒng)中各種傳感器所采集傳遞的信號完成對系統(tǒng)控制和保護(hù)的方案[2]。

1 傳統(tǒng)配電系統(tǒng)保護(hù)方式設(shè)計(jì)缺陷

傳統(tǒng)的保護(hù)方式是由各種的電流互感器、電壓互感器、電流繼電器、電壓繼電器及中間繼電器等組成一套系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能。在使用的過程中最為常見的故障是繼電器觸點(diǎn)之間接觸不良，觸點(diǎn)與觸點(diǎn)在接觸的瞬間會產(chǎn)生電弧，從而導(dǎo)致觸點(diǎn)產(chǎn)生融焊現(xiàn)象[3-5]。另外，絕大多數(shù)繼電器都是裸露在大氣中，使用時(shí)間長了難免會出現(xiàn)氧化的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致接觸不良。而繼電器經(jīng)過一段時(shí)間的使用也會有機(jī)械磨損等原因?qū)е蚂`敏度下降，此時(shí)需要將系統(tǒng)上的繼電器拆下來，使用專門的繼電保護(hù)綜合測試儀進(jìn)行校驗(yàn)，否則一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障將起不到應(yīng)有的保護(hù)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性[6]。這類型的故障不容易發(fā)現(xiàn)，檢修的時(shí)間相對較長，嚴(yán)重影響用戶的生產(chǎn)運(yùn)行工作。

中途耗費(fèi)時(shí)間長，影響供電的連續(xù)性。每次操作必須從值班室走到相應(yīng)的電房，往往需要10 min左后，特別是進(jìn)入高壓室前必須穿戴好絕緣手套和絕緣鞋，做好個(gè)人防護(hù)措施后還要在專人監(jiān)護(hù)的情況下方可操作，耗時(shí)更長。在此時(shí)段用戶若處于停電狀態(tài)，將嚴(yán)重影響下級負(fù)荷供電的連續(xù)性，會對生產(chǎn)帶來一定的影響。此外，高壓室、低壓室以及變壓器室是3個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行場所，不利于集中化管理和操作，也不利于人員值班工作優(yōu)化。

2 配電系統(tǒng)改造設(shè)想

綜合配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷對其進(jìn)行優(yōu)化，保留原有的開關(guān)和互感器，改造時(shí)只需拆除不必要的中間繼電器，更換精密度高的電磁型電流和電壓繼電器，利用微機(jī)綜合保護(hù)裝置或增加一臺PLC代替原系統(tǒng)上的所有中間環(huán)節(jié)，通過其內(nèi)部的各種虛擬中間繼電器和軟連接實(shí)現(xiàn)保護(hù)。為了方便集中化管理節(jié)省人力勞動(dòng)成本，在值班室增加一個(gè)綜合機(jī)柜控制配電房的開關(guān)分?jǐn)唷⒈O(jiān)控以及計(jì)量等工作。

3 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較與選擇

3.1 微機(jī)綜合保護(hù)裝置方案

微機(jī)綜合保護(hù)裝置的保護(hù)原理及特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。一是在每臺出線/進(jìn)線柜都配備一臺微機(jī)綜合保護(hù)裝置。二是通過接在系統(tǒng)中電流互感器產(chǎn)生的電流信號監(jiān)測系統(tǒng)的電流情況，通過預(yù)先設(shè)定的值來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。三是利用接在系統(tǒng)中電壓互感器產(chǎn)生的電壓信號監(jiān)測系統(tǒng)的電壓情況，且通過預(yù)先設(shè)定的值來實(shí)現(xiàn)過壓/欠壓保護(hù)[7]。四是通過RS485/RS422接口以值班室的后臺機(jī)（電腦）監(jiān)控實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。五是價(jià)格普遍偏高，如因泰萊PA140的價(jià)格大概在2 500元左右，性價(jià)比低。

3.2 PLC系統(tǒng)繼保功能方案

PLC系統(tǒng)方案其特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。一是僅需在值班室安裝一個(gè)綜合機(jī)柜即可。二是通過電流繼電器將電流互感器的電流信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。三是電壓繼電器將電壓互感器的電流信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號實(shí)現(xiàn)過壓/欠壓保護(hù)。四是通過綜合機(jī)柜控制面板上的按鈕、指示燈以及儀表實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。五是通過編程靈活運(yùn)用組合出自己所需要的功能[6]。六是價(jià)格較低，如三菱公司FX2N-48MR的價(jià)格大概在1 800元左右，性價(jià)比較高。

3.3 方案優(yōu)選

綜合考慮兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，采用微機(jī)綜合保護(hù)裝置雖然也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上的保護(hù)，并且其自身的優(yōu)點(diǎn)是可以直接與外部的電流和電壓互感器相連從而省去一些中間環(huán)節(jié)，為日后檢修帶來一定方便，但是每個(gè)出線柜/進(jìn)線柜都需要配備一臺微機(jī)綜合保護(hù)裝置，如此一來系統(tǒng)組建成本大大增加。若采用PLC方案，雖然PLC不能夠直接檢測到配電系統(tǒng)的電流和電壓信號，需要通過一些中間環(huán)節(jié)來轉(zhuǎn)換識別，但因?yàn)槠涑杀鞠啾任C(jī)綜合保護(hù)裝置便宜，而且可以自己通過靈活編程組合出自己所需的功能，因此優(yōu)先選擇PLC系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

4 PLC在配電系統(tǒng)保護(hù)具體實(shí)施案例

4.1 配電一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某廠10 kV配電系統(tǒng)中有1臺電源進(jìn)線柜、1臺PT柜、1臺計(jì)量柜、1臺出線柜、兩臺變壓器柜分別控制1#變壓器、2#變壓器。低壓0.4 kV配電系統(tǒng)有兩臺進(jìn)線柜分別是1#變壓器進(jìn)線柜和2#變壓器進(jìn)線柜，另外還包括兩臺電容柜、6臺饋線柜以及1臺聯(lián)絡(luò)柜。

4.2 配電系統(tǒng)保護(hù)要求

配電系統(tǒng)保護(hù)要求有以下幾點(diǎn)，一是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過/欠壓時(shí)要能可靠地將所有開關(guān)斷開包括進(jìn)線柜。二是出線柜和兩臺變壓器柜電流超過限定值時(shí)能夠自動(dòng)斷開開關(guān)。三是出線柜有自動(dòng)重合閘功能防止開關(guān)誤動(dòng)作和線路因雷電或“瞬時(shí)性”導(dǎo)致的跳閘。四是變壓器要有高溫和超溫保護(hù)。

4.3 二次接線部分

過電流保護(hù)回路如圖1所示，過流回路以出線柜為例，為了方便集中管理采用EIR-HC-3A數(shù)字三相交流電流繼電器。該繼電器作為PLC檢測系統(tǒng)過流的中間環(huán)節(jié)，具有三相過電流、過載及相電流不平衡檢查功能，內(nèi)部有報(bào)警蜂鳴器和過電流、過載獨(dú)立輸出繼電器，配合采集、控制器兼作數(shù)字式三相交流電流表，詳見表1。

圖1 過電流保護(hù)回路

表1 三相交流電流表等效組成

系統(tǒng)正常工作時(shí)，任何一相流過EIR-HC-3A的電流都要比預(yù)先設(shè)定的過流值小，不會引起EIRHC-3A內(nèi)部的過流輸出繼電器動(dòng)作。值班員可以通過安裝在值班室的綜合機(jī)柜讀取運(yùn)行電流數(shù)值從而知道負(fù)荷的情況。當(dāng)其中一相或多相流過EIR-HC-3A的電流和時(shí)間大于預(yù)先設(shè)定的過流值，觸發(fā)EIRHC-3A內(nèi)部的過流輸出繼電器動(dòng)作讓PLC檢測到過電流信號，PLC發(fā)出跳閘信號使斷路器斷開。

4.4 系統(tǒng)過/欠壓保護(hù)回路

系統(tǒng)過/欠壓保護(hù)采用JL-410型過欠壓繼電器作為檢測的中間環(huán)節(jié)。JL-410過/欠壓繼電器是一種多功能三相用電設(shè)備的監(jiān)測和保護(hù)儀器。集三相電壓顯示、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、缺相保護(hù)、三相電壓不平衡保護(hù)以及相序保護(hù)于一體。圖2為系統(tǒng)過/欠壓保護(hù)回路圖。

圖2 系統(tǒng)過/欠壓保護(hù)回路

回路正常工作時(shí)，a、b、c三相的電壓波動(dòng)不低于或不高于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，不會引起JL-410過/欠壓繼電器動(dòng)作。值班員可以通過JL-410過/欠壓繼電器的顯示面板留意到電網(wǎng)電壓波動(dòng)的情況。回路異常工作時(shí)，a、b、c三相的電壓波動(dòng)其中一相或多相出現(xiàn)低于或高于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，觸發(fā)JL-410內(nèi)部的過/欠壓繼電器動(dòng)作讓PLC檢測到過/欠壓信號，PLC發(fā)出跳閘信號使斷路器迅速斷開。

4.5 系統(tǒng)集中監(jiān)控

以值班室綜合機(jī)柜為監(jiān)控平臺，這樣值班員可以對高壓室和低壓室的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，既方便又安全，同時(shí)減少了勞動(dòng)強(qiáng)度。改進(jìn)后的配電一次系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 配電一次系統(tǒng)框圖

4.6 PLC的選型

機(jī)型選擇的基本原則是在能夠滿足控制要求及保證運(yùn)行可靠和維修方便的前提下，力爭最佳的性價(jià)比。

容量選擇包括I/O口數(shù)和用戶程序存儲容量的選擇。由于I/O口數(shù)越多價(jià)格就越高，一般情況下I/O口是根據(jù)被控對象輸入和輸出信號的實(shí)際個(gè)數(shù)，再加上10%～15%的備用量來確定。用戶存儲容量的選擇應(yīng)按實(shí)際需要留20%～30%的余量來選擇。I/O模塊的選擇分為輸入信號的類型選擇和控制電壓等級的選擇。有5 V、12 V、24 V、48 V以及60 V等可供選擇，根據(jù)現(xiàn)場輸入設(shè)備與輸入模塊之間的距離來考慮選擇24 V電壓。

綜合以上幾個(gè)方面考慮，決定選用三菱FX2N-48MR型號的PLC。

4.7 加入自動(dòng)重合閘、提高供電可靠性

電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，高壓線路特別是架空線路絕大多數(shù)的故障都是瞬時(shí)性的，永久性的故障一般不到10%[8]。因此，當(dāng)繼電保護(hù)動(dòng)作切除短路故障后，電弧將自動(dòng)熄滅，絕大多數(shù)情況下短路處的絕緣可以自動(dòng)恢復(fù)。自動(dòng)將斷路器重合不僅提高了供電的安全性和可靠性，減少了停電損失也可糾正因斷路器或繼電保護(hù)裝置造成的誤跳閘[9]。由于出線柜到其他變電站之間往往牽涉到比較多的附件，如瓷瓶、隔離開關(guān)、柱上開關(guān)以及避雷器等，而這些附件如果長時(shí)間沒人打理表面就會積累大量的灰塵，一旦遇上雨天或潮濕天氣就很容易發(fā)生絕緣擊穿導(dǎo)致瞬間放電。為了保證下級供電可靠性，配電系統(tǒng)還應(yīng)配置自動(dòng)重合閘[10]。

4.8 運(yùn)行調(diào)試

在運(yùn)行試驗(yàn)前用萬用表檢查測量元器件的電氣接觸點(diǎn)，再檢查接線是否有問題。在完成PLC編程后可先用PLC編程軟件自帶的邏輯測試功能進(jìn)行模擬調(diào)試，檢查程序中的錯(cuò)誤，編程測試無誤后方可通電進(jìn)行總體調(diào)試。

5 結(jié) 論

通過本文PLC在配電系統(tǒng)保護(hù)具體實(shí)施案例可以看出，采用PLC實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)和控制系統(tǒng)的操作，不僅大大提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和可靠性，而且系統(tǒng)的集中化監(jiān)控方便了系統(tǒng)的信息化管理，大大提高了安全性和運(yùn)行效率，減少值班人員勞動(dòng)力并節(jié)約管理成本，此外簡化了配電系統(tǒng)各種保護(hù)和控制之間的連接方式，使檢修變得簡單和容易。綜上所述，該系統(tǒng)的建立有利于集中化管理，能體現(xiàn)出PLC應(yīng)用價(jià)值。采取合理的配置方案，能起到節(jié)約成本和提高生產(chǎn)效率的效果，具有極佳的推廣價(jià)值。