PLC設(shè)計(jì)思想在繼電保護(hù)裝置中的應(yīng)用

陸興

【摘要】在電力系統(tǒng)中加入繼電保護(hù)系統(tǒng)，可以大大提高電力系統(tǒng)的可靠性和自動(dòng)化水平，繼電保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著重要的意義，可以帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。所以，如何使繼電保護(hù)適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展需求屬于電力系統(tǒng)中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。當(dāng)前，PLC，也就是可編程控制器，由于具有編程容易、調(diào)試簡(jiǎn)單、組態(tài)靈活、可靠性高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各行業(yè)的控制領(lǐng)域。本文就PLC在繼電保護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】PLC設(shè)計(jì) 繼電保護(hù)

1繼電保護(hù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用原理

繼電保護(hù)裝置顯然應(yīng)該做到能夠正確區(qū)分系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)與故障狀態(tài)或不正常運(yùn)行狀態(tài)之間的差別，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，工頻變化的主要特征參量如下：（1）電流突增。也就是短路電流突然大大超過(guò)額定負(fù)載電流。（2）電壓降低。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相間短路或接地短路故障時(shí)，系統(tǒng)各點(diǎn)的相間電壓或相電壓值均回產(chǎn)生一定程度的下降，理論上分析，越靠近短路點(diǎn)，電壓下降越多，短路點(diǎn)電壓最低時(shí)可降至0。（3）電壓與電流之間的相對(duì)相位角發(fā)生改變。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，同相的電壓與電流之間的相位角即負(fù)荷的功率因數(shù)角，一般維持在20°左右；但是發(fā)生三相金屬性短路時(shí)，同相電壓與電流之間相位角，在架空線路中會(huì)變?yōu)?0°到85°；而在反方向三相發(fā)生短路時(shí)，反向電壓與電流之間相位角會(huì)變?yōu)?。?）測(cè)量阻抗發(fā)生變化。測(cè)量阻抗也就是安裝保護(hù)處的測(cè)量點(diǎn)的電壓與電流相量間的比值。線路系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，測(cè)量阻抗為負(fù)荷阻抗；但是發(fā)生金屬性短路時(shí)，測(cè)量阻抗變?yōu)榫€路阻抗，故障后測(cè)量阻抗模值顯著減小，而阻抗角增大。（5）當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)短路時(shí)，線路中會(huì)出現(xiàn)相序分量，單相接地短路時(shí)，會(huì)出現(xiàn)負(fù)序分量和零序電流、電壓分量；單相及兩相接地短路時(shí)，會(huì)出現(xiàn)負(fù)序電流分量和負(fù)序電壓分量。而系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，只有正序分量，上述這些分量是不會(huì)出現(xiàn)的。

因此，可以系統(tǒng)正常運(yùn)行與發(fā)生故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)中電氣量或非電氣量的參數(shù)變化為判定依據(jù)，從不同角度構(gòu)成基于不同原理的繼電保護(hù)裝置。

通常情況下，當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，繼電保護(hù)系統(tǒng)中的測(cè)量部分自動(dòng)對(duì)被保護(hù)對(duì)象輸入的有關(guān)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并將其傳遞到系統(tǒng)中的比較部分；比較部分將該信號(hào)與整定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果判斷保護(hù)裝置是否啟動(dòng)；如果繼電保護(hù)裝置被啟動(dòng)，則邏輯部分根據(jù)比較部分輸出信號(hào)的性質(zhì)、大小、出現(xiàn)的次序或它們的組合，設(shè)定保護(hù)裝置按一定的邏輯順序進(jìn)行工作，然后工作指令被傳送到執(zhí)行部分；執(zhí)行部分通過(guò)相應(yīng)的操作響應(yīng)電力故障，完成保護(hù)裝置所擔(dān)負(fù)的任務(wù)。

2電力系統(tǒng)中應(yīng)用PLC進(jìn)行繼電保護(hù)的優(yōu)勢(shì)分析

傳統(tǒng)的繼電保護(hù)以電磁式繼電器為主，其性能和參數(shù)會(huì)根據(jù)制造廠商的不同而產(chǎn)生較大差別，即便是同型號(hào)的繼電保護(hù)器件，其動(dòng)作值也會(huì)由于材料或者制作工藝等原因參差不同，為繼電保護(hù)的調(diào)試和整定帶來(lái)許多不定因素。同時(shí)，由于傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置屬于時(shí)間繼電器，存在延時(shí)誤差較大，帶有隨機(jī)性等問(wèn)題，因而不能使繼電保護(hù)裝置的上下級(jí)之間在限定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行很好地配合，易造成越級(jí)跳閘現(xiàn)象。再者，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置金屬消耗量大，導(dǎo)致其體積龐大笨重，不易移動(dòng)，且接線較多，易造成直流操作系統(tǒng)多點(diǎn)接地故障進(jìn)而引發(fā)繼電保護(hù)裝置的錯(cuò)誤響應(yīng)動(dòng)作，該類(lèi)型的繼電器機(jī)械壽命不是很長(zhǎng)，保護(hù)裝置的可靠性較差。最主要的原因是傳統(tǒng)采用的繼電保護(hù)方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足電力系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化的需求。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，人們開(kāi)始在電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)中應(yīng)用微機(jī)技術(shù)。但是微機(jī)的編程及調(diào)試相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，操作度不夠方便，不易被廣大的電氣技術(shù)人員所接受。PLC器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程方便，性能優(yōu)越，以其高可靠性而著稱(chēng)，被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制中。鑒于PLC的強(qiáng)大功能，如具有控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、運(yùn)算、定位、通訊等，可以滿(mǎn)足電力系統(tǒng)的在遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)等方面的要求，即使不具備微機(jī)知識(shí)的電氣技術(shù)人員也能很快掌握；且PLC在硬件和軟件兩方面同時(shí)采用了隔離、屏蔽、自我故障診斷和恢復(fù)等技術(shù)和措施，具有非常強(qiáng)的抗干擾能力，所以在電力系統(tǒng)中應(yīng)用PLC繼電保護(hù)裝置成為一種非常有效的方式。

3PLC繼電保護(hù)裝置的功能實(shí)現(xiàn)

PLC繼電保護(hù)裝置與電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)典型作用流程大致相同，區(qū)別之處在于，該裝置采用保護(hù)功能繼電器組和PLC兩部分組成“計(jì)算機(jī)繼電器邏輯電路”。根據(jù)不同保護(hù)對(duì)象（主變差動(dòng)保護(hù)、電容器保護(hù)、母線保護(hù)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)、線路保護(hù)等）確定繼電器組組合，進(jìn)而將保護(hù)裝置區(qū)分成有限多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配備。其中所有的單一保護(hù)元件均遵循正邏輯法，在PLC其被定義為動(dòng)作節(jié)點(diǎn)。舉例如下，當(dāng)一個(gè)過(guò)壓元件發(fā)生動(dòng)作，則PLC中就有一個(gè)相應(yīng)的常開(kāi)節(jié)點(diǎn)閉合，也就是其電位由0變?yōu)?；當(dāng)一個(gè)失壓元件發(fā)生動(dòng)作，在PLC中相應(yīng)的常開(kāi)節(jié)點(diǎn)閉合，電位由1變?yōu)?。

PLC編程可以通過(guò)施耐德公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用編程軟件包Logipam實(shí)現(xiàn)，程序?qū)崿F(xiàn)方式采用與電力系統(tǒng)二次電路圖最為相似的可視梯形圖，程序存儲(chǔ)器件EEPROM采用外插方式，可以隨時(shí)對(duì)編程電路進(jìn)行修改或者重新設(shè)計(jì)。裝置中的PLC程序是循環(huán)執(zhí)行的，循環(huán)周期由整個(gè)裝置從采樣到數(shù)字濾波到數(shù)據(jù)處理等諸多環(huán)節(jié)完成的所需的時(shí)間周期和電路時(shí)序聯(lián)合確定，通常該時(shí)間為13.3毫秒。應(yīng)用PLC可以節(jié)省大量繼電器，由于許多功能可以通過(guò)PLC軟件編程實(shí)現(xiàn)，又減少了大量的中間連線，避免許多干擾，使繼電保護(hù)功能更加完善，整體提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和時(shí)效性能。

4結(jié)語(yǔ)

PLC具有出色的管理、控制、時(shí)效等性能，隨著電力系統(tǒng)對(duì)性能要求的不斷增多，應(yīng)用PLC對(duì)電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)有著廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]巴金祥，王建立，李寶國(guó).可編程控制器在繼電保護(hù)中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2002（24）.

[2]錢(qián)洛江，蒙衛(wèi)陽(yáng)，周岱.繼電保護(hù)PLC程序設(shè)計(jì)中的自動(dòng)重合閘控制方案[J].電力建設(shè)，2000（12）.

[3]趙紅宣.PLC在繼電保護(hù)和橫流控制中的應(yīng)用[J].甘肅科技，2003（19）.

[4]周斌.基于軟PLC的繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子制作，2008（02）.

[5]李莉萍.繼電保護(hù)系統(tǒng)嵌入式軟PLC的研究[D].西華大學(xué)，2011（05）.