PLC在電網備用電源自動投入中的應用

【摘要】根據備用電源自動投入裝置的使用特點，將備用電源自動投入裝置應用于電網中，解決了當工作電源出現故障使電壓消失，導致用戶斷電的難題。本文主要介紹了備用電源自動投入裝置的特點，并舉例分析了利用PLC芯片如何實現備用電源自動投入的應用。

【關鍵詞】備用電源自動投入PLC控制自動化

隨著科學技術水平的不斷提高，現在電力技術的理論和實際應用范圍也在不斷地拓寬，與此同時一些大中型工廠和企業對供電的質量和可靠性有了更高的要求。在很多具有一級負荷和重要的二級負荷的工廠和企業中，其發電廠或變電所通常需要有備用電源自動投入裝置，實現供電系統的自動化，以確保電力系統的快速性、可靠性和安全性。

一、對備用電源自動投入裝置的分析

備用電源自動投入裝置是當主供電電源發生故障時，將備用電源在設定時間內啟動或投入，以保障重要設備電源的供給的自動化設備。

1.1傳統備用電源自動投入分析

傳統的備用電源自動投入裝置系統是由繼電器和接觸器組成。因其組成結構簡單、投入成本低，在一些中小型企業和工廠的供配電系統中很受歡迎。但是也存在著很多缺點：第一、由于傳統的備用電源自動投入系統都是由繼電器和接觸器組成，若要組成一套完整的控制系統，在繼電器和接觸器的使用數量上很大，而過多的繼電器和接觸器使得系統的體積變得龐大。第二、繼電器和接觸器都是電磁式機械動作，因而系統的動作響應能力差，繼電器和接觸器的觸點要頻繁地接通和斷開動作，使得觸點容易出現故障，導致系統的可靠性較低，并且要進行大量的維護和故障的檢修工作，過多的繼電器和接觸器對故障的檢修造成了巨大困難。第三、由于系統采用的是純硬件結構，不具備可編程能力，造成系統的開發周期長。系統不具有通信和監控功能，不能使整個供配電系統有機地組合為一體，不能適用于對自動化水平要求較高的場合。

1.2新型PLC控制下備用電源自動投入分析

新型PLC控制的備用電源自動投入控制器完全克服了上述缺點。PLC是可編程序控制器，由CPU、存儲器、輸入輸出電路和功能模塊（如計數器、定時器、通信模塊）組成。通過采集現場的數字和模擬量的信息，經CPU處理和計算后，將信息傳送至現場以控制設備的工作。其具有快速的運算能力，可實現設備和上位機通信，可利用圖形化（如順序功能圖、梯形圖、功能模塊圖）和文本化編程，并且具有軟件和硬件的診斷功能。

將其利用到備用電源的自動投入裝置上帶來的優點有：第一、可以省去很多的繼電器和接觸器以及線路的連接。由于PLC內部具有很多繼電器，完全可以替代實際的繼電器裝置。第二、采用編程的方法使系統的開發更加快速和簡便，處理速度快（平均執行一條指令的時間為微秒級甚至是納秒級），內部的定時器要比傳統的機械定時器精確度高很多。第三、可以通過預先規定好的協議將信息傳送給其他PLC或者PC機，以實現對系統的監控和系統故障的自診斷，并且還可以連接診斷和在線調試，進而確保了系統的穩定性和可靠性。第四、由于其是利用程序來進行控制的，在對系統進行維護和修改時變得更加快捷和方便，不必像傳統的那樣要更換硬件和更改線路連接，只需要修改程序即可，大大縮短了維護周期。

1.3備用自動投入裝置的控制需滿足的控制要求

（1）當主電源由于故障而斷電時，備用電源必須投入運行，但是若備用電源沒有足夠高的電壓時，備用電源不能動作，而是進行相應故障的報警；（2）對于非故障的電源斷電，如人工操作的切除電源，備用電源不能投入運行；（3）備用電源只有在主電源正常工作時才進行充電操作，而當其投入運行時不再進行充電；（4）當主電源斷電故障消除后，主電源投入到工作狀態，備用電源切除與負載的連接；（5）當系統設備發生故障時，應使供電電路立即跳閘并發出警報以保證設備的安全；（6）設備在切換動作時要具有一定的時限，以確保與其他保護裝置的配合。

二、PLC在電網備用自動投入的應用舉例

圖1為某工廠的電氣主接線圖，從圖中可以看出該系統采用的是內橋接線型。

其中通過電壓互感器1TV和2TV分別檢測主電源和備用電源的電壓來確定電源的切換投入動作，3TV用來測量系統運行時的電壓和功率。

2.1PLC程序控制的要求

正常工作時，電源1工作，電源2處于備用狀態；當檢測到1TV電壓低于設定值時，利用程序控制1QF斷開，接通2QF。同時監控各個電壓互感器、電流互感器、過流保護裝置的狀態，并根據具體情況發出相應的警報。同理，當電源2處于工作狀態時，在其出現故障時，2QF斷開，1QF接通，將電源1切換到投入狀態。需要注意的是，各個斷路器和接觸器動作的先后順序和時間，如果出現錯誤可能導致系統發生短路，造成設備的燒毀或觸電事故。

2.2根據需求選擇PLC

目前我國主要流行的PLC產品生產廠家主要有德國西門子（Siemens）、日本三菱（MITSUBISHI）和歐姆龍（OMRON）、法國的施耐德（AEG Schneider）、美國的A-B（Allen-Bradley）、臺灣臺達等。在選擇PLC的類型時，要根據性價比最優的原則進行選擇。這里在選擇時根據工廠的規模和成本，依據性價比選擇三菱系列PLC。

在確定PLC的型號之后，還要根據以下幾點選出具體的型號：（1）數字量和模擬量的輸入和輸出點數。經過該系統的統計后，計算出數字量輸入點數為27，數字量輸出點數為19，模擬量輸入點數為5。此外在實際應用時要考慮一定的裕量，按照經驗一般取10%的裕量進行選擇。程序輸入的PLC數字量輸入點數為30，數字量輸出點數為22，模擬量輸入點數為6。（2）PLC負載能力分析。當PLC在插入其他輸入輸出模塊時，必須要考慮PLC的負載能力。PLC內部有5VDC電源供電，不同型號的CPU所能提供的最大擴展電流不同。經統計該系統所有繼電器和斷路器的工作電流總和約1000mA。另外，如果不考慮PLC負載能力，可采用外加電源的方式。（3）PLC所具有的功能模塊。根據系統的設計條件，PLC應具有計數器、定時器等。然而一般的PLC都具有此功能模塊，此情況可以不用考慮。

依據以上幾點考慮情況，最終確定的PLC型號為三菱FX2N系列的FX2N-64RM+FX2N-8AD，共計輸入點數為32，數字量輸出點數為32，模擬量輸入點數為8。

2.3外圍電路的硬件設計

由于該工廠對于抗干擾的要求較高，在這里采用220VDC對PLC進行供電可以避免交流諧波信號對系統造成的干擾，以保證PLC的正常工作；對于傳輸線路采用屏蔽雙絞線。模擬信號和數字信號之間采用光藕隔離技術；并且要具有必要的過壓、失壓保護，過電流和短路保護；避免接地故障可以采用TT型保護。

2.4PLC程序的設計

根據系統的設計要求，所編寫程序應具有的功能：將電壓互感器和電流互感器上的電壓和電流信號轉換為數字信號，并與預訂值進行比較，確定系統當前的運行狀態（如正常運行、失壓、過流、短路）；根據采樣取得的數據信息進行處理，控制相應的斷路器、接觸器、繼電器、各種開關以及各種信號指示燈；將系統的各種狀態信息傳輸給監控室的上位機，使相關技術人員準確掌握系統的運行狀態，以確保系統的安全與可靠；能夠完成對一些故障的自動處理能力。

在編寫程序之前，要根據系統的各個輸入輸出對PLC進行地址分配，然后編寫初始化代碼以完成對系統數據的初始化，最后編寫主程序和中斷服務程序以完成對系統的控制。由于篇幅有限，現附上部分主要的自動投入過程的程序梯形圖（圖2）作為參考。

2.5聯機調試、運行

編寫完程序后，進行編譯，然后下載到PLC上進行聯機調試，并用相關軟件在上位機上編寫出監控組態的程序用以監控系統的運行，對系統進行可靠性、失效率、平均壽命等各方面測試和評估，在保證了程序能夠運行無誤，各項指標符合要求后，將程序投入到工程上的使用。

綜上所述，利用PLC完成電網備用自動投入系統的控制，使系統的運行速度快、執行效率高，并且提高了系統的可靠性和安全性，不易發生故障，且維護方便。由于系統的自動化水平高，能夠適應長期的發展。因而PLC在電網備用電源自動投入中的應用將越來越廣泛。