PLC在配電系統保護的應用分析

黃永堅

（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）是微機與繼電保護相結合的一種裝置，它結合了兩者的優點，具有功能強、可靠性高、使用方便以及體積小等特點[1]。目前廣泛應用于工業控制領域，在電力系統中的應用也越來越多。本文根據傳統10 kV變配電站繼電保護系統，設計一個以PLC為核心，通過安裝在系統中各種傳感器所采集傳遞的信號完成對系統控制和保護的方案[2]。

1 傳統配電系統保護方式設計缺陷

傳統的保護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以實現各種保護功能。在使用的過程中最為常見的故障是繼電器觸點之間接觸不良，觸點與觸點在接觸的瞬間會產生電弧，從而導致觸點產生融焊現象[3-5]。另外，絕大多數繼電器都是裸露在大氣中，使用時間長了難免會出現氧化的現象，從而導致接觸不良。而繼電器經過一段時間的使用也會有機械磨損等原因導致靈敏度下降，此時需要將系統上的繼電器拆下來，使用專門的繼電保護綜合測試儀進行校驗，否則一旦系統出現故障將起不到應有的保護，嚴重影響系統的可靠性[6]。這類型的故障不容易發現，檢修的時間相對較長，嚴重影響用戶的生產運行工作。

中途耗費時間長，影響供電的連續性。每次操作必須從值班室走到相應的電房，往往需要10 min左后，特別是進入高壓室前必須穿戴好絕緣手套和絕緣鞋，做好個人防護措施后還要在專人監護的情況下方可操作，耗時更長。在此時段用戶若處于停電狀態，將嚴重影響下級負荷供電的連續性，會對生產帶來一定的影響。此外，高壓室、低壓室以及變壓器室是3個獨立的運行場所，不利于集中化管理和操作，也不利于人員值班工作優化。

2 配電系統改造設想

綜合配電系統設計缺陷對其進行優化，保留原有的開關和互感器，改造時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，利用微機綜合保護裝置或增加一臺PLC代替原系統上的所有中間環節，通過其內部的各種虛擬中間繼電器和軟連接實現保護。為了方便集中化管理節省人力勞動成本，在值班室增加一個綜合機柜控制配電房的開關分斷、監控以及計量等工作。

3 配電系統設計方案比較與選擇

3.1 微機綜合保護裝置方案

微機綜合保護裝置的保護原理及特點主要有以下幾點。一是在每臺出線/進線柜都配備一臺微機綜合保護裝置。二是通過接在系統中電流互感器產生的電流信號監測系統的電流情況，通過預先設定的值來實現過流保護。三是利用接在系統中電壓互感器產生的電壓信號監測系統的電壓情況，且通過預先設定的值來實現過壓/欠壓保護[7]。四是通過RS485/RS422接口以值班室的后臺機（電腦）監控實現遠程監控。五是價格普遍偏高，如因泰萊PA140的價格大概在2 500元左右，性價比低。

3.2 PLC系統繼保功能方案

PLC系統方案其特點及優點有以下幾點。一是僅需在值班室安裝一個綜合機柜即可。二是通過電流繼電器將電流互感器的電流信號轉換成開關信號實現過流保護。三是電壓繼電器將電壓互感器的電流信號轉換成開關信號實現過壓/欠壓保護。四是通過綜合機柜控制面板上的按鈕、指示燈以及儀表實現遠程監控。五是通過編程靈活運用組合出自己所需要的功能[6]。六是價格較低，如三菱公司FX2N-48MR的價格大概在1 800元左右，性價比較高。

3.3 方案優選

綜合考慮兩種方案的優缺點，采用微機綜合保護裝置雖然也可以實現系統上的保護，并且其自身的優點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節，為日后檢修帶來一定方便，但是每個出線柜/進線柜都需要配備一臺微機綜合保護裝置，如此一來系統組建成本大大增加。若采用PLC方案，雖然PLC不能夠直接檢測到配電系統的電流和電壓信號，需要通過一些中間環節來轉換識別，但因為其成本相比微機綜合保護裝置便宜，而且可以自己通過靈活編程組合出自己所需的功能，因此優先選擇PLC系統來實現保護功能。

4 PLC在配電系統保護具體實施案例

4.1 配電一次系統結構

某廠10 kV配電系統中有1臺電源進線柜、1臺PT柜、1臺計量柜、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配電系統有兩臺進線柜分別是1#變壓器進線柜和2#變壓器進線柜，另外還包括兩臺電容柜、6臺饋線柜以及1臺聯絡柜。

4.2 配電系統保護要求

配電系統保護要求有以下幾點，一是當系統出現過/欠壓時要能可靠地將所有開關斷開包括進線柜。二是出線柜和兩臺變壓器柜電流超過限定值時能夠自動斷開開關。三是出線柜有自動重合閘功能防止開關誤動作和線路因雷電或“瞬時性”導致的跳閘。四是變壓器要有高溫和超溫保護。

4.3 二次接線部分

過電流保護回路如圖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數字三相交流電流繼電器。該繼電器作為PLC檢測系統過流的中間環節，具有三相過電流、過載及相電流不平衡檢查功能，內部有報警蜂鳴器和過電流、過載獨立輸出繼電器，配合采集、控制器兼作數字式三相交流電流表，詳見表1。

圖1 過電流保護回路

表1 三相交流電流表等效組成

系統正常工作時，任何一相流過EIR-HC-3A的電流都要比預先設定的過流值小，不會引起EIRHC-3A內部的過流輸出繼電器動作。值班員可以通過安裝在值班室的綜合機柜讀取運行電流數值從而知道負荷的情況。當其中一相或多相流過EIR-HC-3A的電流和時間大于預先設定的過流值，觸發EIRHC-3A內部的過流輸出繼電器動作讓PLC檢測到過電流信號，PLC發出跳閘信號使斷路器斷開。

4.4 系統過/欠壓保護回路

系統過/欠壓保護采用JL-410型過欠壓繼電器作為檢測的中間環節。JL-410過/欠壓繼電器是一種多功能三相用電設備的監測和保護儀器。集三相電壓顯示、過電壓保護、欠電壓保護、缺相保護、三相電壓不平衡保護以及相序保護于一體。圖2為系統過/欠壓保護回路圖。

圖2 系統過/欠壓保護回路

回路正常工作時，a、b、c三相的電壓波動不低于或不高于預先設定的數值，不會引起JL-410過/欠壓繼電器動作。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電壓波動的情況?；芈樊惓９ぷ鲿r，a、b、c三相的電壓波動其中一相或多相出現低于或高于預先設定的數值，觸發JL-410內部的過/欠壓繼電器動作讓PLC檢測到過/欠壓信號，PLC發出跳閘信號使斷路器迅速斷開。

4.5 系統集中監控

以值班室綜合機柜為監控平臺，這樣值班員可以對高壓室和低壓室的運行狀態進行實時監控，既方便又安全，同時減少了勞動強度。改進后的配電一次系統框架如圖3所示。

圖3 配電一次系統框圖

4.6 PLC的選型

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

容量選擇包括I/O口數和用戶程序存儲容量的選擇。由于I/O口數越多價格就越高，一般情況下I/O口是根據被控對象輸入和輸出信號的實際個數，再加上10%～15%的備用量來確定。用戶存儲容量的選擇應按實際需要留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，根據現場輸入設備與輸入模塊之間的距離來考慮選擇24 V電壓。

綜合以上幾個方面考慮，決定選用三菱FX2N-48MR型號的PLC。

4.7 加入自動重合閘、提高供電可靠性

電力系統運行經驗表明，高壓線路特別是架空線路絕大多數的故障都是瞬時性的，永久性的故障一般不到10%[8]。因此，當繼電保護動作切除短路故障后，電弧將自動熄滅，絕大多數情況下短路處的絕緣可以自動恢復。自動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、柱上開關以及避雷器等，而這些附件如果長時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生絕緣擊穿導致瞬間放電。為了保證下級供電可靠性，配電系統還應配置自動重合閘[10]。

4.8 運行調試

在運行試驗前用萬用表檢查測量元器件的電氣接觸點，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行模擬調試，檢查程序中的錯誤，編程測試無誤后方可通電進行總體調試。

5 結 論

通過本文PLC在配電系統保護具體實施案例可以看出，采用PLC實現繼電保護和控制系統的操作，不僅大大提高系統的自動化水平和可靠性，而且系統的集中化監控方便了系統的信息化管理，大大提高了安全性和運行效率，減少值班人員勞動力并節約管理成本，此外簡化了配電系統各種保護和控制之間的連接方式，使檢修變得簡單和容易。綜上所述，該系統的建立有利于集中化管理，能體現出PLC應用價值。采取合理的配置方案，能起到節約成本和提高生產效率的效果，具有極佳的推廣價值。