淺析基于PLC技術的電力系統過流保護

摘 要：電力系統過電流保護（Over Current Protection）是指當系統工作電流超過設定閾值時，系統自動斷開，給出報警信號并啟動保護裝置的一種系統保護方式。因此，過流保護裝置對于保障電力系統的正常運行起到重要的作用。基于PLC技術的過流保護裝置解決了傳統繼電保護裝置無法在極短的時間內檢測出故障的問題，通過PLC技術實現電力傳輸過程中的實時監控與保護，對于電力系統的安全穩定運行非常重要。

關鍵字：PLC;繼電保護裝置;過流保護;故障判斷

0引言

電力系統是日常生活和社會發展的一個組成部分。電力系統在運行過程中，容易發生各種運行故障，對系統的安全運行造成一定的影響。其中，電流不穩定造成的系統短路是最常見的電路運行故障，主要是由于電流過大進而影響了整個電路系統運行的穩定性，給社會經濟發展帶來了巨大的損失，因此，過電流保護裝置是電力系統中的重要組成部分。主要作用是當監測到電路系統中的電流超過設定的電流閾值時，進行保護動作，主要分為短路保護和過載保護，其穩定性、可靠性與靈敏性是保護裝置的重要評定指標。

隨著社會的發展，繼電保護裝置已經成為電力系統的主要組成部分。PLC裝置因其具有較高的穩定性和靈敏性在目前應用范圍最廣，并且PLC保護裝置維修簡單，可以對電力系統運行中的故障做出快速的響應，可以避免造成不必要的損失，對維持電力系統的穩定發展起到了重要作用。

1 PLC技術及特點

PLC（Programmable Logic Controller）是一種可編程的邏輯控制器，是一種在工業生產中應用最為廣泛的一種微電子系統，其本質是一種可編程的控制存儲器，可以進行自動控制、算術運算或模擬信號的輸入或輸出做出相應的判斷，內部存儲結構接近于一臺微型電腦，因具有良好的擴展性、易于編程、組態靈活、安裝方便、運行速度快、抗干擾性和穩定性，被廣泛應用于目前各類自動控制領域。主要包括：中央處理單元、存儲器、輸入裝置、輸出裝置和執行裝置。

1.1 整體結構及工作原理

PLC主要包括：中央處理器（CPU）、數據存儲器、輸入裝置、輸出裝置。當PLC運行時，主要分為3個工作階段，并且重復以上3個工作步驟。首先是輸入采樣，中央處理器對外界變化信息進行集中獲取與處理，并將各類信號轉換到各個執行程序，這種集中輸出的工作方式，可以提高PLC的抗干擾能力，維持系統工作的穩定性;接下來是執行裝置，對響應的信息進行動作執行，最后是輸出刷新，將各類信息進行實時刷新存儲。

1.2 PLC的特點

1.2.1通用性強

PLC裝置的設計對所有的工業產品與環境的考慮通用性強，具有靈活（Flexibility in Use）、簡單（Simple and Intuitive Use）、容錯能力強（Tolerance for Error）的特點，在編程設計過程中，基于梯形圖并伴隨簡單的指令形式，不需要特定、復雜的編程語言，在各類控制中用戶使用方便簡單，操作簡單易學，當需要按照特定要求進行更換程序時，可以現場進行程序改變，并且對于外界環境要求低，可以適應各類工作環境，PLC通用性較強是PLC系統目前廣泛使用的主要原因。

1.2.2功能強大

PLC兼具邏輯和數學運算，并且具有計時計數、無線通信、自檢自查、信息記錄存儲等功能，小小地一個PLC便可以完成對一臺機械、一條自動生產線的

自動控制，因此，PLC功能強大，可以控制一個完整的生產過程。

1.2.3可靠性高

PLC主要應用范圍就是在各類工業設計與控制系統中。工業生產大多環境惡劣、且氣候因子變化和各類電磁波的干擾頻發，因此PLC在設計時就需要具有較強的抗干擾能力。傳統的控制系統需要進行大量電線進行連接，安裝繁瑣，且易于受到外界環境的干擾，使用壽命短，安裝復雜。PLC屬于一種微電子，體積小、重量輕，大量的動作由一個微電子存儲器完成，可靠性大大提高，并且具有故障自檢自查，進行自我修復，可以適應各種復雜的天氣變化，目前市面上的PLC能抗>1000V、0.5ms的脈沖干擾，工作濕度可以在極度干旱和水中使用，溫度適應范圍為0～80℃，因此具有將強的工作穩定性。

1.2.4控制系統的設計、安裝、調試和維修方便

PLC最重要的工業設計特點就是體積小、結構緊湊簡單，且運行過程中能耗低，在運行過程中調試方便，調試周期短，用戶可以很快的進行控制與調試;在維修方面，PLC運行穩定性好，故障率低，而且PLC具有良好的自我故障檢測功能，可以自查故障后查明原因進行自我修復，大大減少了用戶的維修工作量，因此可以逐步替代傳統的工業電子元件，成為目前機電一體化系統的重要、理想的控制設備。

2 PLC在電力系統中的應用

2.1 PLC系統在開關量控制中的應用

“開”、“關”是電力系統最基本的功能，對電力系統進行開啟和關閉。開關量是電力系統接通和斷開的對應值，對應為“1”和“0”。是對外界連續信號進行采集、處理，最后傳遞給電力系統的執行裝置控制相應的電路動作，屬于數字電路系統中的開關信號，主要分為：開關量、數字量、模擬量和脈沖量[4]。

2.2 PLC系統在順序控制中的應用

順序控制在電力控制系統中是指對信號順序進行先后取分，可以維持電力系統中的各項執行機構進行有序控制，主要分為：時序控制、邏輯控制和條件控制，主要工作要素為轉移條件、轉移目標和工作任務。時序控制主要是以時間為主要特點進行先后控制，各個機構以時間為控制變量，運行和停止都以時間為界限;邏輯控制是以邏輯順序為特點進行各個機構的控制，對PLC存儲記憶功能進行控制，模仿人的邏輯思考能力進行控制，與時間無關;條件控制是邏輯順序的一種，主要是依靠判斷上一個執行步驟是否完成而決定是否進行下一個步驟，如果上一個步驟沒有完成則無法進行下一項[6]，對于整個電力系統穩定、有序的運行具有重要的意義。

2.3斷路器的控制

斷路器（Breaker）是能夠維持正常電力系統運行的重要保障，是電力系統中電力輸送、分配與使用的重要組成部分，在傳統電力系統中主要利用繼電器來控制電路的開關，但是斷路器對環境要求高，周圍溫度不能超過37℃，海拔高度不能超過2100m，大氣濕度不能超過85%，污染等級<3級，因此大大地限制了斷路器在電力系統中的使用。PLC開始逐步拓展斷路器的使用功能，極大地提高了電力系統的穩定性和可靠性，并且在電力系統出現故障時靈敏度高、反應快，可以快速對電力系統做出動作反應，實現對電力系統的控制，提高電力系統的工作效率與安全性能，大大降低了人力投入與維修頻率。

3過流保護的繼電保護裝置電路設計

3.1 PLC遠程監控系統

電力系統以PLC為設備的控制核心，選取PLC遠程網關和PLC通信模塊為數據遠程輸送系統，基于Wifi、4G和5G等多種電子通信方式將PLC遠程采集的數據輸送至控制終端，用戶可以在控制終端實現在線監控與程序調試，進而完成對電力系統的控制與調試（如下圖1所示）。遠程控制系統可以讓用戶在異地也得到資源的充分利用，進行遠程數據處理，當遇到惡劣天氣環境時，操作人員可以在遠程對電力系統的現場情況進行實時監測，從而完成對電力系統各項參數的調整，遇到故障時，也可以進行遠程修復與調控，大大地減少了人力投入，提高工作效率。

3.2 PLC多代理機制過電流

多代理（Multi-agent，MAS）技術是目前電力系統中的主要發展方向，主要對電力系統中的智能保護、電路穩定及遠程監控發揮了重要的作用，可以彌補繼電器在電力系統中無法彌補的一些問題，如響應慢，保護時間過長，無法適應動態變化、故障檢測能力有限等問題。將PLC系統應用到多代理控制中有利于完善電力系統的體系結構，可以直接與Agent網絡進行信息傳遞，基于多代理機構，可以將電力系統保護分為3個層次結構，即：中央控制層、控制代理層和執行代理層。每一層之間可以實現相互通信，信息互通，可以保障電力系統中對故障反應的可靠性和快速性，使電力系統中各執行機構時刻保持較高的靈敏度和最快的反應速度。

4系統的測試

4.1繼電保護輸出保護設備的調試

繼電保護裝置主要是針對電路系統中故障發生時及時做出反應并發出報警，及時快速的反應給工作人員，PLC裝置也可以直接對所控制的電路系統及時反應并作出跳閘保護，是保障電路系統安全可靠運行的重要部分。基于PLC控制系統的繼電保護設備的調試基于我國頒布《繼電器保護測試裝置條件》的基礎上，PLC采用16位的DAC模塊進行測試，直接與pc電腦連接，測試結果表明，當電路電流超過設置閾值時，PLC可以自動進行跳閘保護并以輸出信號及時傳遞至pc終端，反應速度<0.01s，調試結果表明，PLC控制反應迅速，體積微小但是操作功能強大，測試精度和靈敏程度高。

4.2繼電保護系統在電流采集及電壓檢測方面的調試

基于4.1的PLC控制系統，對遠程控制與調試功能進行在線測試，并針對電力系統中發生故障時或其它異常情況時的電流、電壓及電路功率進行采集，調試結果表明對系統各項變量采集精度較高，誤差低于0.5%，可以滿足各項電力系統的精度要求，進而作出相應的處理，發出報警信號并自己進行電路跳閘的電路保護。

4.3繼電保護設備的狀態檢測

本研究主要對電路系統中的電流保護（電流速斷保護、過電流保護、定時限制電流保護）、電壓保護（過電壓保護、欠電壓保護）進行狀態檢測。其中，電流、電壓保護以各項狀態下設定的閾值進行判定，超過設定閾值后進行斷電保護并啟動報警裝置，記錄超過閾值時的動作時間，保護時間越短代表PLC靈敏度越高。

5結語

本研究對PLC控制系統的特點及應用范圍進行研究，基于PLC控制系統的特點分析在電路系統中的過電流保護裝置的應用。通過分析可知，目前PLC控制系統在電力系統中應用較為簡單，后續發展我們應該對PLC電力系統中的過電流保護裝置的穩定性和可靠性進行進一步研究，以期為提高電力系統中的過電流保護裝置的穩定性和安全性提供理論基礎。

參考文獻

[1]林文城.基于PLC的變量泵控制設計研究[J].船電技術，2021，41（11）：24-26.

[2]陳飛飛.PLC變頻節能技術在電氣自動化設備中的應用與研究[J].數字技術與應用，2021，39（09）：4-6.

[3]馬忠波.電機短路故障PLC自控系統防護設計[J].南方農機，2021，52（12）：190-192.

[4]吳文廷.基于工程實踐能力培養的PLC實訓體系研究——以黎明職業大學為例[J].通化師范學院學報，2021，42（06）：123-130.

[5]張建鋒.基于PLC的礦井提升控制系統應用[J].機電工程技術，2021，50（04）：251-253.

作者簡介：艾述亮，1969.9，漢族，湖南省郴州市蘇仙區，本科，副教授，研究方向：電氣工程