基于PLC的繼電保護裝置的過流保護設計

於燕青

摘要：以繼電保護裝置過流保護設計作為切入點，PLC可編程邏輯控制器具有功能模塊齊全、易于編程、可靠性強、組態靈活、抗干擾性能強、易于安裝等優勢。在繼電保護裝置過流保護設計中要充分發揮上述優勢，從模塊設計、控制回路設計、過流保護程序設計、過流保護裝置調試分析等環節，全面分析PLC控制器在繼電保護裝置過流保護項目中的設計方法。旨在依托PLC控制器徹底顛覆原有過流保護設計體系，保障繼電保護裝置平穩運行，從根源上預防裝置誤動、拒動等問題出現。

關鍵詞：PLC? 繼電保護裝置? 過流保護? 設計方法

中圖分類號：TM77 ????文獻標識碼：A

Design of Overcurrent Protection for Relay Protection Devices Based on PLC

YU Yanqing

（Ultra-High-Voltage Branch， State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu Province， 211102 China）

Abstract：This paper takes the design of overcurrent protection for relay protection devices as the starting point. The PLC programmable logic controller has the advantages of complete functional modules， easy programming， strong reliability， flexible configuration， strong anti-interference performance and easy installation. In the design of overcurrent protection for relay protection devices， this paper should give full play to the above advantages， and comprehensively analyze the design method of PLC controllers in overcurrent protection projects for relay protection devices from the links of module design， control circuit design， overcurrent protection program design and the debugging and analysis of overcurrent protection devices， aiming to completely overturn the original overcurrent protection design system by relying on PLC controllers， ensure the smooth operation of relay protection devices， and prevent problems such as the maloperation and refusal to operate of devices from the root.

Key Words： PLC; Relay protection device; Overcurrent protection; Design method

在現代電力工程，PLC可編程邏輯控制器逐漸取代了傳統微機處理器，成為繼電保護裝置主要組成部分，這對改善繼電保護效果、始終維持電力系統平穩運行工況有著重要現實意義，充分滿足日益提高的電力系統建設需求。為提高過流保護設計水平，要構建成熟的PLC過流保護設計體系，提高繼電保護成效，發揮繼電保護裝置作用。

1 PLC在繼電保護裝置過流保護中的應用優勢

1.1功能模塊齊全

PLC 控制器具備完善使用功能，由諸多輸入功能模塊、輸出功能模塊組成，具備直流、交流、模擬量、數字量、開關量等各類現場信號的處理條件，適用范圍遠超傳統的微機處理器。同時，保持PLC裝置與電力系統中的傳感電流變送器、電機啟動器、開關器件等硬件設備的直接連接狀態，PLC控制器通過通信總線和CPU主板進行連接，向各類電氣設備與電氣線路提供繼電保護^[1]。

1.2易于編程

PLC控制器以繼電器控制梯形圖作為控制程序，除極少數特殊情況外，把梯形圖命令語句數量控制在16條左右即可，編程難度較低，設計人員無須掌握計算機專業知識，可以在短時間內完成編程任務，把PLC控制器投入使用。相比之下，傳統微處理器的指令數量在數十條至上百條不等，并把指令分為算術運算指令、邏輯運算指令、數據傳送指令、移位操作指令、字符串處理指令等若干類型，程序編寫流程較為繁瑣，要求設計人員熟練掌握C++、BASIC、PASCAL等編程語言。

1.3可靠性強

PLC控制器普遍采取單片微型計算機架構，集成度較高，由數字I/O模板、模擬I/O模板等部分組成，不易出現故障問題，可以在復雜環境下長時間維持穩定工況條件。同時，在PLC控制器內額外設置保護電路與大量自檢信號，繼電保護系統運行期間，定期檢測PLC控制器的運行狀態，發現程序并發無序運行、繼電保護裝置拒動與誤動等異常問題后，短時間內出具故障診斷報告，并向工作人員發送報警信號，避免因PLC控制器原因而導致繼電保護裝置失效。

1.4組態靈活

PLC控制器采取積木式結構，把單項功能模塊作為構成控制器總體結構的物質單元，根據實際繼電保護需求來確定功能方案、配備PLC功能模塊結構，避免因系統結構過于復雜而產生額外造價成本，或是因缺少關鍵使用功能而影響繼電保護效果。同時，后續出現電力系統規模、繼電保護需求變更情況時，設計人員根據實際情況來調整PLC控制器模塊結構即可，無須安裝全新的PLC控制器，或是大幅度改造繼電保護系統。

1.5抗干擾性能強

PLC控制器具備屏蔽層，在通信導線外側設置屏蔽層，對中央處理器、編程器等核心部件使用導電材料或是導磁性材料進行屏蔽處理，使得PLC控制器在運行期間基本不受外界干擾信號影響，在電力系統復雜現場環境中保持穩定運行工況。而傳統裝置的抗干擾能力較差，容易受到空間輻射電磁場因素影響，并通過輸電線路對裝置運行工況造成電網短路暫態沖擊、大型電力設備啟停諧波等一系列影響，最終引發設備失控、裝置誤動作等各類問題出現^[2]。

1.6易于安裝

傳統裝置對安裝環境有著嚴格要求，普遍需要在專用設備用房內部安裝繼電保護裝置，并對房間采取嚴格屏蔽措施，這無疑會抬高工程造價成本與繼電保護設計難度。而對PLC控制器的使用，工作人員直接把檢測器件、現場執行機構與PLC控制器I/O接口端子正確連接即可，PLC控制器運行質量與繼電保護效果不受影響，無須在方案內采取額外設計措施。

2 基于PLC的繼電保護裝置過流保護設計方法

2.1模塊設計

在繼電保護裝置，PLC控制器主要由測量模塊、運算模塊、執行模塊、鍵盤顯示器模塊、電源模塊五項功能模塊組成，各處模塊的設計方法、功能定位略有不同。同時，如果對繼電保護效果提出額外要求，則需要根據具體要求來增設其他類型的功能模塊。

2.1.1測量模塊

測量模塊以電流互感器、電流變送器作為核心部件，繼電保護系統運行期間，電流互感器負責基于程序準則定期測量所接入電路的實時電流值，再由電流變送器把輸出電流轉換為PLC控制器可識別電壓信號。通過測量模塊，使得PLC控制器全面掌握電氣系統與現場電氣設備的運行狀態，把測量結果作為是否執行繼電保護動作的重要依據。測量模塊與電氣回路、運算模塊相互連接，通過電氣回路來采集現場監測信號，再對測量結果進行處理后提交至運算模塊。同時，如果現場出現電氣故障，工作人員可以調取PLC控制器存儲的現場測量數據，用于回溯故障發生過程、提供故障診斷依據^[3]。

2.1.2運算模塊

運算模塊是實現閉環邏輯控制目標的重要基礎，以A/D轉換器為核心，持續把電壓模擬信號轉換為數字信號，信號轉換后上傳至PLC主機，對比電流輸出值與輸入值，準確判斷被保護對象的運行狀態。如果電流等電氣參數的輸入值、輸出值偏差程度超標，則表明保護對象出現過電流等運行故障，后續輸出控制指令、展開繼電保護動作。同時，把運算模塊作為PLC繼電保護裝置的核心部分，要求運算模塊與執行模塊、電源模塊、測量模塊與鍵盤顯示器模塊保持連接狀態。

2.1.3執行模塊

執行模塊以中間繼電器、主接觸器作為核心部件，保持二者共同配合狀態，在PLC控制器下達指令后，驅動接觸裝置在約定時間內展開過流保護動作，遠程開啟/閉合全部回路或是指定回路內的開關裝置。執行模塊以電流整定值為主，在實際電流超過整定值后再行開展過流保護動作，需要根據可靠系數、返回系數、保護設備實際額定電流來計算動作電流整定值，可靠系數取值為1.2，返回系數取值范圍在0.85～0.95。同時，保持執行模塊與運算模塊、電源模塊連接狀態，運算模塊負責向執行模塊下達控制指令，電源模塊負責持續向執行模塊供電^[4]。

2.1.4鍵盤顯示器模塊

鍵盤顯示器模塊也被稱為顯示模塊，以觸摸屏、鍵盤作為核心部件，繼電保護系統運行期間，對現場監測信號進行轉換處理后，以圖件報表形式在顯示器界面上可視化呈現各條電氣回路的實時工作狀態，顯示內容包括電壓值、回路電流值、故障狀態等，幫助工作人員了解電力系統運行工況，為運維管理與生產活動開展提供信息支持。同時，工作人員可以使用顯示模塊來實現遠程控制功能，通過鍵盤操作或是觸摸屏操作，遠程向繼電保護裝置下達控制指令，或是重新編寫PLC控制器程序。

2.1.5電源模塊

電源模塊以整流單元、電源變壓器、霍爾傳感器、本質安全型電源以及熔斷器作為核心部件，負責向PLC控制器與繼電保護裝置供電，要求電源模塊必須與執行模塊、運算模塊和鍵盤顯示器模塊保持相互連接狀態。此外，根據實際情況來選擇電源變壓器型號，正常情況下，配備1140V與660V通用型號電源變壓器即可，按照實際電壓等級來調整接線。

2.1.6其他模塊

考慮到電氣系統現場運行環境較為惡劣，繼電保護裝置長期處于高溫、潮濕環境，遭受外部碰撞與電磁干擾，致使裝置老化速度加快、故障率提升與縮短實際使用壽命，因而需要在結構中增設隔爆、驅動加熱、抗震動、防塵等其他功能模塊，以現場環境條件作為此類模塊的選型、設計依據。以防潮模塊為例，加裝濕度傳感器與加熱裝置，持續檢測繼電保護裝置所處環境空氣濕度，當環境相對濕度超過95%或其他標準時，啟動加熱裝置，在高溫條件下穩步降低濕度，避免出現裝置結露、金屬部分生銹、內部爬電放電等問題。

2.2控制回路設計

在控制回路設計環節，把熱繼電器等裝置作為繼電保護裝置，把電動機、線路作為保護對象，保持熱繼電器常開觸點和PLC控制器輸入端相互連接狀態，熱繼電器常閉觸點和KM線圈進行連接。在電力系統運行期間，經由通信線路持續把電路現場監測信號反饋給觸摸屏，工作人員手動下達控制指令，或是由PLC控制器根據用戶程序掃描結果來下達控制指令，最終把指令發送給熱繼電器所處線路，如果檢測到過流故障，立即啟動熱繼電器保護裝置，同步聯動控制報警燈、報警鈴設備來發送報警信號。具體來講，在控制回路內采取常開觸點連接方式，提前設定電流等電氣參數的標準值與報警閾值，確定系統出現過流故障后，通過接動合按鈕、閉合/斷開KM主接觸點來切換保護對象運行狀態、啟動報警裝置。同時，考慮到電力系統在不同過流情況下的運行工況存在明顯差異，如果PLC控制器檢測到電流值異常后全部采取切斷電源等保護措施，則會對電力系統的正常使用造成明顯影響。因此，需要基于PLC控制器來實現三段式過流保護，設計人員根據過流保護需要，在PLC用戶程序內設定三個電流值，分別為初級保護電流值、次級保護電流值以及最終保護電流值。當電力系統出現過流故障后，實時電流值達到初級保護電流值時，PLC發送故障報警信號；實時電流值達到次級保護電流值時，PLC控制器自動斷開故障設備電源；實時電流值達到最終保護電流值時，PLC控制器則向保護設備下達最終關斷信號^[5]。

2.3過流保護程序設計

PLC過流保護程序主要由電流折算處理程序、故障診斷程序兩部分組成，在PLC控制器初始化完畢后，持續采集現場監測信號，根據運算分析結果判斷電流值是否超過安全閾值，確定保護對象運行狀態，進而判斷是否出現過載、短路等故障問題，并把過載信號發送給顯示器。確定運行故障后，基于程序準則來控制繼電保護裝置開展保護動作、故障回路斷電，當保護對象處于正常運行狀態時，不執行繼電保護動作，維持穩定回路運行狀態。

2.3.1電流折算處理程序

在電流折算處理程序，以電流互感器與電流變送器作為核心部件，根據系統實際情況來確定輸出口電壓值與輸入口電流值的邏輯關系。正常情況下，把0～5V作為電流變送器AC輸入范圍，0～10V作為電流變送器DC輸出范圍，電流互感器設定為600/I。系統運行期間，程序根據模擬量輸入口電壓來取得信號值，根據信號值與電流值二者比例線性關系，把信號值導入公式中來求解實際電流值，最終把電流值作為過流保護動作的執行依據，實際電流值超過1.1倍整定值或是安全閾值后，控制裝置展開動作，迅速把故障回路切換為斷電狀態。

2.3.2故障診斷程序

電力系統過流故障主要分為短路、過載兩種，設計人員需要編寫面向各類故障問題的診斷程序，并以實際電流值和整定電流比值作為故障診斷依據。第一，短路故障診斷程序，在100倍三相電流極值和整定電流二者比值超過100倍短路倍數后，判斷檢測線路出現短路故障，把故障類型設定為1類，故障信息存儲到寄存器中，同步向顯示器發送故障信號，控制繼電保護裝置延時展開相應動作，迅速斷開故障電路電源。正常情況下，把短路延時設定為200ms即可，選用VW242型號故障類型寄存器。第二，過載故障診斷程序。根據運算模塊輸出值，判斷100倍三相電流極值和整定電流值二者比值，如果比值不足100倍短路倍數，且不低于110，則判斷檢測線路存在過載故障，把故障類型設定為4類。隨后，把故障信息以信號方式上傳至寄存器內存儲，同步共享給顯示器，延時200ms后驅動繼電保護裝置展開動作，控制故障電路斷電，選用VW240型號故障類型寄存器^[6]。

2.4過流保護裝置調試分析

繼電保護裝置有著結構復雜、功能眾多特點，過流保護設計難度較高，設計成果質量受到多方面因素影響，充滿不確定性。如果直接把初步設計方案投入實施，在電力系統運行期間，有一定可能出現繼電保護裝置失效、拒動、誤動現象，存在安全隱患。因此，在過流保護設計完畢后，必須開展調試檢查作業，觀察繼電保護裝置在不同工況條件下是否順利展開保護動作、充分發揮各項使用功能。要求做好調試前期準備工作，正確掌握調試步驟及操作要點。

2.4.1調試前期準備

在調試準備環節，首先，按照接線圖紙連接各臺電氣設備與配套電源，檢查接線質量是否達標。其次，對配電電源的連接安全性以及可靠性加以全面復查，以系統電源電壓等級、負荷電源電壓等級、變壓器輸入側電壓等級作為復查重點。最后，對全部回路的啟停功能使用情況進行檢查，送電后按下任意回路的啟動按鈕與停止按鈕，觀察回路是否順利啟動、停電。通過全部檢查后，即可向電力系統送電，正式開展過流保護調試工作。

2.4.2調試步驟

在過流保護調試環節，把調試過程拆解為保護整定值設定、負荷電流調節、調試結果記錄3個步驟。第一，保護整定值設定，在系統操作界面內進入參數設置界面，根據過流保護要求來設定整定電流值與短路倍數，將其作為PLC繼電保護控制依據。例如，把整定電流值設置為100A，短路倍數設置為8。第二，負荷電流調節，提前在系統內設置多種負荷電流，配備計時器，把系統給定電流值逐漸調節為負荷電流值，單個給定電流值連續開展2～3次試驗，記錄試驗結果，最終取各次試驗的均值作為最終試驗結果。第三，調試結果記錄，在繼電保護裝置調試期間，同步記錄給定電流值、保護動作開展時間等數據，用于判斷過流保護精度與時效性是否達到設計要求。例如 ：在給定電流值超過800A時，要求繼電保護裝置在0.2s內完成過流保護動作。而在給定電流值在1.1～1.2倍整定電流值時，要求繼電保護裝置在120s內完成過流保護動作。此外，考慮到繼電保護裝置的實際運行環境較為復雜，為真實還原過流保護情況，必須模擬惡劣環境來開展過流保護裝置調試工作，準確判斷現場環境對繼電保護效果造成的實質影響。

3? 結語

綜上所述，為保障電氣系統穩定運行，顯著降低過流等電氣故障出現率。設計人員必須認識到PLC可編程邏輯控制器在過流保護領域中的應用價值，以PLC控制器作為核心部件來建立全新繼電保護系統，切實掌握在模塊設計、控制回路設計、程序設計這3個方面的設計方法及要點，做好調試分析工作，最大程度改善系統繼電保護效果。

參考文獻

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