PLC在配电系统保护的应用分析

黄永坚

（广东顺畅科技有限公司，广东 江门 529000）

0 引 言

可编程控制器（Programmable Logical Controller，PLC）是微机与继电保护相结合的一种装置，它结合了两者的优点，具有功能强、可靠性高、使用方便以及体积小等特点[1]。目前广泛应用于工业控制领域，在电力系统中的应用也越来越多。本文根据传统10 kV变配电站继电保护系统，设计一个以PLC为核心，通过安装在系统中各种传感器所采集传递的信号完成对系统控制和保护的方案[2]。

1 传统配电系统保护方式设计缺陷

传统的保护方式是由各种的电流互感器、电压互感器、电流继电器、电压继电器及中间继电器等组成一套系统以实现各种保护功能。在使用的过程中最为常见的故障是继电器触点之间接触不良，触点与触点在接触的瞬间会产生电弧，从而导致触点产生融焊现象[3-5]。另外，绝大多数继电器都是裸露在大气中，使用时间长了难免会出现氧化的现象，从而导致接触不良。而继电器经过一段时间的使用也会有机械磨损等原因导致灵敏度下降，此时需要将系统上的继电器拆下来，使用专门的继电保护综合测试仪进行校验，否则一旦系统出现故障将起不到应有的保护，严重影响系统的可靠性[6]。这类型的故障不容易发现，检修的时间相对较长，严重影响用户的生产运行工作。

中途耗费时间长，影响供电的连续性。每次操作必须从值班室走到相应的电房，往往需要10 min左后，特别是进入高压室前必须穿戴好绝缘手套和绝缘鞋，做好个人防护措施后还要在专人监护的情况下方可操作，耗时更长。在此时段用户若处于停电状态，将严重影响下级负荷供电的连续性，会对生产带来一定的影响。此外，高压室、低压室以及变压器室是3个独立的运行场所，不利于集中化管理和操作，也不利于人员值班工作优化。

2 配电系统改造设想

综合配电系统设计缺陷对其进行优化，保留原有的开关和互感器，改造时只需拆除不必要的中间继电器，更换精密度高的电磁型电流和电压继电器，利用微机综合保护装置或增加一台PLC代替原系统上的所有中间环节，通过其内部的各种虚拟中间继电器和软连接实现保护。为了方便集中化管理节省人力劳动成本，在值班室增加一个综合机柜控制配电房的开关分断、监控以及计量等工作。

3 配电系统设计方案比较与选择

3.1 微机综合保护装置方案

微机综合保护装置的保护原理及特点主要有以下几点。一是在每台出线/进线柜都配备一台微机综合保护装置。二是通过接在系统中电流互感器产生的电流信号监测系统的电流情况，通过预先设定的值来实现过流保护。三是利用接在系统中电压互感器产生的电压信号监测系统的电压情况，且通过预先设定的值来实现过压/欠压保护[7]。四是通过RS485/RS422接口以值班室的后台机（电脑）监控实现远程监控。五是价格普遍偏高，如因泰莱PA140的价格大概在2 500元左右，性价比低。

3.2 PLC系统继保功能方案

PLC系统方案其特点及优点有以下几点。一是仅需在值班室安装一个综合机柜即可。二是通过电流继电器将电流互感器的电流信号转换成开关信号实现过流保护。三是电压继电器将电压互感器的电流信号转换成开关信号实现过压/欠压保护。四是通过综合机柜控制面板上的按钮、指示灯以及仪表实现远程监控。五是通过编程灵活运用组合出自己所需要的功能[6]。六是价格较低，如三菱公司FX2N-48MR的价格大概在1 800元左右，性价比较高。

3.3 方案优选

综合考虑两种方案的优缺点，采用微机综合保护装置虽然也可以实现系统上的保护，并且其自身的优点是可以直接与外部的电流和电压互感器相连从而省去一些中间环节，为日后检修带来一定方便，但是每个出线柜/进线柜都需要配备一台微机综合保护装置，如此一来系统组建成本大大增加。若采用PLC方案，虽然PLC不能够直接检测到配电系统的电流和电压信号，需要通过一些中间环节来转换识别，但因为其成本相比微机综合保护装置便宜，而且可以自己通过灵活编程组合出自己所需的功能，因此优先选择PLC系统来实现保护功能。

4 PLC在配电系统保护具体实施案例

4.1 配电一次系统结构

某厂10 kV配电系统中有1台电源进线柜、1台PT柜、1台计量柜、1台出线柜、两台变压器柜分别控制1#变压器、2#变压器。低压0.4 kV配电系统有两台进线柜分别是1#变压器进线柜和2#变压器进线柜，另外还包括两台电容柜、6台馈线柜以及1台联络柜。

4.2 配电系统保护要求

配电系统保护要求有以下几点，一是当系统出现过/欠压时要能可靠地将所有开关断开包括进线柜。二是出线柜和两台变压器柜电流超过限定值时能够自动断开开关。三是出线柜有自动重合闸功能防止开关误动作和线路因雷电或“瞬时性”导致的跳闸。四是变压器要有高温和超温保护。

4.3 二次接线部分

过电流保护回路如图1所示，过流回路以出线柜为例，为了方便集中管理采用EIR-HC-3A数字三相交流电流继电器。该继电器作为PLC检测系统过流的中间环节，具有三相过电流、过载及相电流不平衡检查功能，内部有报警蜂鸣器和过电流、过载独立输出继电器，配合采集、控制器兼作数字式三相交流电流表，详见表1。

图1 过电流保护回路

表1 三相交流电流表等效组成

系统正常工作时，任何一相流过EIR-HC-3A的电流都要比预先设定的过流值小，不会引起EIRHC-3A内部的过流输出继电器动作。值班员可以通过安装在值班室的综合机柜读取运行电流数值从而知道负荷的情况。当其中一相或多相流过EIR-HC-3A的电流和时间大于预先设定的过流值，触发EIRHC-3A内部的过流输出继电器动作让PLC检测到过电流信号，PLC发出跳闸信号使断路器断开。

4.4 系统过/欠压保护回路

系统过/欠压保护采用JL-410型过欠压继电器作为检测的中间环节。JL-410过/欠压继电器是一种多功能三相用电设备的监测和保护仪器。集三相电压显示、过电压保护、欠电压保护、缺相保护、三相电压不平衡保护以及相序保护于一体。图2为系统过/欠压保护回路图。

图2 系统过/欠压保护回路

回路正常工作时，a、b、c三相的电压波动不低于或不高于预先设定的数值，不会引起JL-410过/欠压继电器动作。值班员可以通过JL-410过/欠压继电器的显示面板留意到电网电压波动的情况。回路异常工作时，a、b、c三相的电压波动其中一相或多相出现低于或高于预先设定的数值，触发JL-410内部的过/欠压继电器动作让PLC检测到过/欠压信号，PLC发出跳闸信号使断路器迅速断开。

4.5 系统集中监控

以值班室综合机柜为监控平台，这样值班员可以对高压室和低压室的运行状态进行实时监控，既方便又安全，同时减少了劳动强度。改进后的配电一次系统框架如图3所示。

图3 配电一次系统框图

4.6 PLC的选型

机型选择的基本原则是在能够满足控制要求及保证运行可靠和维修方便的前提下，力争最佳的性价比。

容量选择包括I/O口数和用户程序存储容量的选择。由于I/O口数越多价格就越高，一般情况下I/O口是根据被控对象输入和输出信号的实际个数，再加上10%～15%的备用量来确定。用户存储容量的选择应按实际需要留20%～30%的余量来选择。I/O模块的选择分为输入信号的类型选择和控制电压等级的选择。有5 V、12 V、24 V、48 V以及60 V等可供选择，根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑选择24 V电压。

综合以上几个方面考虑，决定选用三菱FX2N-48MR型号的PLC。

4.7 加入自动重合闸、提高供电可靠性

电力系统运行经验表明，高压线路特别是架空线路绝大多数的故障都是瞬时性的，永久性的故障一般不到10%[8]。因此，当继电保护动作切除短路故障后，电弧将自动熄灭，绝大多数情况下短路处的绝缘可以自动恢复。自动将断路器重合不仅提高了供电的安全性和可靠性，减少了停电损失也可纠正因断路器或继电保护装置造成的误跳闸[9]。由于出线柜到其他变电站之间往往牵涉到比较多的附件，如瓷瓶、隔离开关、柱上开关以及避雷器等，而这些附件如果长时间没人打理表面就会积累大量的灰尘，一旦遇上雨天或潮湿天气就很容易发生绝缘击穿导致瞬间放电。为了保证下级供电可靠性，配电系统还应配置自动重合闸[10]。

4.8 运行调试

在运行试验前用万用表检查测量元器件的电气接触点，再检查接线是否有问题。在完成PLC编程后可先用PLC编程软件自带的逻辑测试功能进行模拟调试，检查程序中的错误，编程测试无误后方可通电进行总体调试。

5 结 论

通过本文PLC在配电系统保护具体实施案例可以看出，采用PLC实现继电保护和控制系统的操作，不仅大大提高系统的自动化水平和可靠性，而且系统的集中化监控方便了系统的信息化管理，大大提高了安全性和运行效率，减少值班人员劳动力并节约管理成本，此外简化了配电系统各种保护和控制之间的连接方式，使检修变得简单和容易。综上所述，该系统的建立有利于集中化管理，能体现出PLC应用价值。采取合理的配置方案，能起到节约成本和提高生产效率的效果，具有极佳的推广价值。