浅析基于PLC技术的电力系统过流保护

摘 要：电力系统过电流保护（Over Current Protection）是指当系统工作电流超过设定阈值时，系统自动断开，给出报警信号并启动保护装置的一种系统保护方式。因此，过流保护装置对于保障电力系统的正常运行起到重要的作用。基于PLC技术的过流保护装置解决了传统继电保护装置无法在极短的时间内检测出故障的问题，通过PLC技术实现电力传输过程中的实时监控与保护，对于电力系统的安全稳定运行非常重要。

关键字：PLC;继电保护装置;过流保护;故障判断

0引言

电力系统是日常生活和社会发展的一个组成部分。电力系统在运行过程中，容易发生各种运行故障，对系统的安全运行造成一定的影响。其中，电流不稳定造成的系统短路是最常见的电路运行故障，主要是由于电流过大进而影响了整个电路系统运行的稳定性，给社会经济发展带来了巨大的损失，因此，过电流保护装置是电力系统中的重要组成部分。主要作用是当监测到电路系统中的电流超过设定的电流阈值时，进行保护动作，主要分为短路保护和过载保护，其稳定性、可靠性与灵敏性是保护装置的重要评定指标。

随着社会的发展，继电保护装置已经成为电力系统的主要组成部分。PLC装置因其具有较高的稳定性和灵敏性在目前应用范围最广，并且PLC保护装置维修简单，可以对电力系统运行中的故障做出快速的响应，可以避免造成不必要的损失，对维持电力系统的稳定发展起到了重要作用。

1 PLC技术及特点

PLC（Programmable Logic Controller）是一种可编程的逻辑控制器，是一种在工业生产中应用最为广泛的一种微电子系统，其本质是一种可编程的控制存储器，可以进行自动控制、算术运算或模拟信号的输入或输出做出相应的判断，内部存储结构接近于一台微型电脑，因具有良好的扩展性、易于编程、组态灵活、安装方便、运行速度快、抗干扰性和稳定性，被广泛应用于目前各类自动控制领域。主要包括：中央处理单元、存储器、输入装置、输出装置和执行装置。

1.1 整体结构及工作原理

PLC主要包括：中央处理器（CPU）、数据存储器、输入装置、输出装置。当PLC运行时，主要分为3个工作阶段，并且重复以上3个工作步骤。首先是输入采样，中央处理器对外界变化信息进行集中获取与处理，并将各类信号转换到各个执行程序，这种集中输出的工作方式，可以提高PLC的抗干扰能力，维持系统工作的稳定性;接下来是执行装置，对响应的信息进行动作执行，最后是输出刷新，将各类信息进行实时刷新存储。

1.2 PLC的特點

1.2.1通用性强

PLC装置的设计对所有的工业产品与环境的考虑通用性强，具有灵活（Flexibility in Use）、简单（Simple and Intuitive Use）、容错能力强（Tolerance for Error）的特点，在编程设计过程中，基于梯形图并伴随简单的指令形式，不需要特定、复杂的编程语言，在各类控制中用户使用方便简单，操作简单易学，当需要按照特定要求进行更换程序时，可以现场进行程序改变，并且对于外界环境要求低，可以适应各类工作环境，PLC通用性较强是PLC系统目前广泛使用的主要原因。

1.2.2功能强大

PLC兼具逻辑和数学运算，并且具有计时计数、无线通信、自检自查、信息记录存储等功能，小小地一个PLC便可以完成对一台机械、一条自动生产线的

自动控制，因此，PLC功能强大，可以控制一个完整的生产过程。

1.2.3可靠性高

PLC主要应用范围就是在各类工业设计与控制系统中。工业生产大多环境恶劣、且气候因子变化和各类电磁波的干扰频发，因此PLC在设计时就需要具有较强的抗干扰能力。传统的控制系统需要进行大量电线进行连接，安装繁琐，且易于受到外界环境的干扰，使用寿命短，安装复杂。PLC属于一种微电子，体积小、重量轻，大量的动作由一个微电子存储器完成，可靠性大大提高，并且具有故障自检自查，进行自我修复，可以适应各种复杂的天气变化，目前市面上的PLC能抗>1000V、0.5ms的脉冲干扰，工作湿度可以在极度干旱和水中使用，温度适应范围为0～80℃，因此具有将强的工作稳定性。

1.2.4控制系统的设计、安装、调试和维修方便

PLC最重要的工业设计特点就是体积小、结构紧凑简单，且运行过程中能耗低，在运行过程中调试方便，调试周期短，用户可以很快的进行控制与调试;在维修方面，PLC运行稳定性好，故障率低，而且PLC具有良好的自我故障检测功能，可以自查故障后查明原因进行自我修复，大大减少了用户的维修工作量，因此可以逐步替代传统的工业电子元件，成为目前机电一体化系统的重要、理想的控制设备。

2 PLC在电力系统中的应用

2.1 PLC系统在开关量控制中的应用

“开”、“关”是电力系统最基本的功能，对电力系统进行开启和关闭。开关量是电力系统接通和断开的对应值，对应为“1”和“0”。是对外界连续信号进行采集、处理，最后传递给电力系统的执行装置控制相应的电路动作，属于数字电路系统中的开关信号，主要分为：开关量、数字量、模拟量和脉冲量[4]。

2.2 PLC系统在顺序控制中的应用

顺序控制在电力控制系统中是指对信号顺序进行先后取分，可以维持电力系统中的各项执行机构进行有序控制，主要分为：时序控制、逻辑控制和条件控制，主要工作要素为转移条件、转移目标和工作任务。时序控制主要是以时间为主要特点进行先后控制，各个机构以时间为控制变量，运行和停止都以时间为界限;逻辑控制是以逻辑顺序为特点进行各个机构的控制，对PLC存储记忆功能进行控制，模仿人的逻辑思考能力进行控制，与时间无关;条件控制是逻辑顺序的一种，主要是依靠判断上一个执行步骤是否完成而决定是否进行下一个步骤，如果上一个步骤没有完成则无法进行下一项[6]，对于整个电力系统稳定、有序的运行具有重要的意义。

2.3断路器的控制

断路器（Breaker）是能够维持正常电力系统运行的重要保障，是电力系统中电力输送、分配与使用的重要组成部分，在传统电力系统中主要利用继电器来控制电路的开关，但是断路器对环境要求高，周围温度不能超过37℃，海拔高度不能超过2100m，大气湿度不能超过85%，污染等级<3级，因此大大地限制了断路器在电力系统中的使用。PLC开始逐步拓展断路器的使用功能，极大地提高了电力系统的稳定性和可靠性，并且在电力系统出现故障时灵敏度高、反应快，可以快速对电力系统做出动作反应，实现对电力系统的控制，提高电力系统的工作效率与安全性能，大大降低了人力投入与维修频率。

3过流保护的继电保护装置电路设计

3.1 PLC远程监控系统

电力系统以PLC为设备的控制核心，选取PLC远程网关和PLC通信模块为数据远程输送系统，基于Wifi、4G和5G等多种电子通信方式将PLC远程采集的数据输送至控制终端，用户可以在控制终端实现在线监控与程序调试，进而完成对电力系统的控制与调试（如下图1所示）。远程控制系统可以让用户在异地也得到资源的充分利用，进行远程数据处理，当遇到恶劣天气环境时，操作人员可以在远程对电力系统的现场情况进行实时监测，从而完成对电力系统各项参数的调整，遇到故障时，也可以進行远程修复与调控，大大地减少了人力投入，提高工作效率。

3.2 PLC多代理机制过电流

多代理（Multi-agent，MAS）技术是目前电力系统中的主要发展方向，主要对电力系统中的智能保护、电路稳定及远程监控发挥了重要的作用，可以弥补继电器在电力系统中无法弥补的一些问题，如响应慢，保护时间过长，无法适应动态变化、故障检测能力有限等问题。将PLC系统应用到多代理控制中有利于完善电力系统的体系结构，可以直接与Agent网络进行信息传递，基于多代理机构，可以将电力系统保护分为3个层次结构，即：中央控制层、控制代理层和执行代理层。每一层之间可以实现相互通信，信息互通，可以保障电力系统中对故障反应的可靠性和快速性，使电力系统中各执行机构时刻保持较高的灵敏度和最快的反应速度。

4系统的测试

4.1继电保护输出保护设备的调试

继电保护装置主要是针对电路系统中故障发生时及时做出反应并发出报警，及时快速的反应给工作人员，PLC装置也可以直接对所控制的电路系统及时反应并作出跳闸保护，是保障电路系统安全可靠运行的重要部分。基于PLC控制系统的继电保护设备的调试基于我国颁布《继电器保护测试装置条件》的基础上，PLC采用16位的DAC模块进行测试，直接与pc电脑连接，测试结果表明，当电路电流超过设置阈值时，PLC可以自动进行跳闸保护并以输出信号及时传递至pc终端，反应速度<0.01s，调试结果表明，PLC控制反应迅速，体积微小但是操作功能强大，测试精度和灵敏程度高。

4.2继电保护系统在电流采集及电压检测方面的调试

基于4.1的PLC控制系统，对远程控制与调试功能进行在线测试，并针对电力系统中发生故障时或其它异常情况时的电流、电压及电路功率进行采集，调试结果表明对系统各项变量采集精度较高，误差低于0.5%，可以满足各项电力系统的精度要求，进而作出相应的处理，发出报警信号并自己进行电路跳闸的电路保护。

4.3继电保护设备的状态检测

本研究主要对电路系统中的电流保护（电流速断保护、过电流保护、定时限制电流保护）、电压保护（过电压保护、欠电压保护）进行状态检测。其中，电流、电压保护以各项状态下设定的阈值进行判定，超过设定阈值后进行断电保护并启动报警装置，记录超过阈值时的动作时间，保护时间越短代表PLC灵敏度越高。

5结语

本研究对PLC控制系统的特点及应用范围进行研究，基于PLC控制系统的特点分析在电路系统中的过电流保护装置的应用。通过分析可知，目前PLC控制系统在电力系统中应用较为简单，后续发展我们应该对PLC电力系统中的过电流保护装置的稳定性和可靠性进行进一步研究，以期为提高电力系统中的过电流保护装置的稳定性和安全性提供理论基础。

参考文献

[1]林文城.基于PLC的变量泵控制设计研究[J].船电技术，2021，41（11）：24-26.

[2]陈飞飞.PLC变频节能技术在电气自动化设备中的应用与研究[J].数字技术与应用，2021，39（09）：4-6.

[3]马忠波.电机短路故障PLC自控系统防护设计[J].南方农机，2021，52（12）：190-192.

[4]吴文廷.基于工程实践能力培养的PLC实训体系研究——以黎明职业大学为例[J].通化师范学院学报，2021，42（06）：123-130.

[5]张建锋.基于PLC的矿井提升控制系统应用[J].机电工程技术，2021，50（04）：251-253.

作者简介：艾述亮，1969.9，汉族，湖南省郴州市苏仙区，本科，副教授，研究方向：电气工程