於燕青

摘要：以繼電保護(hù)裝置過流保護(hù)設(shè)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(tài)靈活、抗干擾性能強、易于安裝等優(yōu)勢。在繼電保護(hù)裝置過流保護(hù)設(shè)計中要充分發(fā)揮上述優(yōu)勢，從模塊設(shè)計、控制回路設(shè)計、過流保護(hù)程序設(shè)計、過流保護(hù)裝置調(diào)試分析等環(huán)節(jié)，全面分析PLC控制器在繼電保護(hù)裝置過流保護(hù)項目中的設(shè)計方法。旨在依托PLC控制器徹底顛覆原有過流保護(hù)設(shè)計體系，保障繼電保護(hù)裝置平穩(wěn)運行，從根源上預(yù)防裝置誤動、拒動等問題出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：PLC? 繼電保護(hù)裝置? 過流保護(hù)? 設(shè)計方法

中圖分類號：TM77 ????文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)代電力工程，PLC可編程邏輯控制器逐漸取代了傳統(tǒng)微機(jī)處理器，成為繼電保護(hù)裝置主要組成部分，這對改善繼電保護(hù)效果、始終維持電力系統(tǒng)平穩(wěn)運行工況有著重要現(xiàn)實意義，充分滿足日益提高的電力系統(tǒng)建設(shè)需求。為提高過流保護(hù)設(shè)計水平，要構(gòu)建成熟的PLC過流保護(hù)設(shè)計體系，提高繼電保護(hù)成效，發(fā)揮繼電保護(hù)裝置作用。

1 PLC在繼電保護(hù)裝置過流保護(hù)中的應(yīng)用優(yōu)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(shù)字量、開關(guān)量等各類現(xiàn)場信號的處理條件，適用范圍遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的微機(jī)處理器。同時，保持PLC裝置與電力系統(tǒng)中的傳感電流變送器、電機(jī)啟動器、開關(guān)器件等硬件設(shè)備的直接連接狀態(tài)，PLC控制器通過通信總線和CPU主板進(jìn)行連接，向各類電氣設(shè)備與電氣線路提供繼電保護(hù)^[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(shù)特殊情況外，把梯形圖命令語句數(shù)量控制在16條左右即可，編程難度較低，設(shè)計人員無須掌握計算機(jī)專業(yè)知識，可以在短時間內(nèi)完成編程任務(wù)，把PLC控制器投入使用。相比之下，傳統(tǒng)微處理器的指令數(shù)量在數(shù)十條至上百條不等，并把指令分為算術(shù)運算指令、邏輯運算指令、數(shù)據(jù)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(shè)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(jī)架構(gòu)，集成度較高，由數(shù)字I/O模板、模擬I/O模板等部分組成，不易出現(xiàn)故障問題，可以在復(fù)雜環(huán)境下長時間維持穩(wěn)定工況條件。同時，在PLC控制器內(nèi)額外設(shè)置保護(hù)電路與大量自檢信號，繼電保護(hù)系統(tǒng)運行期間，定期檢測PLC控制器的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)程序并發(fā)無序運行、繼電保護(hù)裝置拒動與誤動等異常問題后，短時間內(nèi)出具故障診斷報告，并向工作人員發(fā)送報警信號，避免因PLC控制器原因而導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置失效。

1.4組態(tài)靈活

PLC控制器采取積木式結(jié)構(gòu)，把單項功能模塊作為構(gòu)成控制器總體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)單元，根據(jù)實際繼電保護(hù)需求來確定功能方案、配備PLC功能模塊結(jié)構(gòu)，避免因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜而產(chǎn)生額外造價成本，或是因缺少關(guān)鍵使用功能而影響繼電保護(hù)效果。同時，后續(xù)出現(xiàn)電力系統(tǒng)規(guī)模、繼電保護(hù)需求變更情況時，設(shè)計人員根據(jù)實際情況來調(diào)整PLC控制器模塊結(jié)構(gòu)即可，無須安裝全新的PLC控制器，或是大幅度改造繼電保護(hù)系統(tǒng)。

1.5抗干擾性能強

PLC控制器具備屏蔽層，在通信導(dǎo)線外側(cè)設(shè)置屏蔽層，對中央處理器、編程器等核心部件使用導(dǎo)電材料或是導(dǎo)磁性材料進(jìn)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(tǒng)復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境中保持穩(wěn)定運行工況。而傳統(tǒng)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(wǎng)短路暫態(tài)沖擊、大型電力設(shè)備啟停諧波等一系列影響，最終引發(fā)設(shè)備失控、裝置誤動作等各類問題出現(xiàn)^[2]。

1.6易于安裝

傳統(tǒng)裝置對安裝環(huán)境有著嚴(yán)格要求，普遍需要在專用設(shè)備用房內(nèi)部安裝繼電保護(hù)裝置，并對房間采取嚴(yán)格屏蔽措施，這無疑會抬高工程造價成本與繼電保護(hù)設(shè)計難度。而對PLC控制器的使用，工作人員直接把檢測器件、現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)與PLC控制器I/O接口端子正確連接即可，PLC控制器運行質(zhì)量與繼電保護(hù)效果不受影響，無須在方案內(nèi)采取額外設(shè)計措施。

2 基于PLC的繼電保護(hù)裝置過流保護(hù)設(shè)計方法

2.1模塊設(shè)計

在繼電保護(hù)裝置，PLC控制器主要由測量模塊、運算模塊、執(zhí)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(shè)計方法、功能定位略有不同。同時，如果對繼電保護(hù)效果提出額外要求，則需要根據(jù)具體要求來增設(shè)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(hù)系統(tǒng)運行期間，電流互感器負(fù)責(zé)基于程序準(zhǔn)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(zhuǎn)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(tǒng)與現(xiàn)場電氣設(shè)備的運行狀態(tài)，把測量結(jié)果作為是否執(zhí)行繼電保護(hù)動作的重要依據(jù)。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(xiàn)場監(jiān)測信號，再對測量結(jié)果進(jìn)行處理后提交至運算模塊。同時，如果現(xiàn)場出現(xiàn)電氣故障，工作人員可以調(diào)取PLC控制器存儲的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，用于回溯故障發(fā)生過程、提供故障診斷依據(jù)^[3]。

2.1.2運算模塊

運算模塊是實現(xiàn)閉環(huán)邏輯控制目標(biāo)的重要基礎(chǔ)，以A/D轉(zhuǎn)換器為核心，持續(xù)把電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，信號轉(zhuǎn)換后上傳至PLC主機(jī)，對比電流輸出值與輸入值，準(zhǔn)確判斷被保護(hù)對象的運行狀態(tài)。如果電流等電氣參數(shù)的輸入值、輸出值偏差程度超標(biāo)，則表明保護(hù)對象出現(xiàn)過電流等運行故障，后續(xù)輸出控制指令、展開繼電保護(hù)動作。同時，把運算模塊作為PLC繼電保護(hù)裝置的核心部分，要求運算模塊與執(zhí)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(tài)。

2.1.3執(zhí)行模塊

執(zhí)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(tài)，在PLC控制器下達(dá)指令后，驅(qū)動接觸裝置在約定時間內(nèi)展開過流保護(hù)動作，遠(yuǎn)程開啟/閉合全部回路或是指定回路內(nèi)的開關(guān)裝置。執(zhí)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(hù)動作，需要根據(jù)可靠系數(shù)、返回系數(shù)、保護(hù)設(shè)備實際額定電流來計算動作電流整定值，可靠系數(shù)取值為1.2，返回系數(shù)取值范圍在0.85～0.95。同時，保持執(zhí)行模塊與運算模塊、電源模塊連接狀態(tài)，運算模塊負(fù)責(zé)向執(zhí)行模塊下達(dá)控制指令，電源模塊負(fù)責(zé)持續(xù)向執(zhí)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(hù)系統(tǒng)運行期間，對現(xiàn)場監(jiān)測信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后，以圖件報表形式在顯示器界面上可視化呈現(xiàn)各條電氣回路的實時工作狀態(tài)，顯示內(nèi)容包括電壓值、回路電流值、故障狀態(tài)等，幫助工作人員了解電力系統(tǒng)運行工況，為運維管理與生產(chǎn)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(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，通過鍵盤操作或是觸摸屏操作，遠(yuǎn)程向繼電保護(hù)裝置下達(dá)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(zhì)安全型電源以及熔斷器作為核心部件，負(fù)責(zé)向PLC控制器與繼電保護(hù)裝置供電，要求電源模塊必須與執(zhí)行模塊、運算模塊和鍵盤顯示器模塊保持相互連接狀態(tài)。此外，根據(jù)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(diào)整接線。

2.1.6其他模塊

考慮到電氣系統(tǒng)現(xiàn)場運行環(huán)境較為惡劣，繼電保護(hù)裝置長期處于高溫、潮濕環(huán)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(jié)構(gòu)中增設(shè)隔爆、驅(qū)動加熱、抗震動、防塵等其他功能模塊，以現(xiàn)場環(huán)境條件作為此類模塊的選型、設(shè)計依據(jù)。以防潮模塊為例，加裝濕度傳感器與加熱裝置，持續(xù)檢測繼電保護(hù)裝置所處環(huán)境空氣濕度，當(dāng)環(huán)境相對濕度超過95%或其他標(biāo)準(zhǔn)時，啟動加熱裝置，在高溫條件下穩(wěn)步降低濕度，避免出現(xiàn)裝置結(jié)露、金屬部分生銹、內(nèi)部爬電放電等問題。

2.2控制回路設(shè)計

在控制回路設(shè)計環(huán)節(jié)，把熱繼電器等裝置作為繼電保護(hù)裝置，把電動機(jī)、線路作為保護(hù)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(tài)，熱繼電器常閉觸點和KM線圈進(jìn)行連接。在電力系統(tǒng)運行期間，經(jīng)由通信線路持續(xù)把電路現(xiàn)場監(jiān)測信號反饋給觸摸屏，工作人員手動下達(dá)控制指令，或是由PLC控制器根據(jù)用戶程序掃描結(jié)果來下達(dá)控制指令，最終把指令發(fā)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(hù)裝置，同步聯(lián)動控制報警燈、報警鈴設(shè)備來發(fā)送報警信號。具體來講，在控制回路內(nèi)采取常開觸點連接方式，提前設(shè)定電流等電氣參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值與報警閾值，確定系統(tǒng)出現(xiàn)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(hù)對象運行狀態(tài)、啟動報警裝置。同時，考慮到電力系統(tǒng)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(hù)措施，則會對電力系統(tǒng)的正常使用造成明顯影響。因此，需要基于PLC控制器來實現(xiàn)三段式過流保護(hù)，設(shè)計人員根據(jù)過流保護(hù)需要，在PLC用戶程序內(nèi)設(shè)定三個電流值，分別為初級保護(hù)電流值、次級保護(hù)電流值以及最終保護(hù)電流值。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)過流故障后，實時電流值達(dá)到初級保護(hù)電流值時，PLC發(fā)送故障報警信號；實時電流值達(dá)到次級保護(hù)電流值時，PLC控制器自動斷開故障設(shè)備電源；實時電流值達(dá)到最終保護(hù)電流值時，PLC控制器則向保護(hù)設(shè)備下達(dá)最終關(guān)斷信號^[5]。

2.3過流保護(hù)程序設(shè)計

PLC過流保護(hù)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(xù)采集現(xiàn)場監(jiān)測信號，根據(jù)運算分析結(jié)果判斷電流值是否超過安全閾值，確定保護(hù)對象運行狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否出現(xiàn)過載、短路等故障問題，并把過載信號發(fā)送給顯示器。確定運行故障后，基于程序準(zhǔn)則來控制繼電保護(hù)裝置開展保護(hù)動作、故障回路斷電，當(dāng)保護(hù)對象處于正常運行狀態(tài)時，不執(zhí)行繼電保護(hù)動作，維持穩(wěn)定回路運行狀態(tài)。

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(jù)系統(tǒng)實際情況來確定輸出口電壓值與輸入口電流值的邏輯關(guān)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(shè)定為600/I。系統(tǒng)運行期間，程序根據(jù)模擬量輸入口電壓來取得信號值，根據(jù)信號值與電流值二者比例線性關(guān)系，把信號值導(dǎo)入公式中來求解實際電流值，最終把電流值作為過流保護(hù)動作的執(zhí)行依據(jù)，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(tài)。

2.3.2故障診斷程序

電力系統(tǒng)過流故障主要分為短路、過載兩種，設(shè)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(jù)。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(shù)后，判斷檢測線路出現(xiàn)短路故障，把故障類型設(shè)定為1類，故障信息存儲到寄存器中，同步向顯示器發(fā)送故障信號，控制繼電保護(hù)裝置延時展開相應(yīng)動作，迅速斷開故障電路電源。正常情況下，把短路延時設(shè)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(jù)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(shù)，且不低于110，則判斷檢測線路存在過載故障，把故障類型設(shè)定為4類。隨后，把故障信息以信號方式上傳至寄存器內(nèi)存儲，同步共享給顯示器，延時200ms后驅(qū)動繼電保護(hù)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(hù)裝置調(diào)試分析

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

2.4.1調(diào)試前期準(zhǔn)備

在調(diào)試準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，首先，按照接線圖紙連接各臺電氣設(shè)備與配套電源，檢查接線質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)。其次，對配電電源的連接安全性以及可靠性加以全面復(fù)查，以系統(tǒng)電源電壓等級、負(fù)荷電源電壓等級、變壓器輸入側(cè)電壓等級作為復(fù)查重點。最后，對全部回路的啟停功能使用情況進(jìn)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(tǒng)送電，正式開展過流保護(hù)調(diào)試工作。

2.4.2調(diào)試步驟

在過流保護(hù)調(diào)試環(huán)節(jié)，把調(diào)試過程拆解為保護(hù)整定值設(shè)定、負(fù)荷電流調(diào)節(jié)、調(diào)試結(jié)果記錄3個步驟。第一，保護(hù)整定值設(shè)定，在系統(tǒng)操作界面內(nèi)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，根據(jù)過流保護(hù)要求來設(shè)定整定電流值與短路倍數(shù)，將其作為PLC繼電保護(hù)控制依據(jù)。例如，把整定電流值設(shè)置為100A，短路倍數(shù)設(shè)置為8。第二，負(fù)荷電流調(diào)節(jié)，提前在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置多種負(fù)荷電流，配備計時器，把系統(tǒng)給定電流值逐漸調(diào)節(jié)為負(fù)荷電流值，單個給定電流值連續(xù)開展2～3次試驗，記錄試驗結(jié)果，最終取各次試驗的均值作為最終試驗結(jié)果。第三，調(diào)試結(jié)果記錄，在繼電保護(hù)裝置調(diào)試期間，同步記錄給定電流值、保護(hù)動作開展時間等數(shù)據(jù)，用于判斷過流保護(hù)精度與時效性是否達(dá)到設(shè)計要求。例如 ：在給定電流值超過800A時，要求繼電保護(hù)裝置在0.2s內(nèi)完成過流保護(hù)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(hù)裝置在120s內(nèi)完成過流保護(hù)動作。此外，考慮到繼電保護(hù)裝置的實際運行環(huán)境較為復(fù)雜，為真實還原過流保護(hù)情況，必須模擬惡劣環(huán)境來開展過流保護(hù)裝置調(diào)試工作，準(zhǔn)確判斷現(xiàn)場環(huán)境對繼電保護(hù)效果造成的實質(zhì)影響。

3? 結(jié)語

綜上所述，為保障電氣系統(tǒng)穩(wěn)定運行，顯著降低過流等電氣故障出現(xiàn)率。設(shè)計人員必須認(rèn)識到PLC可編程邏輯控制器在過流保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用價值，以PLC控制器作為核心部件來建立全新繼電保護(hù)系統(tǒng)，切實掌握在模塊設(shè)計、控制回路設(shè)計、程序設(shè)計這3個方面的設(shè)計方法及要點，做好調(diào)試分析工作，最大程度改善系統(tǒng)繼電保護(hù)效果。

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