基于PLC的继电保护装置的过流保护设计

2020-02-04王珏

电子技术与软件工程 2020年12期

王珏

（山西电力职业技术学院山西省太原市 030021）

电力系统的继电保护装置是一种能够自动检测、识别故障并终止系统运行的设备，对电力系统的安全运行有着至关重要的作用。电力系统对继电保护装置运行可靠性、稳定性的要求极高，但是在我国电力系统中，传统的继电保护装置是依靠动作值的整定计算进行工作的，并且是通过最小运行方式对灵敏度进行检验，这些特点使得传统继电保护装置对电力系统的整定保护时间过长，无法在短时间内检测出电力系统的故障，并且继电的保护时间也是十分有限的。这种情况主要是由于传统的微机保护自动化水平较低，无法实现对电力系统的动态检测和保护。要想实现对电力系统运行状态的动态检测和保护，必须充分利用PLC 来构建继电保护装置，并做好基于PLC 的继电保护装置的过流保护设计。

1 PLC概述

PLC 指的是可编程逻辑控制器，可以通过利用可编程的存储器对程序进行存储，并执行相应的顺序控制、运算等面向用户的指令，最终实现对机械、生产过程的自动、有效控制。可编程逻辑控制器硬件结构和当今的微型计算机基本一样，可以看作是一种专门用在工业，进行生产控制的计算机。可编程逻辑控制器具体由电源、中央处理单元、存储器、输入和输出接口电路以及功能模块构成。其中电源是可编程逻辑控制器的基础，没有一个可靠的电源支撑，可编程逻辑控制器将无法正常、稳定运行。中央处理单元是可编程逻辑控制器的核心，可以通过中央处理单元来接收、存储用户的数据信息，并对其他部分的状态进行检查，识别用户程序中的错误。对于大型的可编程逻辑控制器来说，仅靠一个中央处理单元进行运行是远远不够的，可靠性会很低，在这种情况下，可以采用双中央处理单元构成冗余系统，或者采用三中央处理单元构成表决式系统，当系统中某一个中央处理单元出现故障问题时，整个可编程逻辑控制器还可以正常、稳定运行，可靠性得到了极大提高。

可编程逻辑控制器主有着许多的优点，比如其采用的编程语言通常是比较简单明了的逻辑图、梯形图，不需要较为复杂的计算机知识，开发整个系统耗费的时间短，调试起来也十分简单，当发现编写的程序存在问题时，工作人员可以在线对程序进行修改，不必拆动硬件去对控制方案进行更改。可编程逻辑控制器利用软件取代了传统继电器中的时间继电器、中间继电器，只保留了极少的硬件元件，大大减少了由于这些继电器触点接触不良而引发的故障问题，整体的抗干扰能力很强，在工业生产现场这种干扰强烈的环境下仍可稳定运行。此外，可编程逻辑控制器的维修保养也十分简单、方便，当出现故障问题时，工作人员可以依靠编程器反馈而来的信息及时找到故障所在，明确故障成因，确保可以及时解决掉故障问题。

图1

图2

2 基于PLC的继电保护装置的过流保护设计

继电保护装置是一种能够对电力系统运行状况进行自动检测，对故障问题进行自动报警的设备，并且还可以自动控制断路器跳闸，能够实现对电力系统的自动、有效保护，极大提高电力系统运行的可靠性、稳定性以及安全性。基于PLC 的继电保护装置必须在稳定性、选择性、瞬时动态性以及灵敏性四个方面达到要求，确保能够提升电力系统运行的稳定性，能够实现对电力系统运行状况的实时监控。需要注意的是，不同工厂对继电保护装置的要求是不同的，实际的保护原理以及需要使用的编程语言、算法往往也不同，在编写继电保护软件程序时，必须结合工厂电力系统的实际情况进行。本文分析的可编程逻辑控制器是以S3C2510 芯片为虚拟系统，有着能耗低、数据处理速度快、功能丰富的优点，能够将不同的操作划分成不同的执行优先级，能够帮助继电保护装置对电力系统的运行进行实时的检测和保护。

开展基于PLC 的继电保护装置过流保护设计，首先需要对电力系统的实际情况进行细致分析，在本设计中主要采用的是多代理机制，将基于PLC 的继电保护装置过电流保护机制划分到工厂中的每一个区域，具体的断路器、可编程逻辑控器分布如图1 所示。

图1 中的PLC1、PLC2、PLC3、PLC4 四台控制单元通过现场总线进行连接，最终构成齐全的控制网络，实现对电力系统的有效控制。不同区域的PLC需要通过控制总线来和控制上机位进行连接，依靠上机位具有屏蔽功能的双绞线来实现基于PLC 的继电保护装置的通信功能。

过电流保护具体是指当线路中的电流超过预定的数值时，能够控制保护装置动作，保护电力系统安全。在进行基于PLC 的继电保护装置过流保护设计时，需要进行一系列的线路整定计算和灵敏度的检验，确保后续的过流保护设计有着极高的科学性和可行性。进行的线路整定计算主要有以下几点：

（1）电流继电器的整定计算。这一过程需要按照躲过变压器的额定电流来对电流继电器的动作电流进行整定，具体公式如下：Iop=（KrelIn）/（KrNa），其中Krel 指的是可靠系数，取值为1.2，Kr 是返回系数，取值在0.85～0.95 之间，In 指的是变压器的实际额定电流。

（2）灵敏系数检验。继电保护装置灵敏系数检验和不带低电压闭锁的过电流保护一样，需要按照Ksen=Uop/（Ur.max/Nv）公式进行计算，Ur.max 指的是在运行过程中灵敏系数检验点出现金属性相间短路时在保护安装处的最高残压。

（3）低电压保护整定值Udzj=Umin/KkKhNy=0.9Ue/KkKhNy。

（4）保护装置的动作电流整定值Idzj=KkKjxIgh/KhN1。

基于PLC 的继电保护装置的过电流保护设计原理展开图如图2所示。

在整个电路正常的情况下KV1、KV2、KV3 三个低电压继电器的常闭触点是处于断开位置的，并且KA1、KA2 两个过电流继电器的常闭触点也是处于断开位置的。当线路电流超过了继电器动作电流的整定值，系统电压不变时，KA1 和KA2 常开触点会闭合，但是由于系统电压不变，三个低电压继电器不会释放，中间继电器不会吸和，这也就使得断路器QF 保持在原状态，不会跳闸。只有系统电压出现了显著下降并且线路电流超过了继电器动作电流的整定值，KV1、KV2、KV3 三个低电压继电器释放，KA1、KA2常开触点闭合后，才会使得断路器QF 动作。在这种情况下KV1、KV2、KV3 的常开触点闭合，KC1 中间继电器得到电流使得常开触点闭合，并且KT 时间继电器也会得到电流，KT 时间继电器在得到电流后其常开触点会延时闭合，最终接通断路器QF 中的跳闸线圈YR，使得断路器QF 跳闸，中断整个电路。

3 基于PLC的继电保护装置的过电流保护设计可行性分析

在基于PLC 的继电保护装置的过电流保护设计中，通信状态的数据信息主要通过上位机获取，断路器跳闸的指令主要通过各个可编程逻辑控制器获取。通过对这些数据信息进行收集，可以有效掌控电力系统各部分的运行状态，并实现配电系统和检测机构之间的数据交换，如果断路器无法正确断开，可以通过控制单元来自动搜索附件的断路器，从而有效控制系统的断开，有效保护电力系统的安全。此设计中的网络通信模式是CAN 拓扑结构，这种通信结构最远的通信距离可以达到10KM，信号的最大传输速度可以达到1Mbps，而工厂中220KV 主降压变压器到各个生产车间的平均距离大约为1KM，所以说各个可编程逻辑控制器的机位都属于CAN 拓扑结构的范围中，信号在范围内传递的速度也能够达到国家相关的标准。