基于PLC的自動(dòng)化變壓器繼電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

韓屹威++唐少臣++毛行星

摘要：傳統(tǒng)的繼電微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)由于在過電流保護(hù)方面存在著比較明顯的缺陷，隨著工業(yè)社會(huì)的不斷發(fā)展，配電系統(tǒng)是工程建設(shè)的必要環(huán)節(jié)，對工業(yè)配電系統(tǒng)的可靠性與智能性提出了很高的要求，也是社會(huì)不斷向前發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的必然要求。本文在對參考文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，闡述了PLC繼電保護(hù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本原理，同時(shí)對嵌入式PLC降壓變電所繼電保護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。另外，本文將PLC中的多級代理技術(shù)融入到變電站繼電保護(hù)裝置的使用之中，通過可行性論證之后，采用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于PLC通信控制的過電流保護(hù)技術(shù)；與傳統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)技術(shù)相比，其智能性明顯提高，滿足了該工廠的工程技術(shù)需求。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù)系統(tǒng)；PLC；多級代理機(jī)制

中圖分類號(hào)：TM774 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）03-0015-02

在電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置中，通常要求其具有較好的選擇性、較高的可靠性以及良好的使用穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置是按照動(dòng)作值的整定計(jì)算來進(jìn)行的，靈敏度校驗(yàn)方面采用最小運(yùn)行方式進(jìn)行檢驗(yàn)。但是這種傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在整定保護(hù)時(shí)間過長，繼電保護(hù)時(shí)間有限以及保護(hù)故障檢測比較困難等。出現(xiàn)上述問題的根源就在于傳統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)并不能在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)對繼電保護(hù)運(yùn)行系統(tǒng)狀態(tài)的檢測。目前基于自適應(yīng)以PLC為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠充分考慮到變壓器繼電保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況和具體問題的復(fù)雜性，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的理想保護(hù)自動(dòng)化系統(tǒng)選擇。

1 嵌入式PLC的原理

隨著近代控制學(xué)的不斷發(fā)展，尤其是最近十幾年來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，它以較小體積、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性以及低成本，能夠?qū)崿F(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的良好融合等優(yōu)點(diǎn)得到了全世界的工業(yè)用電系統(tǒng)的青睞。PLC技術(shù)是在最新國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-4的頒布的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來，PLC在實(shí)現(xiàn)軟件封裝的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)“微機(jī)”的功能，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。

隨著工業(yè)化用電的不斷發(fā)展，要求PLC處理的信息能力不斷值增強(qiáng)，對其運(yùn)算精度和實(shí)時(shí)性能要求越來越高。目前電力系統(tǒng)同經(jīng)常采用嵌入式PLC控制系統(tǒng)，一方面可以采用PLC語言進(jìn)行邏輯編程；同時(shí)還兼具著計(jì)算能力強(qiáng)和實(shí)時(shí)性優(yōu)異的特點(diǎn)。

2 基于PLC的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)

工業(yè)用PLC繼電保護(hù)對工廠的電力系統(tǒng)的安全性、可靠性以及實(shí)時(shí)性具有關(guān)鍵的作用。本文針對某工廠進(jìn)行的基于PLC的某工廠降壓變電所的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)，也必須達(dá)到“選擇性、靈敏性、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性”四個(gè)方面的基本要求。本文所使用的PLC是以三星公司的S3C2510芯片為虛擬機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了ARM920T內(nèi)核，這種PLC具有低能耗、內(nèi)設(shè)豐富和高速處理數(shù)據(jù)的基本功能，系統(tǒng)中的每一個(gè)操作任務(wù)都會(huì)有優(yōu)先級別，是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，能夠滿足該工廠繼電器保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)要求。在進(jìn)行工廠繼電器保護(hù)設(shè)計(jì)的過程中，由于保護(hù)的原理不同，需要使用PLC編程語言，所使用的算法也就不盡相同，要根據(jù)工廠的實(shí)際情況來進(jìn)行繼電保護(hù)軟件程序的編寫。

3 PLC機(jī)繼電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與可行性分析

3.1 PLC繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)

本電路設(shè)計(jì)采用PLC中的多代理機(jī)制，將過電流保護(hù)機(jī)制分配到該廠區(qū)的各個(gè)車間和生活區(qū)域中，涉及到使用的PLC和相對應(yīng)的控制斷路器如表1所示。

經(jīng)過綜合考慮，該廠的生產(chǎn)區(qū)域和生活區(qū)域的配電系統(tǒng)采用CAN網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)，PLC控制器之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

現(xiàn)場四臺(tái)PLC控制單元PLC1-4利用現(xiàn)場總線進(jìn)行CAN方式的拓?fù)滏溄樱瑥亩鴮?shí)現(xiàn)工業(yè)用電控制的網(wǎng)絡(luò)控制。各個(gè)現(xiàn)場PLC通過控制總線與控制上機(jī)位進(jìn)行連接，各個(gè)繼電保護(hù)裝置通過上機(jī)位的帶有屏蔽功能的雙絞線進(jìn)行通信功能的實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)場給每一臺(tái)PLC配上PC機(jī)進(jìn)行程序的編制和設(shè)備的控制。

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)的可行性分析

本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的是為了實(shí)現(xiàn)工廠配電系統(tǒng)內(nèi)部與各個(gè)檢測機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)交換。比如當(dāng)本系統(tǒng)中的斷路器不能正確的斷開時(shí)，能夠通過控制單元自動(dòng)的搜索到附件的斷路器，加速系統(tǒng)的保護(hù)作用。目前可行性分析主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）本系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)通信模式為CAN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該通信結(jié)構(gòu)的最遠(yuǎn)通信距離為10KM，信號(hào)最大傳輸速度為1Mbps（通信最長距離為50m）。工廠220KV主降壓變壓器距離各個(gè)車間的平均距離為1KM，其中各個(gè)車間10KV距離6KV空壓站的距離為0.5千米，所以各個(gè)PLC之間的機(jī)位控制在CAN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的范圍之內(nèi)，信息的傳遞速率也達(dá)到相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。

（2）對于本系統(tǒng)的CAN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用短幀結(jié)構(gòu)的信息傳遞模式，其中有效的字節(jié)數(shù)為8個(gè)，傳輸時(shí)間較短，受到干擾的概率比較低，出現(xiàn)傳遞錯(cuò)誤時(shí)能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)。

3.3 PLC多代理機(jī)制過電流繼電保護(hù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的繼電保護(hù)為PLC多代理機(jī)制，如果要實(shí)現(xiàn)對每個(gè)控制進(jìn)出線斷路器，僅需要對PLC控制器進(jìn)行微調(diào)即可。在PLC的數(shù)據(jù)輸出點(diǎn)上可以增減電壓檢測單元，電壓的信號(hào)數(shù)值來自于PT兩側(cè)的電壓值；其次可以調(diào)整PLC整定值，將電流值調(diào)整為最大允許電流值；電壓值可以設(shè)置為母線電壓的60%-70%。對于本設(shè)計(jì)中的6KV空壓站進(jìn)線斷路器QF4而言，在帶有PLC代理機(jī)制的過電流飽和情況下?；诙嗉壌淼倪^電流繼電保護(hù)裝置的技術(shù)關(guān)鍵在于對現(xiàn)場的PLC以及PLC與上位機(jī)之間的信息交互進(jìn)行設(shè)置，滿足其一定的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。早期的變電站采用的是串行網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，這種通信方式的主要缺點(diǎn)為傳輸?shù)乃俾时容^低，一般采用主從結(jié)構(gòu)，會(huì)帶來主機(jī)信息的共享的困難。目前比較流行的是現(xiàn)場總線技術(shù)，本設(shè)計(jì)中采用的CAN現(xiàn)場總線技術(shù)還具有全球的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。假設(shè)在空壓站6KV的母線上發(fā)生三相電壓故障，通過與傳統(tǒng)繼電保護(hù)模式相對比可知，多級代理機(jī)制PLC，可以通過對QF4斷路器的設(shè)置，讓其處于未切斷的短路狀態(tài)，則其上級車間10KV出線斷路器QF3自動(dòng)調(diào)動(dòng)，切斷故障進(jìn)行保護(hù)。在傳統(tǒng)的過電流保護(hù)模式下，熔斷器QF3會(huì)在QF4后備保護(hù)0.5S后進(jìn)行跳閘，使得系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

4 人機(jī)交互監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

人機(jī)交互的監(jiān)控的設(shè)計(jì)：

某工廠工業(yè)區(qū)域和生活區(qū)域的用電系統(tǒng)繼電保護(hù)系統(tǒng)，以PLC為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，能夠?qū)崿F(xiàn)全廠的配電需求和二次設(shè)備的檢測管理，是的全廠多級變和配電系統(tǒng)主要設(shè)備和輸配電線路的自動(dòng)化檢測和微機(jī)保護(hù)。

本畢業(yè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的人機(jī)界面交互系統(tǒng)主要包括三個(gè)方面的功能，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)設(shè)備的完全監(jiān)控。主界面包括了潮流在線監(jiān)測、控制面板以及繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置監(jiān)控。某工廠潮流檢測系統(tǒng)界面實(shí)現(xiàn)了對全工廠的電壓系統(tǒng)檢測、電流在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測以及中心監(jiān)測。表2為繼電保護(hù)裝置及監(jiān)測電壓及電流數(shù)據(jù)及來源。

5 結(jié)語

隨著工業(yè)社會(huì)的不斷發(fā)展，配電系統(tǒng)是工程建設(shè)的必要環(huán)節(jié)，對工業(yè)配電系統(tǒng)的可靠性與智能性提出了很高的要求，也是社會(huì)不斷向前發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的必然要求。本文將PLC中的多級代理技術(shù)融入到變電站繼電保護(hù)裝置的使用之中，通過可行性論證之后，采用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于PLC通信控制的過電流保護(hù)技術(shù)；與傳統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)技術(shù)相比，其智能性明顯提高，滿足了該工廠的工程技術(shù)需求。目前嵌入式PLC技術(shù)已經(jīng)成功的運(yùn)用到相當(dāng)多的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)中，他們之間的相互結(jié)合已經(jīng)成為了一種不可阻擋的趨勢。本文在通過對繼電保護(hù)原理分析的基礎(chǔ)上，對PLC的原理以及可行性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

由于筆者本身的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足，雖然能夠滿足設(shè)計(jì)的需求，但是還有以下問題需要進(jìn)一步探索：1）本文所涉及的PLC虛擬機(jī)指令相對比較簡單，僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)比較常規(guī)的PLC編程需要，針對繼電保護(hù)系統(tǒng)的多樣性需求，需要進(jìn)一步豐富；2）所設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性需要進(jìn)一步驗(yàn)證，尤其是繼電保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性能需要驗(yàn)證。

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