淺析基于PLC技術(shù)的電力系統(tǒng)過流保護

摘 要：電力系統(tǒng)過電流保護（Over Current Protection）是指當系統(tǒng)工作電流超過設(shè)定閾值時，系統(tǒng)自動斷開，給出報警信號并啟動保護裝置的一種系統(tǒng)保護方式。因此，過流保護裝置對于保障電力系統(tǒng)的正常運行起到重要的作用。基于PLC技術(shù)的過流保護裝置解決了傳統(tǒng)繼電保護裝置無法在極短的時間內(nèi)檢測出故障的問題，通過PLC技術(shù)實現(xiàn)電力傳輸過程中的實時監(jiān)控與保護，對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行非常重要。

關(guān)鍵字：PLC;繼電保護裝置;過流保護;故障判斷

0引言

電力系統(tǒng)是日常生活和社會發(fā)展的一個組成部分。電力系統(tǒng)在運行過程中，容易發(fā)生各種運行故障，對系統(tǒng)的安全運行造成一定的影響。其中，電流不穩(wěn)定造成的系統(tǒng)短路是最常見的電路運行故障，主要是由于電流過大進而影響了整個電路系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，給社會經(jīng)濟發(fā)展帶來了巨大的損失，因此，過電流保護裝置是電力系統(tǒng)中的重要組成部分。主要作用是當監(jiān)測到電路系統(tǒng)中的電流超過設(shè)定的電流閾值時，進行保護動作，主要分為短路保護和過載保護，其穩(wěn)定性、可靠性與靈敏性是保護裝置的重要評定指標。

隨著社會的發(fā)展，繼電保護裝置已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的主要組成部分。PLC裝置因其具有較高的穩(wěn)定性和靈敏性在目前應用范圍最廣，并且PLC保護裝置維修簡單，可以對電力系統(tǒng)運行中的故障做出快速的響應，可以避免造成不必要的損失，對維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展起到了重要作用。

1 PLC技術(shù)及特點

PLC（Programmable Logic Controller）是一種可編程的邏輯控制器，是一種在工業(yè)生產(chǎn)中應用最為廣泛的一種微電子系統(tǒng)，其本質(zhì)是一種可編程的控制存儲器，可以進行自動控制、算術(shù)運算或模擬信號的輸入或輸出做出相應的判斷，內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)接近于一臺微型電腦，因具有良好的擴展性、易于編程、組態(tài)靈活、安裝方便、運行速度快、抗干擾性和穩(wěn)定性，被廣泛應用于目前各類自動控制領(lǐng)域。主要包括：中央處理單元、存儲器、輸入裝置、輸出裝置和執(zhí)行裝置。

1.1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

PLC主要包括：中央處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器、輸入裝置、輸出裝置。當PLC運行時，主要分為3個工作階段，并且重復以上3個工作步驟。首先是輸入采樣，中央處理器對外界變化信息進行集中獲取與處理，并將各類信號轉(zhuǎn)換到各個執(zhí)行程序，這種集中輸出的工作方式，可以提高PLC的抗干擾能力，維持系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性;接下來是執(zhí)行裝置，對響應的信息進行動作執(zhí)行，最后是輸出刷新，將各類信息進行實時刷新存儲。

1.2 PLC的特點

1.2.1通用性強

PLC裝置的設(shè)計對所有的工業(yè)產(chǎn)品與環(huán)境的考慮通用性強，具有靈活（Flexibility in Use）、簡單（Simple and Intuitive Use）、容錯能力強（Tolerance for Error）的特點，在編程設(shè)計過程中，基于梯形圖并伴隨簡單的指令形式，不需要特定、復雜的編程語言，在各類控制中用戶使用方便簡單，操作簡單易學，當需要按照特定要求進行更換程序時，可以現(xiàn)場進行程序改變，并且對于外界環(huán)境要求低，可以適應各類工作環(huán)境，PLC通用性較強是PLC系統(tǒng)目前廣泛使用的主要原因。

1.2.2功能強大

PLC兼具邏輯和數(shù)學運算，并且具有計時計數(shù)、無線通信、自檢自查、信息記錄存儲等功能，小小地一個PLC便可以完成對一臺機械、一條自動生產(chǎn)線的

自動控制，因此，PLC功能強大，可以控制一個完整的生產(chǎn)過程。

1.2.3可靠性高

PLC主要應用范圍就是在各類工業(yè)設(shè)計與控制系統(tǒng)中。工業(yè)生產(chǎn)大多環(huán)境惡劣、且氣候因子變化和各類電磁波的干擾頻發(fā)，因此PLC在設(shè)計時就需要具有較強的抗干擾能力。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)需要進行大量電線進行連接，安裝繁瑣，且易于受到外界環(huán)境的干擾，使用壽命短，安裝復雜。PLC屬于一種微電子，體積小、重量輕，大量的動作由一個微電子存儲器完成，可靠性大大提高，并且具有故障自檢自查，進行自我修復，可以適應各種復雜的天氣變化，目前市面上的PLC能抗>1000V、0.5ms的脈沖干擾，工作濕度可以在極度干旱和水中使用，溫度適應范圍為0～80℃，因此具有將強的工作穩(wěn)定性。

1.2.4控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試和維修方便

PLC最重要的工業(yè)設(shè)計特點就是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊簡單，且運行過程中能耗低，在運行過程中調(diào)試方便，調(diào)試周期短，用戶可以很快的進行控制與調(diào)試;在維修方面，PLC運行穩(wěn)定性好，故障率低，而且PLC具有良好的自我故障檢測功能，可以自查故障后查明原因進行自我修復，大大減少了用戶的維修工作量，因此可以逐步替代傳統(tǒng)的工業(yè)電子元件，成為目前機電一體化系統(tǒng)的重要、理想的控制設(shè)備。

2 PLC在電力系統(tǒng)中的應用

2.1 PLC系統(tǒng)在開關(guān)量控制中的應用

“開”、“關(guān)”是電力系統(tǒng)最基本的功能，對電力系統(tǒng)進行開啟和關(guān)閉。開關(guān)量是電力系統(tǒng)接通和斷開的對應值，對應為“1”和“0”。是對外界連續(xù)信號進行采集、處理，最后傳遞給電力系統(tǒng)的執(zhí)行裝置控制相應的電路動作，屬于數(shù)字電路系統(tǒng)中的開關(guān)信號，主要分為：開關(guān)量、數(shù)字量、模擬量和脈沖量[4]。

2.2 PLC系統(tǒng)在順序控制中的應用

順序控制在電力控制系統(tǒng)中是指對信號順序進行先后取分，可以維持電力系統(tǒng)中的各項執(zhí)行機構(gòu)進行有序控制，主要分為：時序控制、邏輯控制和條件控制，主要工作要素為轉(zhuǎn)移條件、轉(zhuǎn)移目標和工作任務。時序控制主要是以時間為主要特點進行先后控制，各個機構(gòu)以時間為控制變量，運行和停止都以時間為界限;邏輯控制是以邏輯順序為特點進行各個機構(gòu)的控制，對PLC存儲記憶功能進行控制，模仿人的邏輯思考能力進行控制，與時間無關(guān);條件控制是邏輯順序的一種，主要是依靠判斷上一個執(zhí)行步驟是否完成而決定是否進行下一個步驟，如果上一個步驟沒有完成則無法進行下一項[6]，對于整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定、有序的運行具有重要的意義。

2.3斷路器的控制

斷路器（Breaker）是能夠維持正常電力系統(tǒng)運行的重要保障，是電力系統(tǒng)中電力輸送、分配與使用的重要組成部分，在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中主要利用繼電器來控制電路的開關(guān)，但是斷路器對環(huán)境要求高，周圍溫度不能超過37℃，海拔高度不能超過2100m，大氣濕度不能超過85%，污染等級<3級，因此大大地限制了斷路器在電力系統(tǒng)中的使用。PLC開始逐步拓展斷路器的使用功能，極大地提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并且在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時靈敏度高、反應快，可以快速對電力系統(tǒng)做出動作反應，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的控制，提高電力系統(tǒng)的工作效率與安全性能，大大降低了人力投入與維修頻率。

3過流保護的繼電保護裝置電路設(shè)計

3.1 PLC遠程監(jiān)控系統(tǒng)

電力系統(tǒng)以PLC為設(shè)備的控制核心，選取PLC遠程網(wǎng)關(guān)和PLC通信模塊為數(shù)據(jù)遠程輸送系統(tǒng)，基于Wifi、4G和5G等多種電子通信方式將PLC遠程采集的數(shù)據(jù)輸送至控制終端，用戶可以在控制終端實現(xiàn)在線監(jiān)控與程序調(diào)試，進而完成對電力系統(tǒng)的控制與調(diào)試（如下圖1所示）。遠程控制系統(tǒng)可以讓用戶在異地也得到資源的充分利用，進行遠程數(shù)據(jù)處理，當遇到惡劣天氣環(huán)境時，操作人員可以在遠程對電力系統(tǒng)的現(xiàn)場情況進行實時監(jiān)測，從而完成對電力系統(tǒng)各項參數(shù)的調(diào)整，遇到故障時，也可以進行遠程修復與調(diào)控，大大地減少了人力投入，提高工作效率。

3.2 PLC多代理機制過電流

多代理（Multi-agent，MAS）技術(shù)是目前電力系統(tǒng)中的主要發(fā)展方向，主要對電力系統(tǒng)中的智能保護、電路穩(wěn)定及遠程監(jiān)控發(fā)揮了重要的作用，可以彌補繼電器在電力系統(tǒng)中無法彌補的一些問題，如響應慢，保護時間過長，無法適應動態(tài)變化、故障檢測能力有限等問題。將PLC系統(tǒng)應用到多代理控制中有利于完善電力系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，可以直接與Agent網(wǎng)絡進行信息傳遞，基于多代理機構(gòu)，可以將電力系統(tǒng)保護分為3個層次結(jié)構(gòu)，即：中央控制層、控制代理層和執(zhí)行代理層。每一層之間可以實現(xiàn)相互通信，信息互通，可以保障電力系統(tǒng)中對故障反應的可靠性和快速性，使電力系統(tǒng)中各執(zhí)行機構(gòu)時刻保持較高的靈敏度和最快的反應速度。

4系統(tǒng)的測試

4.1繼電保護輸出保護設(shè)備的調(diào)試

繼電保護裝置主要是針對電路系統(tǒng)中故障發(fā)生時及時做出反應并發(fā)出報警，及時快速的反應給工作人員，PLC裝置也可以直接對所控制的電路系統(tǒng)及時反應并作出跳閘保護，是保障電路系統(tǒng)安全可靠運行的重要部分?；赑LC控制系統(tǒng)的繼電保護設(shè)備的調(diào)試基于我國頒布《繼電器保護測試裝置條件》的基礎(chǔ)上，PLC采用16位的DAC模塊進行測試，直接與pc電腦連接，測試結(jié)果表明，當電路電流超過設(shè)置閾值時，PLC可以自動進行跳閘保護并以輸出信號及時傳遞至pc終端，反應速度<0.01s，調(diào)試結(jié)果表明，PLC控制反應迅速，體積微小但是操作功能強大，測試精度和靈敏程度高。

4.2繼電保護系統(tǒng)在電流采集及電壓檢測方面的調(diào)試

基于4.1的PLC控制系統(tǒng)，對遠程控制與調(diào)試功能進行在線測試，并針對電力系統(tǒng)中發(fā)生故障時或其它異常情況時的電流、電壓及電路功率進行采集，調(diào)試結(jié)果表明對系統(tǒng)各項變量采集精度較高，誤差低于0.5%，可以滿足各項電力系統(tǒng)的精度要求，進而作出相應的處理，發(fā)出報警信號并自己進行電路跳閘的電路保護。

4.3繼電保護設(shè)備的狀態(tài)檢測

本研究主要對電路系統(tǒng)中的電流保護（電流速斷保護、過電流保護、定時限制電流保護）、電壓保護（過電壓保護、欠電壓保護）進行狀態(tài)檢測。其中，電流、電壓保護以各項狀態(tài)下設(shè)定的閾值進行判定，超過設(shè)定閾值后進行斷電保護并啟動報警裝置，記錄超過閾值時的動作時間，保護時間越短代表PLC靈敏度越高。

5結(jié)語

本研究對PLC控制系統(tǒng)的特點及應用范圍進行研究，基于PLC控制系統(tǒng)的特點分析在電路系統(tǒng)中的過電流保護裝置的應用。通過分析可知，目前PLC控制系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中應用較為簡單，后續(xù)發(fā)展我們應該對PLC電力系統(tǒng)中的過電流保護裝置的穩(wěn)定性和可靠性進行進一步研究，以期為提高電力系統(tǒng)中的過電流保護裝置的穩(wěn)定性和安全性提供理論基礎(chǔ)。

參考文獻

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作者簡介：艾述亮，1969.9，漢族，湖南省郴州市蘇仙區(qū)，本科，副教授，研究方向：電氣工程