基于PLC的自动化变压器继电保护装置设计

韩屹威++唐少臣++毛行星

摘要：传统的继电微机保护系统由于在过电流保护方面存在着比较明显的缺陷，随着工业社会的不断发展，配电系统是工程建设的必要环节，对工业配电系统的可靠性与智能性提出了很高的要求，也是社会不断向前发展和技术进步的必然要求。本文在对参考文献分析的基础上，阐述了PLC继电保护设计系统的基本原理，同时对嵌入式PLC降压变电所继电保护设计进行了阐述。另外，本文将PLC中的多级代理技术融入到变电站继电保护装置的使用之中，通过可行性论证之后，采用CAN总线技术实现了基于PLC通信控制的过电流保护技术；与传统的微机保护技术相比，其智能性明显提高，满足了该工厂的工程技术需求。

关键词：继电保护系统；PLC；多级代理机制

中图分类号：TM774 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）03-0015-02

在电力系统的继电保护装置中，通常要求其具有较好的选择性、较高的可靠性以及良好的使用稳定性。传统的继电保护装置是按照动作值的整定计算来进行的，灵敏度校验方面采用最小运行方式进行检验。但是这种传统的继电保护装置的缺点主要体现在整定保护时间过长，继电保护时间有限以及保护故障检测比较困难等。出现上述问题的根源就在于传统的微机保护并不能在动态运行过程中实现对继电保护运行系统状态的检测。目前基于自适应以PLC为基础的继电保护设计系统能够充分考虑到变压器继电保护系统的实际运行状况和具体问题的复杂性，从而实现电力系统的理想保护自动化系统选择。

1 嵌入式PLC的原理

随着近代控制学的不断发展，尤其是最近十几年来嵌入式系统的发展，它以较小体积、动态稳定性以及低成本，能够实现与互联网的良好融合等优点得到了全世界的工业用电系统的青睐。PLC技术是在最新国际标准IEC61131-4的颁布的基础上逐渐发展起来，PLC在实现软件封装的同时，还可以实现“微机”的功能，已经广泛的应用在各个领域。

随着工业化用电的不断发展，要求PLC处理的信息能力不断值增强，对其运算精度和实时性能要求越来越高。目前电力系统同经常采用嵌入式PLC控制系统，一方面可以采用PLC语言进行逻辑编程；同时还兼具着计算能力强和实时性优异的特点。

2 基于PLC的继电保护设计总体结构

工业用PLC继电保护对工厂的电力系统的安全性、可靠性以及实时性具有关键的作用。本文针对某工厂进行的基于PLC的某工厂降压变电所的继电保护设计，也必须达到“选择性、灵敏性、瞬时动态性和稳定性”四个方面的基本要求。本文所使用的PLC是以三星公司的S3C2510芯片为虚拟机系统，该系统采用了ARM920T内核，这种PLC具有低能耗、内设丰富和高速处理數据的基本功能，系统中的每一个操作任务都会有优先级别，是一个实时操作系统，能够满足该工厂继电器保护装置的设计要求。在进行工厂继电器保护设计的过程中，由于保护的原理不同，需要使用PLC编程语言，所使用的算法也就不尽相同，要根据工厂的实际情况来进行继电保护软件程序的编写。

3 PLC机继电保护装置的设计与可行性分析

3.1 PLC继电保护的设计

本电路设计采用PLC中的多代理机制，将过电流保护机制分配到该厂区的各个车间和生活区域中，涉及到使用的PLC和相对应的控制断路器如表1所示。

经过综合考虑，该厂的生产区域和生活区域的配电系统采用CAN网络通信架构，PLC控制器之间的网络拓扑结构如图1所示。

现场四台PLC控制单元PLC1-4利用现场总线进行CAN方式的拓扑链接，从而实现工业用电控制的网络控制。各个现场PLC通过控制总线与控制上机位进行连接，各个继电保护装置通过上机位的带有屏蔽功能的双绞线进行通信功能的实现。在现场给每一台PLC配上PC机进行程序的编制和设备的控制。

3.2 通信网络的可行性分析

本次毕业设计的目的是为了实现工厂配电系统内部与各个检测机构之间的数据交换。比如当本系统中的断路器不能正确的断开时，能够通过控制单元自动的搜索到附件的断路器，加速系统的保护作用。目前可行性分析主要体现在以下两个方面：

（1）本系统采用的网络通信模式为CAN拓扑结构，该通信结构的最远通信距离为10KM，信号最大传输速度为1Mbps（通信最长距离为50m）。工厂220KV主降压变压器距离各个车间的平均距离为1KM，其中各个车间10KV距离6KV空压站的距离为0.5千米，所以各个PLC之间的机位控制在CAN拓扑结构的范围之内，信息的传递速率也达到相关国家标准。

（2）对于本系统的CAN拓扑结构，采用短帧结构的信息传递模式，其中有效的字节数为8个，传输时间较短，受到干扰的概率比较低，出现传递错误时能够及时的发现。

3.3 PLC多代理机制过电流继电保护设计

本系统采用的继电保护为PLC多代理机制，如果要实现对每个控制进出线断路器，仅需要对PLC控制器进行微调即可。在PLC的数据输出点上可以增减电压检测单元，电压的信号数值来自于PT两侧的电压值；其次可以调整PLC整定值，将电流值调整为最大允许电流值；电压值可以设置为母线电压的60%-70%。对于本设计中的6KV空压站进线断路器QF4而言，在带有PLC代理机制的过电流饱和情况下。基于多级代理的过电流继电保护装置的技术关键在于对现场的PLC以及PLC与上位机之间的信息交互进行设置，满足其一定的动态稳定性。早期的变电站采用的是串行网络通信技术，这种通信方式的主要缺点为传输的速率比较低，一般采用主从结构，会带来主机信息的共享的困难。目前比较流行的是现场总线技术，本设计中采用的CAN现场总线技术还具有全球的统一标准。假设在空压站6KV的母线上发生三相电压故障，通过与传统继电保护模式相对比可知，多级代理机制PLC，可以通过对QF4断路器的设置，让其处于未切断的短路状态，则其上级车间10KV出线断路器QF3自动调动，切断故障进行保护。在传统的过电流保护模式下，熔断器QF3会在QF4后备保护0.5S后进行跳闸，使得系统的拓扑结构发生变化。

4 人机交互监控系统的设计与实现

人机交互的监控的设计：

某工厂工业区域和生活区域的用电系统继电保护系统，以PLC为基础，设计了人机交互界面，能够实现全厂的配电需求和二次设备的检测管理，是的全厂多级变和配电系统主要设备和输配电线路的自动化检测和微机保护。

本毕业设计重点考虑的人机界面交互系统主要包括三个方面的功能，从而实现对系统设备的完全监控。主界面包括了潮流在线监测、控制面板以及继电保护和自动装置监控。某工厂潮流检测系统界面实现了对全工厂的电压系统检测、电流在线动态监测以及中心监测。表2为继电保护装置及監测电压及电流数据及来源。

5 结语

随着工业社会的不断发展，配电系统是工程建设的必要环节，对工业配电系统的可靠性与智能性提出了很高的要求，也是社会不断向前发展和技术进步的必然要求。本文将PLC中的多级代理技术融入到变电站继电保护装置的使用之中，通过可行性论证之后，采用CAN总线技术实现了基于PLC通信控制的过电流保护技术；与传统的微机保护技术相比，其智能性明显提高，满足了该工厂的工程技术需求。目前嵌入式PLC技术已经成功的运用到相当多的继电保护设计中，他们之间的相互结合已经成为了一种不可阻挡的趋势。本文在通过对继电保护原理分析的基础上，对PLC的原理以及可行性进行了详细的分析。

由于笔者本身的开发经验不足，虽然能够满足设计的需求，但是还有以下问题需要进一步探索：1）本文所涉及的PLC虚拟机指令相对比较简单，仅仅能够实现比较常规的PLC编程需要，针对继电保护系统的多样性需求，需要进一步丰富；2）所设计系统运行可靠性需要进一步验证，尤其是继电保护系统的实时动态性能需要验证。

参考文献

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