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1、1基于 PLC 的变电站馈电线路保护控制方案试验系统设计桂存兵，陈少华，雷宇，马碧燕（广东工业大学自动化学院，广州，510090）摘要：本文介绍了 PLC 在变电站馈电线路保护控制方案试验系统中的应用，叙述了整个控制部分硬件电路的组成和软件程序的设计，并结合实际工程的低频减载和自动重合闸方案设计出软件部分。该系统操作简单灵活，可以很方便的修改实验参数，而且可以很方便的实现对实际系统运行的监控和通讯。能够真实的模拟出无人职守变电站的运行环境，不仅能够供实验教学用，而且可以作为变电站运行人员的培训系统。关键词：PLC；低频减载；自动重合闸0引言在我国 110KV 和 220KV 变电站中对 10K
2、V 和6KV 馈电线路的保护控制绝大部分是由各种传统的继电器和控制开关构成，由于连接的导线繁多，继电器的寿命有限，很容易发生装置的误动和拒动，从而影响到电力系统的可靠性；它的定时单元由机电式或者晶体管式时间继电器构成，误差大而且调整不方便，从而影响到上下级保护装置动作时限的配合；装置的功能单一，不利于实现电力系统自动化，难以适应变电站自动化的要求。1P L CFX1N-60MRRS485通信模块FX1N-485RD上位机致调度中心图1 系统示意图可编程控制器(PLC)是一种新型的，免维护的微电脑配电控制器，它是用内部已经定义的各种辅助继电器代替传统的机械触点继电器，又通过软件编程方式用内部逻辑
3、关系代替实际的硬件连接线，这些内部继电器的节点 01 状态转换时间可以理想地认为等于零，因此无需考虑传统继电器所固有的返回系数。因此，如果将 PLC 引入到继电保护装置中，一方面可以大大改善装置的动作准确性和可靠性，另一方面又可以兼容传统的继电保护设计思想和技术方法，尤其是对于逻辑关系比较复杂的功能，应用 PLC 软件编程能很快设计出最简明的符合规程的方案。2随着微电子，通信和控制技术的发展，PLC 不仅具有了逻辑运算，计时计数等逻辑功能，还拥有了数值运算，模拟监控，中断和通信等功能，为满足控制网络的开放性，PLC 融合了多种现场总线技术和以太网技术，充分满足了工业控制对于数据采集和通信的要求
4、。3 有兼如此，本文提出了应用PLC 设计模拟变电站馈电线路保护控制的方案。本系统主要由上位机，通信模块，PLC 和外围模拟元件等组成，其示意图见图 1。主要用来模拟低频减载的滑差部分和自动重合闸部分。1上位机采用 CDT 规约同 PLC 交换数据，实现对PLC 的读写控制。上位机可以实现从 PLC 以整字读取输入软元件的开合状态（FX1N），定时查询PLC 的输入就可以得到系统当前的断路器开合状态，并且可以在监控画面中显示出来，系统中要模拟的一些参数（如各种时间参数等）都可以通过上位机进行在线修改和查询，从而实现遥信功能。上位机还具备事故的回放功能，可以存储系统中的历史数据事件和相关信息，可
5、以很方便的进行调阅和打印。其控制系统的软件部分是在Windows2000 环境下，利用 VisualC+工具软件开发的。利用 VC 的功能完备的专门为串口通讯所用的 API 函数（包括打开串口函数，关闭串口函数，配置串口函数，读取串口函数，写串口函数，配置串口函数等），开发出良好的图形用户界面。4上位机程序根据 PLC 中各个软元件（如输出继电器 Y 和辅助继电器 M 等）对应的地址号对相应的软元件发送置位命令（即控制命令帧），并等待 PLC 的返回信息帧，以便判断出PLC 是否顺利地接受到了命令帧并做出了正确的动作，若返回的信息帧不正确则上位机要重新发送命令，失败三次后则报警。2PLC，通信
6、模块和外围模拟元件PLC 同上位机之间采用 RS485 串口连接通信,所以 PLC 要进行特殊功能模块扩展，本实验采用是 FX1N485BD 通信扩展模块。在同上位机组网之前，要在 PLC 的编程软件中对相应特殊功能的软元件进行编程设置写入数据。M8002MOV H039E D8120MOV k3 D8121MOV k10 D8129图2通信设置本实验中要设置的参数有：通信协议，同上位机交换数据时所对应的 PLC 站号，以及 PLC 同上位机之间的数据交换超时时间的参数设置。采2用串行通信的通信方式是 RS485 串行方式，数据长度为 7 位，2 位停止位，偶校验位，数据传送率为 19200b
7、ps，对应的 PLC 站号设置为 3，超时时间设定为 120ms。5因此，PLC 的初始设置程序如图 2。3低频减载部分按照规程，变电站中应该装设足够数量的自动减载装置，当电力系统因为事故发生功率缺额时，必须由自动低频减载装置断开一部分次要负荷，以便防止频率过度降低，并且使之很快恢复到一定数值，从而保证系统的稳定运行和重要负荷的正常工作。为了保证动作的准确性，低频减载装置应该至少具备下列条件和功能：(1)为了防止在系统短路过程中由于短路功率的突然增加，或者在变电站备用电源自动投入过程中，由于失压间隔使频率突降可能引起的误动作，低频动作出口需要具有滑差(dtdf)闭缩功能。(2)可以根据重要程度
8、分别决定哪些负荷接入基本段（即快速动作段）及其应该属于什么频率级，又有哪些负荷应该接入后备段（即长时间动作段）及其应该整定多大的出口延时时间，并且这些接入和整定工作都可以在不停电的情况下进行。因此，具此条件编制低频减载部分的 PLC 程序如图 3 所示。X02M02X03M03X04M04X00M02M05M06X01M02M05T200K16M06 T200M07M07M07T200M06M08M08 M03M04T2K15M09M10T2M06 M00T3T3K15M11M02Y00M03Y01M04Y02M05Y03M06Y05M07Y06M08Y07M09M10M11Y10Y11Y12
9、图3低频减载部分PLC程序需要说明的是：为了保证滑差值tf的实时准确性。将所有继电器的节点都设在相应的线圈后面，以保证节点随着其线圈同时变位。本文中用 X00,X01 分别代表第一段低频值达到或者低于其整定值和第二段低频值达到或者低于其整定值，用200T代表系统频率在200T时间内从高于 X00所代表的第一段低频整定值降低到低于 X01 所代表的第二段低频整定值所允许的时间（即低频滑差闭缩时间），200T的设定值用t 来表示，如果 滑差值tf过高，说明造成系统低频的原因可能是短路功率突增或者系统突然失电，而不是负荷过重造成的，此时动作出口指令阀门被闭缩，反之则由继电器 Y07 动作驱动作用于控
10、制跳闸线圈的外接于 PLC 的中间继电器使之跳闸（本文中采用相应的发光二极管来代替模拟）。另外，本程序设计中专门设计了一个特殊备用的延时出口，不论tf为何值，只要系统频率动作频率第二个整定值（本文用 X01 为 On 来代替模拟）并在一定时间内（3T的整定值）无法恢复，出口动作将负荷切除。对这种功能的取舍设定是通过控制内部的软继电器 M00 来选择的。24自动重合闸部分在电力系统的故障中，大多数故障属于输电3线路的短路故障，而电力系统的运行经验表明，输电线路短路故障的 6090为“瞬时性”的，当线路断路器由继电保护动作跳闸后，故障电弧立即消失，绝缘强度得以恢复，此时若是将断路器重新合上就能继续
11、正常供电，鉴于故障的这种性质，为了提高供电的可靠性，要求变电站的馈电线路断路器都具备自动重合闸功能。结合对自动重合闸的如下要求：（1）(1)当手动或者遥控操作断路器断开时，重合闸不应该动作。(2)当手动或者遥控操作断路器合到永久性故障线路上时，继电保护动作，使得断路器立即断开，此时重合闸不应该动作。(3)对于线路瞬时性故障，重合闸动作成功恢复供电后，应该能够自动延时复归，准备好下一次动作。(4)对于线路永久性故障，继电保护加速跳闸后，重合闸功能被故障信号闭缩，直至人工（包括遥控）复归。(5)断路器的分合位置以断路器的辅助触头信号为准，不能以分合指令是否发出为判据。(6)重合闸与继电保护具有后加
12、速配合，即对于某一保护元件（主要指过电流元件），它在重合闸动作前是延时动作于跳闸，假如为永久性的故障，则重合闸动作后它应该不带延时迅速动作于跳闸，加速故障的切除。(7)重合闸只动作一次，即当断路器重新合上后，由于线路永久性故障，继电保护再次动作断开断路器，此时重合闸不应再次动作。6编制重合闸部分程序如图 4 所示。M 21X 02X 05M 22M 01 T 4T5M 23X 11T 6K 5M 24T6M 24 M 14 X 30M 14T 7K 20T 8K 150M 16M 23M 21M 20 M 18 M 19 M 31M 19T8 M 23M 24M 18M 18M 17M 22M
13、 23 X 30M 23M 17M 16X 11M 18 M 20 M 17M 16M 15M 21M 23 M 17 M 19M 16M 15M 14 T 7 M 23 M 16M 15M 14M 12M 14M 12M 23M 23 M 15M 14M 12M 22M 31M 24M 12M 14M 15 M 16 M 17M 20X 11M 17M 30X 30M 30M 30M 24M 38Y 13Y 14Y 15Y 16Y 17Y 20Y 21Y 22Y 23Y 24Y 25Y 26Y 27Y 30Y 31M 21M 22M 23M 24M 31M 19M 18M 17M 16M 1
14、5M 14M 12M 20M 30M 38图 4自 动 重 合 闸 部 分 P LC 程 序其中 X11 代表短路保护并配合重合闸控制。当内部软继电器 M01 在 On 状态时，重合闸功能被投入运行，在既非操作分闸命令存在期（T5,分闸命令脉冲宽度）也非操作合闸后的闭缩期（T4,由合闸操作命令的下降沿触发）的情况下长期有效。当输电线路发生短路故障时，X11 为 On 状态，经过延时 T6 后 M24 动作，M12 随之动作，发出跳闸命令，待断路器断开后，M14 动作，将M24 和 M12 复位（此时因为电流为零，故模拟过流的输入 X11 为 Off 状态），经过 T7 间隔后，M15 动作，将
15、 M14 复位并发出重合闸命令，待断路器合上（本例中用 X03 的 On 状态模拟）后M16 动作，将 M15 复位。如果故障为瞬时性的，则此时因为已经没有超过整定值的故障过电流，输入 X11 为 Off 状态，则经过 T8 延时后，M19动作，发出重合闸成功信号并将 M16 复位，进而随着 M16 复位而自动复位。如果故障为永久性4的，则输入 X11 再次为 On 状态，使得 M17 动作，发出跳闸命令（此次未带延时）并将 M16 复位，待断路器断开后，M18 动作，将 M17 复位，此时故障信号和故障切除信号分别由 M30，M18来保持，等待人工复位（reset 按钮 X30）。M31和
16、M20 的作用是保证重合闸必须而且只能动作一次。本模拟实验中在 PLC 的输出部分没有外接继电器只是在对应位置接入二极管，达到同样的模拟效果。各时间整定原则如下：200T按照tf3HZ 整定，即:t1(48.4-48.0)/3T2 和 T3 的整定值整定为 1.5s,T4 和 T8 均大于开关操作机构的弹簧的储能时间，T5 的整定时间大于开关分闸线圈的动作反应时间，T7 的整定值应该要大于开关合闸的动作反应时间。各时间的整定值可以在上位机中显示和在线修改，各软继电器也可以通过上位机进行强制模拟动作和复位，控制过程中所有必要的状态信号和动作信号均能够由通讯接口传送到本站主控机和远方调度中心，完全
17、可以满足无人值班变电站的技术要求。该实验系统已经成功地应用于变电站模拟实验室中，它充分地利用了强大的逻辑功能以及它的便捷的通信功能，可以很方便的同上位机之间进行通信，既可以就地控制又可以利用微机远程控制，较之于传统的继电器控制的系统，减少了大量的现场布线，从而提高了系统的可靠性，不仅维护方便而且也方便参数修改和系统升级。参考文献1 巴金详，PLC 在供电线路自动重合闸中的应用。辽宁工学院学报，第 22 卷第 3 期。2 钱珞江，可编程控制器在变电站馈电线路保护中的应用及程序设计。武汉水利电力大学学报，第 32 卷第 4 期。3 孙振强，可编程控制器原理及应用教程。清华大学出版社，2005。4 李现勇，Visual C+串口通信技术与工程实践。人民邮电出版社。5 邹金慧，可编程控制器及其系统。重庆大学出版社。6 贺家李，电力系统继电保护原理第三版。天津大学出版社。作者简介:桂存兵，安徽桐城人，研究方向为电力系统安全运行与控制。Email:陈少华，广东广州人，教授，研究方向为电力系统安全运行与控制