摘要：在供配电系统中，传统的继电器控制存在多种弊端。为了能够保证供电质量，为企业和社会提供安全可靠的供电服务，有必要将PLC引入到供配电系统中。文章简要介绍了现代供配电系统中重要的自动化装置PLC及其继电保护及监控系统程序设计，供参考。
关键词：供配电系统；PLC；低频减载；备用电源自动投入；程序设计
供配电是研究电力的供应和分配问题，做好供配电工作对于维持企业正常生产活动和社会生活活动至关重要。随着科技的进步，电力系统中对供配电系统自动化程度要求越来越高，特别是现在供配电系统联网规模越来越大，基于传统的继电器控制存在多种弊端，在供配电系统中引入PLC等基于软件技术、微电子技术、网络技术的控制系统势在必行。
1 PLC技术简介
1.1 PLC基本介绍
现代工业自动化被认为有三大支柱所支撑，它们分别是PLC技术、工业机器人技术和计算机辅助设计及制造技术（CAD/CAM）。PLC之所以能够取得一壁江山，就是因为它杰出的控制性能。PLC的技术核心是单片机，这是一种只应用在工业过程自动化控制中的新型计算机器件。如今日益复杂的供配电电力系统中，传统技术支持下的机械触点型继电器已然无法满足变、配电所对继电保护控制的要求。因此，PLC技术的应用在供配电系统中越来越广泛，受到了广大工程技术人员的喜爱。
中国工业自动化经常使用西门子可编程序控制器SIMATICS7系列，该系列的PLC是德国西门子公司在S5系列之后，于1995年推出的一种性价比非常高的控制器。其中S7－300型的PLC以其卓越的特性在中国应用得越来越广泛，特别是专用电力自动化、机床、纺织机械、包装机械、通用机械工程应用、控制系统、电器制造工业及相关产业等诸多领域。
1.2 PLC的功能
S7－300型PLC为用户准备了多种可选的CPU，这些CPU性能丰富且递增，同时满足扩展另一些功能更加方便的I/O扩展模块的要求。这些扩展模块能够更好地满足和适应日益复杂的自动控制要求，用户在使用的时候只需要依照控制要求自主选择适用的模块即可。更重要的是，如果控制要求项目增加或者变复杂的话，用户还可以随时添加新的模块对PLC进一步扩展，体现了系统扩展的灵活性。其主要功能有：
（1）高速的指令处理。对于指令的处理时间缩短到0.1－0.6微秒，相当于奠定了中等到较低的自动控制性能要求范围内的一个全新的里程碑。
①浮点数运算：此功能可以有效地为更为复杂的算术运算服务。
②方便用户对参数进行赋值：只需要使用一个带标准用户界面的软件工具，就能够对全部的模块进行参数赋值。
（2）人机界面（HMI）。S7－300的操作系统内部集成有人机界面服务系统，所以在程序编写方面对人机对话的要求就降低了很多。S7－300操作系统能够自动地处理数据传送，首先由SIMATIC人机界面（HMI）从S7－300中获取数据，再由S7－300按用户给定的刷新速度传送这些数据。
（3）诊断功能。S7－300的CPU具有智能化的诊断系统，它可以持续地监控系统功能，同时可以将运行中出现的错误或者特殊系统事件记录下来（例如模块的更换、运行超时等）。
（4）口令保护。S7－300拥有多级口令保护系统，该系统可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止系统在没有得到允许的情况下被复制或者修改。这种操作方式可以像钥匙一样选择打开或者关闭拔出。当钥匙插入打开时，可以编辑修改程序；当钥匙拔出关闭时，操作方式就被固定下来，不可以随意改变。
2 低频减载和备用电源自动投入的PLC程序设计
某地110kV/10kV变电站，要求建设在人员稀少的城郊地带，并且按照无人值班的标准进行设计。二次保护装置选用法国MERLINGERIN公司的SEPAM数字式多功能继电器，它的功能组成框图如图1所示。
从图1可以看出，多功能继电器的组成和微机典型保护大致相同。不同之处在于多功能继电器把一般的计算机继电器逻辑电路一分为二，由保护功能继电器组和PLC控制器组成。然后以不同的保护对象为本体（主变压器差动保护、母线保护、电容器保护、线路保护等），联合具有各种保护功能的继电器群的使用，把一个装置分解成几个标准型号功能单元的组合。每一个功能元件在定义动作结点时，都会依照正常的逻辑法则进行计算。举例说明：假设有一过电压元件触发，那么在PLC中就会有一个定义好的常开结点由0状态跳转为1状态，也就是发生闭合的动作；如果是以失压元件被触发，那么PLC中也会有相应的常开结点由0状态跳转为1状态。PLC编写程序有语句表、梯形图等多种方法，其中最常用的就是梯形图法，而外插式存放程序的电可擦只读存储器（EEPROM）是为了方便设计方案的改变对程序修改的要求。
2.1 低频减载功能的设计
根据规定，变电站配备的自动低频减载装置必须有足够的数量，以保障安全。一旦电力系统发生类似功率缺额的故障，足够数量的低频减载装置可以分断一些三级、甚至是二级负荷，保证频率快速回升到安全的范围内，维持系统的稳定性和安全性，确保系统内的一级负荷能够在正常的频率下持续工作。为了保证减载时分断动作的动作准确性，装置应具备以下各项功能：
（1）低频动作出口频降变化率（df/dt）闭锁。此功能可以预防短路事故时，因为短路功率在短时间内的大量增加造成的频率突降引起的减载误动作。
（2）低频动作的出口延时需独立可调。此功能可以防止在自动重合闸或备用电源自动投入的过程中，0.15－0.5秒短时间内的失压可能引起的误动作。
（3）根据程序确定负荷动作段。该功能将按照重要程序把不同的负荷按照频率级别的要求赋予不同的动作段内，一些接入基本段（快速动作段），另一些接入后备段（长时限动作段）。同时要求整定出口延时时间，并保证在不停电的情况下进行。
该例10kV馈线保护装置选用SEPAMS07型，此型号的保护功能继电器组包括2个特殊的低频元件F561和F562。通过这两个元件编写的PLC低频减载程序如图2所示。
由图2可知：
（1）Δf表示F561与F562整定值之差，Δt表示T1的整定值。当系统频率在Δt时间内从高于F561的整定值降到低于F562的整定值时，则表示频降变化率Δf/Δt过快。若非负荷过重，则可能是因为短路功率突增或系统突然失电造成的低频故障。要求低频动作出口闭锁，由继电器K7提供脉冲作用于跳闸动作。
（2）程序中配备了1个特殊的后备延时出口，可以在Δf/Δt为任意值的时候，只要满足系统频率低于F562整定值，同时在T3整定值的时间内不能恢复，那么出口动作将会把负荷断开。实际可以使用PLC的内部开关KP1来实现。
PLC程序可以使用手编程序器对开关量进行整定设置，如F561和F562的结点动作，时间继电器T1、T2、T3和内部开关KP1开关量信号。输入信号结点I2、I3的状态仅由装置的信号输入界面与电源小母线之间的联结点是不是联结上所决定。运行人员在操作时将所对应的连接片闭合，即可以将对应负荷接入低频基本段或低频后备段。当然，此功能用PLC内部的结构实现也具备一样的作用，只是使用外部连接片更加直观安全。
由于PLC处理器的微电脑高速特性，可以在编写程序时，将传统继电器的动作时间和返回系数的含义在梯形图中理想化处理。PLC中的程序是循环扫描执行的，前后两次执行同一语句所间隔的时间为一个扫描循环周期，由整个装置从数据采样到信号滤波到数据处理等各个环节的时序总体配合所决定（SEPAM装置为13.3ms）。不过，每一条程序执行一次的时间非常短暂，通常是以微秒为单位的，这种速度所用的时间是完全可以忽略的。由此可见，在梯形图中把继电器结点置于相应的线圈之后，则结点的动作时间可以按照零处理。从而可以使任意一个较复杂的功能得以更加简单明确的实现。
2.2 备用电源自动投入程序设计
该例中变电站位于电网110kV系统末端，采取双回路电源进线，其中110kV侧的接线结构如图3所示（隔离刀闸省略未画）。
备用电源的自动投入方案设计了以下4种运行方式：
（1）方式1。断路器502、500“合”，断路器504“分”，此时由1号进线向两台变压供电，2号进线作为备用电源进线。如果1号进线故障失压，可以按顺序先断开断路器502，再闭合断路器504，由2号电源进线给两台主变供电。
（2）方式2。断路器504、500“合”，断路器502“分”，此时由2号进线向两台主变供电，1号进线作为备用电源进线。如果2号进线故障失压，可以按顺序先断开断路器504，再闭合断路器502，由1号电源进线给两台主变供电。
（3）方式3。断路器502、504“合”，断路器500“分”，此时1号进线、2号进线各自向一台主变供电。如果1号电源进线故障失压，可以按顺序先断开断路器502、再合上断路器500，由2号电源进线暂时负责两台主变的供电。
（4）方式4。断路器502、504“合”，断路器500“分”，此时1号进线、2号进线各自向一台主变供电。如果2号电源进线故障失压，可以按顺序先断开断路器504、再合上断路器500，由1号电源进线暂时负责两台主变的供电。
备用电源自动投入程序应该满足一些具体的要求：①以上4种运行方式的备用电源自动投入功能可以分别投用或退出；②出口动作只执行1次；③为了确保安全，必须在工作电源切断以后才能投入备用电源；④当变电站发生过流故障引起进线失压时，备用电源自动投如功能应该闭锁，待故障电流消除后自动延时复归。
综上所述，该例最终选择34台SEPAMB04型装置，每台对应一种运行方式。利用该装置保护功能继电器组中的低电压元件（UAB、UBC、UCA）、过电压元件（UAB）分别判断1号电源进线、2号电源进线电压和桥断路器500两侧的母线是否失压；再利用另外两台装置中的过流元件可以分析进线断路器502和504有没有故障电流流过。运行方式2、4和运行方式1、3对称，图4给出了运行方式1、3的PLC程序逻辑框图，每种运行方式用一个内部开关KP来投退。根据图4可以看出，设备与设备之间只须简单少量的外部导线通过I/O口，就可以把各个各程序连接起来，组成一个完整的、模块化程度高的、便于运行管理的备用电源自动投入系统。
图4 运行方式1、3的备用电源自动投入程序框图
3 结束语
总之，随着全社会对机械自动化程度要求的不断提高，各种智能型的系统设备也不断出现，PLC动作准确度高，可以让继电保护功能更加可靠，采用PLC的供配电系统符合未来供配电系统的发展方向，其应用会更加广泛。
参考文献：
[1]王海强.基于PLC的供配电监控系统的设计[J]. 城市建设理论研究：电子版，2016（11）.
[2]吕志香，钱静.基于PLC的供配电监控系统的研究与设计[J].科技创新与应用，2015（35）：151-152.
论文作者:陈连岳
论文发表刊物:《基层建设》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/16
标签：断路器论文; 电源论文; 系统论文; 低频论文; 继电器论文; 程序论文; 动作论文; 《基层建设》2017年第16期论文;