（国网山东省电力公司费县供电公司 山东费县 273400）
摘要：从零序功率方向型选择性漏电保护的工作原理入手，设计了以Master-K120S型PLC为中央控制单元的选择性漏电保护系统。提出了利用可编程控制器中的高速计数器实现煤矿井下零序电流方向判断的新方法。在分析了系统要求的基础上设计了硬件电路，编写了软件程序。系统抗干扰性能好，实施电路简单，具有较高的实用价值。
关键词：选择性漏电保护；零序电流；PLC；高速计数器；Master-K120S；A/D
Design of Zero Sequence Power Directional Selective Leakage Protection System
Based on PLC Ge Fu-qiang
(Shandong Power Supply Company of Feixian Electric Power Company.Feixian, Shandong 273400, China)
Abstract：Based on the working principle of the zero sequence power directional selective leakage protection, a selective leakage protection system with PLC type Master-K120S as the central control unit is designed. A new method for determining the direction of zero sequence current in coal mine by using high speed counter in the programmable controller is put forward. On the basis of analyzing the system requirements, the hardware circuit is designed, and the software program is compiled. The anti-interference performance of the system is good, the circuit is simple, and has high practical value.
Key words: selective leakage protection, zero sequence current, PLC, high speed counter,Master-K120S, A/D
0 引言
本文主要介绍以Master-K120S型PLC为核心的基于零序功率方向检测的选择性漏电保护。
1 零序功率方向型选择性漏电保护的原理
在放射式电网中当某一支路漏电或接地时，各个分支线路中的零序电流方向是不同的，对于故障支路，零序电流是由支路流向母线，对于非故障支路是由母线流向支路。如果按照一般规定，由母线流向支路的零序电流为正，那么由支路流向母线的零序电流便为负。于是我们可以利用发生漏电时故障支路与非故障支路中零序电流的方向不同来区分它们，达到选择性保护的目的，这就是零序功率方向性漏电保护原理。
假设有三条之路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其中支路Ⅰ中发生了漏电故障，三条支路中由本支路产生的零序电
流分别为I01 、I02 、I03 ，它们是由母线流入支路的。若假定故障支路的零序电流为 Iof，并且也是由母线流入线路的，那么由漏电理论可知，三条支路Ⅱ、Ⅲ、Ⅰ中的零序电流分别I02 、I03 、
。它们与零序电压U0 的相位关系如图1所示。
图1 非理想状态下电网故障参数向量图
2 零序功率方向型选择性漏电保护的具体实现
实际的漏电保护系统中其零序功率方向型选择性漏电保护包含两项内容。第一步，首先判断供电系统中是否有危险漏电发生；第二步，如果供电系统中有危险漏电发生，判断出是哪一个或哪几个支路发生了漏电，即为选择性；然后经过规定的延时时间后，进行漏电保护动作。这样既达到了选择性的目的，又降低了误动作的可能性。
2.1 对供电系统有无危险漏电判断的实现方法
选择性漏电保护对于供电系统有无危险漏电的判断，是通过对零序电流与零序电压量值大小的判断实现的，即零序电压与零序电流如果同时大于相应的量值，便说明供电系统发生了危险漏电事故。
在本保护系统中，选择Master-K120S型PLC的A/D转换模块的输入方式为电压输入，由于该A/D转换模块的电压输入方式只能转换0-10V的直流量，而电网中的零序电压、零序电流均为交流量，所以系统中，具体实现上是首先由零序电流互感器、三相五柱式变压器分别采样出零序电流与零序电压，并将它们转换成小幅值信号，然后将小幅值信号送入精密整流电路，转换为幅值变动的直流量，再经过有源滤波电路转换为幅值稳定的直流量，送入PLC的A/D转换模块。
2.1 对供电系统漏电支路选择性的实现方法
零序功率方向型选择性漏电保护对供电系统漏电支路的选择性,是通过对各支路零序电流与零序电压的相位关系比较实现的。当支路的零序电流滞后零序电压90°-180°，也就是零序电流由支路流向母线时,说明该支路为供电系统内的漏电支路,配电装置动作切除该支路。当支路的零序电流超前零序电压0°-90°,也就是零序电流由母线流向支路时,说明该支路不是供电系统内的漏电支路,配电装置不动作。
在保护控系统中，对选择性的实现用到MASTER-K系列PLC主模块内置的高速计数器。
下面我们对高速计数器进行相关的介绍。
（1）MASTER-K120S内置高速计数器特性
计数方法：线性计数、循环计数
计数模式：1-相运行方式、1-相脉冲+方向模式、2-相CW/CCW模式、2-相乘法模式。
（2）接线端子名称
P0000——CH0输入、CH0 A相输入。
P0001——CH1输入、CH1 B相输入。
（3）指令（HSCST）
高速计数指令如图3所示。
图3 高速计数指令
S ——参数组里指定的通道号。
SV——设定值(二进制32位)范围:(-2,147,483,648 - 2,147,483,647)。
CV——高速计数器的现在值。
（4）2-相CW/CCW模式
当A-相在低电平时，在B-相输入脉冲的上升沿时,当前值CV减1。
当B-相在低电平时，在A-相输入脉冲的上升沿时,当前值CV加1。
只要A相的上升沿与B相的上升沿之间的时间间隔大于极小值（微秒级），高速计数器便可捕捉每个事件。2-相CW/CCW 模式特性图如图4所示。
图4 2-相CW/CCW 模式特性图
由以上分析可知，当电网发生漏电时，各支路会有零序电压与零序电流产生。首先，通过波形转换电路将采集到的零序电流量与零序电压量的正弦波转换为同频的矩形波。然后，将零序电压量的矩形波与零序电流量的矩形波分别作为A相输入脉冲与B相输入脉冲，输入PLC的高速计数器。高速计数器采用2-相CW/CCW 模式，线性计数。系统的结构框图如图5所示。
图5 选择性判断系统结构图
当支路为非漏电支路时，零序电流由母线流向支路，支路的零序电流超前零序电压0＜α＜π/2，这时作为B相输入脉冲的零序电流量的矩形波的上升沿，总是出现在作为A相输入脉冲的零序电压量的矩形波的低电平时。则由高速计数器的2-相CW/CCW模式的功能知，此时高速计数器的当前值减小。特性图如图6所示。
图6 非漏电支路高速计数器计数值
当支路为漏电支路时，零序电流由支路流向母线，支路的零序电流滞后零序电压π/2＜β＜π，这时作为A相输入脉冲的零序电压量的矩形波的上升沿,总出现在作为B相输入脉冲的零序电流量的矩形波的低电平时。则由高速计数器的2-相CW/CCW 模式的功能知，此时高速计数器的当前值增加。特性图如图7所示。
图7 漏电支路高速计数器计数值
所以，当我们采用PLC的高速计数器的2-相CW/CCW 模式、线性计数法，并取定一个合适的常数（比如0）为当前值CV时，通过比较当前值CV是增加还是减小，便可判断支路零序电流的方向，从而判断是否为漏电支路，做到选择性。若高速计数器当前值CV增加，则支路为漏电支路；若高速计数器当前值CV减小，则说明支路为非漏电支路。
由以上分析可以看出，无论零序电压与零序电流之间的相位差在可能的范围内如何变化，系统都可可靠的判断零序电流的方向，而且完全不用考虑零序电压与零序电流的幅值的变化。又由于高速计数器的2-相CW/CCW 模式只有在A相低电平,且B相上升沿或B相低电平,且A相上升沿时才产生计数，这使得系统本身有较强的抗干扰能力。
3 漏电保护系统的软件设计
由以上的分析我们知道，只有在零序电流与零序电压的量值达到标准规定的数值且零序电压超前零序电流90°-180°时，配电装置才可动作切除支路。软件的设计正是基于此。
首先判断零序 电压 与零序电流 是否同时大于设定值。若不大于则认为没有危险漏电发生，配电装置不动作。若同时大于设定值，则高速计数器对输入的反应支路零序电压与零序电流相位关系的两相脉冲计数。如果高速计数器当前值CV减小，说明支路并非漏电支路，配电装置不动作，且对高速计数器当前值清零。如果高速计数器当前值CV增大，说明支路为漏电支路，配电装置动作，且对高速计数器当前值清零，具体的程序流程图如图8所示。
4 结语
本文详细介绍了利用PLC作为重要控制单元实现零序功率型选择性漏电保护的方法。该系统以PLC 为中央处理单元,大大增强了保护的灵活性和快速性。
本文中还创新性的提出了基于PLC的高速计数器判断零序电流方向的方法。
本方法基于高速计数器的当前值的增减来判断支路零序电流的方向，继而判断是否为漏电支路，这就使得我们可以不必象采用传统的方法那样繁琐的调节零序电压或零序电流的相位和考虑实际情况下零序电压与零序电流值的大小，大大简化了调试，且安全可靠。
现场运行结果表明,该系统能够可靠、快速地实现选择性漏电保护,具有广阔的推广应用前景。
图8 漏电保护系统程序流程图
参考文献
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论文作者:葛夫强
论文发表刊物:《电力设备》2016年第4期
论文发表时间:2016/6/6
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