断路器在二次回路中的PLC应用Word格式.docx

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经过多年的发展，PLC已十分成熟与完善，尤其在开关量逻辑运算和处理、顺序控制这两方面具有显著优势，而模拟量闭环控制也已非常成熟。

因此，PLC技术在电力系统自动控制领域得到了广泛应用，并发展壮大，逐步淘汰了电磁继电元件的常规控制模式。

PLC可以很容易地实现比较复杂的控制逻辑，传统的继电器系统实现同样的功能则需要大量的控制继电器；

PLC以弱电控制强电，省去大量控制继电器，节省电能，运行成本低；

对于复杂工艺的控制系统，采用PLC可以简化控制设备（箱柜），节省设备投资；

PLC改变工艺控制简便易行，传统继电器系统难以改变工艺；

PLC检修维护比较方便，需要配备的元器件少，维护成本低，节约大量有色金属；

PLC控制设备占地面积小、运行噪音小、发热少、损坏元件垃圾少，利于环境；

随着计算机网络化技术的发展，我国的电力系统自动化正朝着数字化和信息化方向发展。

当前在发电厂广泛应用的集散型控制系统DCS（DistributedControlSystem）经历了多年发展，开始减缓和停滞。

新一代控制系统，现场总线控制系统FCS（FieldBusControlSystem）应运而生。

FCS吸收了DCS多年开发研究以及现场实践的经验教训，不仅具备DCS的优点，而且利用现场总线跨出了革命性的一步。

随着现场总线技术的完善、热工自动化技术的发展和数字化、智能化控制仪表的进一步开发和应用，FCS必将在电力系统得到广泛应用，使电力系统的自动化水平提高到一个新的水平。

PLC在FCS系统中处于核心地位，因为新型的PLC具有完善的网络通信功能，可以作为一个子站挂在高速总线上，充分发挥其对于顺序控制、开关量处理、闭环控制的优势。

因此，当前的PLC的设计应强调能与FCS进行通讯交换信息或遵循现场总线通讯协议，既具有成熟的现场总线通信能力，还应能组成大型网络。

可以肯定，结合新型PLC的FCS将具有强大的生命力。

PLC运行维护需要比较高的专业技术等，通过这个课题对其工作原理和控制方式，用在校期间学过的专业知识，对其加以应用及对自己所学知识的一个总结，对所学知识进行综合应用等。

第2章PLC在变电站中的应用及发展

2.1PLC在变电站变压器自动化中的应用

PLC构成的变压器自动化系统在中小型变电站综合自动化中的实现。

它对变压器的控制精度高，性能可靠。

同时PLC自身具备的计算机、电子、网络通讯等特性，使PLC在变电站综合自动化中得到了广泛的应用。

可编程逻辑控制器（PLC）作为新一化的工业控制装置，结构简单、性能全面、可靠性高。

其突出的优点是：

使用方便，具有杰出的实时功能和强大的通讯能力。

在其小小的单元中，包含了强大的功能，使之能够独立地或通过网络分布式系统轻而易举地完成复杂的控制任务，很小的投入即能获得最有效的自动化系统，在工业现场领域深受欢迎，特别是经过特殊模块配置后，可以在保持简单易用的特点的同时大大扩展其应用领域。

PLC的体积小，结构紧凑，编程方便，梯形图编程方式面向一般电气技术人员，操作简单，维修方便，易于实现机电一体化，因而在变电站综合自动化中得到了广泛的应用。

中小变电站综合自动化中的自动化设备有：

可编程自动化监控装置、可编程变压器自动化屏、可编程微机计量屏、可编程微机线路保护屏、可编程微机同期系统、可编程中央信号屏、可编程电容屏、可编程微机直流电源系统等均应用了PLC为其智能化单元，并且都能够挂网运行，方便地实现遥信、遥测、遥控功能，取代了传统的RTU。

本文主要介绍由PLC构成的变压器自动化部分在自动化变电站中的实现。

适用于老式变电站的自动化改造及新式变电站的建设。

在中小型变电站中，一台变压器及其配套设备一般包括：

断路器及操作单元、变压器、变压器控制屏、避雷器、差动保护屏、变压器接地系统等。

下面以两种情况分别讲述变压器的自动化构成方案。

如果断路器及操作单元、变压器、差动保护屏、变压器防雷接地系统等均为不含智能单元及计算机接口的常规设备，那么只需将变压器控制屏部份选用可编程（PLC）变压器自动化屏，就能构成比较完备的变压器自动化系统。

其系统框图如图1所示，变电站中控室内的变压器控制屏及其配套设备分别与可编程变压器自动化屏通过电缆直接连接，进行信息交换。

中控室或远方的主计算机监控系统通过对可编程变压器自动化屏的监控来实现对变压器的监控，其中的信息交换由主计算机监控系统中的工控机（IPC）与可编程变压器自动化屏中的PLC通过工业现场通讯网络来实现。

这种变压器自动化系统一般适用于改造旧站或建设资金规模不大的自动化新站。

可编程变压器自动化屏的组成及实现

可编程变压器自动化屏的硬件设备一般包括：

PLC，PLC输入/输出信号隔离继电器，近地操作按钮及故障事故指示灯、报警器、智能变压器油温度巡检仪，智能信号测试议，小直流电源，通讯适配器等。

2.2PLC在变电站继电保护中的应用

1.概述

　　提高城市供用电系统的自动化程度是电网改造的一项重要内容，而变电站保护控制的技术水平又是其中关键环节。

目前，在我国绝大多数城网变电站中，广泛应用的继电保护装置仍是由传统的机械触点继电器构成，往往完成一种基本的保护或控制任务都必须由多个继电器共同承担，比如一条10kV馈线的过流保护和自动重合闸控制就要用到数以十计的各种继电器。

由于继电器触点要经常分合动作，容易损坏，降低了供电的可靠性，并增加了设备维护的工作量；

同时，各继电器之间大量的连接导线不仅使调试检修困难极大，还致使变电站的各部分几乎不可能被连接成一个完整的自动化系统。

因此，传统的机械触点继电器显然已不能满足变电站自动化对继电保护装置的要求。

　　可编程控制器（PLC）是一种新型微电脑式配电控制器。

其主要特点是用内部已定义的各种辅助继电器（每个PLC可有多达上千个内部继电器）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关系代替实际的硬件连接线。

正因为这一特点，如果将PLC引入继电保护装置中，一方面可以克服使用传统继电器所带来的种种弊端；

另一方面，又可兼容基于传统继电器的设计思想和技术方案，尤其是对于逻辑关系较为复杂的触点信号处理及操作出口控制，采用PLC编程能使方案设计工作变得更加简单方便，本文通过应用实例对此加以说明。

　　2.　低频减载和备用电源自动投入的PLC程序设计

　　长沙新建的马王堆110kV/10kV变电站，地处郊区，按无人值班标准设计。

选用的二次保护装置是法国MERLINGERIN公司的SEPAM数字式多功能继电器，其功能框图如图1所示。

从图中可看出，这基本上与微机保护典型图相同，稍有区别的是，该装置将通常的计算机继电器逻辑电路分解成保护功能继电器组和PLC2个部分。

根据不同保护对象（主变压器差动保护、母线保护、电容器保护、线路保护等），由不同保护功能继电器群组合，使装置分成若干个标准型号，其中所有的单个功能元件均遵循正逻辑法则，在PLC中定义动作节点。

例如，一个过电压元件动作，在PLC中就有一个相应的常开节点闭合（0→1），而一个失压元件动作，反映在PLC中也是一个相应的常开节点闭合（0→1）。

PLC编程使用的是与传统二次电路图最相似的梯形图法，存放程序的EEPROM为外插接式，便于随时修改设计方案。

　　图1　SEPAM装置功能框图

　　3.低频减载功能的设计

　　按照规程，变电站中应装设足够数量的自动低频减载装置。

当电力系统因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，以防止频率过度降低，并使之很快恢复到一定数值，保证系统的稳定运行和重要负荷的正常工作。

又为了保证动作的准确性，低频减载装置至少需具备下列功能：

（1）为防止在系统短路过程中，由于短路功率突增使频率突降可能引起的误动作，低频动作出口需具有频降变化率（df/dt）闭锁功能；

（2）为防止在自动重合闸或备用电源自动投入动作过程中，由于失压间隔可能引起的误动作，低频动作的出口延时需独立可调；

　　（3）可以根据重要程序分别决定哪些负荷接入基本段（快速动作段）及其应属于什么频率级，又有哪些负荷接入后备段（长时限动作段）及其应该定多长的出口延时，并且这些接入和整定工作可在不停电的情况下进行。

　　在本例中，10kV馈线保护装置选用SEPAMS07型，该型号的保护功能继电器组除了线路保护必配的过流、速断、零序过流元件之外，还包括2个名字分别为F561、F562的低频元件，借助这2个元件可编制出符合上述要求的PLC低频减载程序（见图2）

图2　线路保护PLC程序的低频减载部分

由图2程序及注释得出：

（1）F561整定值与F562整定值之差为Δf，T1整定值为Δt。

当系统频率在Δt内从高于F561整定值降到低于F562整定值时，说明频降变化率Δf/Δt过高，造成系统低频的原因可能是短路功率突增或系统突然失电，而不是负荷过重，此时低频动作出口被闭锁，反之则由继电器K7产生1个出口脉冲命令作用于跳闸；

（2）程序中专门设计了1个特殊后备延时出口，其作用是，无论Δf/Δt为何值，只要系统频率低于动作频率整定值（F562）并在一定时间内（T3整定值）无法恢复，出口动作将负荷切除。

该特殊功能可根据实际情况用PLC的1个内部开关KP1来决定取舍。

　　需要说明的是，PLC中的保护功能继电器F561、F562节点动作值以及时间继电器T1、T2、T3和内部开关KP1，均可通过手持编程器在系统运行时进行整定设置；

开关量信号输入节点I2、I3的状态仅取决于装置的信号输入接口与电源小母线之间的连接片是否连通，运行人员只需通过合上相应的连接片就可决定负荷是接入低频基本段还是低频后备段。

用PLC内部开关代替外部连接片具有同样效果，采用外部连接片仅仅是为直观起见。

　　在编制低频减载程序时，传统继电器的动作时间和返回系数概念在梯形图中被理想化了，之所以能这么处理，主要得益于PLC的微电脑属性。

PLC中的程序是循环执行的，每2次执行之间的时间间隔（循环周期），由整个装置从采样到滤波到数据处理等各环节的时序配合决定（SEPAM装置为13.3ms），但程序本身执行1次的时间以微秒计，是完全可以忽略的。

显然，如果在梯形图中将继电器节点放在相应线圈的后面，节点动作时间可理想化地认为是零。

这一点也是使复杂的低频减载功能得以简单实现的重要因素。

　　图3　马王堆变电站110kV侧接线结

4.备用电源自动投入程序设计

　　马王堆变电站是长沙地区电网110kV系统的1个末端站，双回进线供电，其110kV侧的接线结构如图3所示（隔离刀闸省略未画）。

　　备用电源自动投入方案按下列4种运行方式设计：

（1）方式1。

1号进线供2台变压器，2号进线备用，此时断路器502、500“合”位，504“分”位，如果1号进线失压，断开502、合上504；

（2）方式2。

2号进线供2台变压器，1号进线备用，此时断路器504、500“合”位，502“分”位，如果2号进线失压，断开504、合上502；

　　（3）方式3。

1号、2号进线各供1台变压器，此时断路器502、504“合”位，500“分”位，如果1号进线失压，断开502、合上500；

　　（4）方式4。

1号、2号进线各供1台变压器，此时断路器502、504“合”位，500“分”位，如果2号进线失压，断开504、合上500。

　　备用电源自动投入的控制程序又必须符合如下一些具体要求：

（1）4种运行方式的备用电源自投功能可分别投用或退出；

（2）出口只动作1次；

　　（3）只有在工作电源断开后才投入备用电源；

　　（4）当变电站发生过流故障引起进线失压时，备用电源自投功能应该闭锁，待故障电流消除后自动延时复归。

这里要注意，过流故障是否跳开进线断路器由故障保护程序决定。

　　考虑到上述运行方式和具体要求，选择34台SEPAMB04型装置，每台对应1种运行方式。

利用该型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，整定值可低于额定电压）分别判断1号、2号进线电压和桥断路器500两边的母线电压是否失压或有压；

又利用其中2台装置中的过流元件分别判断进线断路器502、504是否流过故障电流。

对应于运行方式1、3的PLC程序逻辑框图如图4所示（因为两侧对称关系，图中省略运行方式2、4），每种运行方式用1个内部开关KP来投退，由图可见，装置之间只须少量的外部导线通过I/O口，就可将各程序连接起来构成1个完整的备用电源自动投入系统，并且这样的系统模块化程度高，便于运行管理。

　　内置PLC的继电保护装置在变电站的设计安装调试过程及随后1a多的运行情况表明：

PLC所具有的高度灵活性能为及时解决调试过程中出现的问题提供最佳方案；

PLC的运行稳定性和动作准确性高，使继电保护更可靠；

PLC编程技术容易掌握，而程序本身与传统的继电保护设计图十分吻合，使设计人员能充分发挥专长；

应用PLC的继电保护设备更加标准化，选型和使用方便。

　　图4　运行方式1、3的备用电源自动投入程序框图

2.3PLC与继电器相比较的优缺点

1.PLC的特点

目前广泛使用的的检测方法有PLC控制，继电器控制，单片机控制等。

其中PLC检测控制系统应用最为广泛。

因为其具有以下特点：

（1）可靠性

PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件。

它的连线打打减少。

与此同时，系统的维修简单，维修时间短。

PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。

例如：

冗余的设计。

断电保护，故障诊断和信息保护及恢复。

PLC有较高的易操作性。

它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不容易发生操作的错误。

PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。

采用了精简化的编程语言。

编程出错率大大降低。

（2）易操作性

对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。

程序的输入直接可接显示，更改程序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找，然后进行更改。

PLC有多种程序设计语言可供使用。

用于梯形图与电气原理图较为接近。

容易掌握和理解。

PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。

当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快找到故障的部位。

（3）灵活性

PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。

编程方法的多样性使编程简单、应用而拓展。

操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易。

以上特点使用PLC控制系统具有可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强，运行稳定等诸多优点今后PLC控制系统还会得到更广泛的使用。

PLC控制系统与继电器控制系统相比，有许多相似之处，也有许多不同。

现将两种控制系统进行比较。

继电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能、较为困难。

另外，继电器的触点数量有限，所以继电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。

而PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需友变程序，因而很容易改变或增加系统功能。

PLC控制系统连线少、体积小、功耗小，而且PLC中每只软继电器的触点数理论是无限制的，因此其灵活性和可扩展性很好。

2.比较PLC与继电器控制方式的优缺点比较

（1）功能强，性能价格比高

　一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件（如计时器，计数器，继电器等），有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。

与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。

（2）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。

用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。

楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

（3）可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。

由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

　PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

（4）系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。

这种编程方法很有规律，很容易掌握。

对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。

完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

（5）编程方法简单

梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。

（6）维修工作量少，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。

PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的实时梯形图的状态迅速的查明故障的原因，用修改程序或更换模块的方法可以迅速地排除故障。

（7）体积小，能耗低

对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。

PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。

（8）与时俱变，能实现网络通讯

PLC可以与电脑及智能仪表等通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

并能实现地显示出当前机械设备的工作状态和工作流程，对生产管理和现场维修带来极大的方便。

提升产品技术含量，增加产品形象！

对于复杂的机械设备，如果还使用传统的继电器控制，则不单加大的控制电箱的配制难度，还让产品的最终客户觉得产品不够先进，使用信心不足，因为现在主流机械设备都用上PLC，有PLC的机械品质或许更有保证，同时使用PLC加大了同行的仿制难度！

（9）对未来机械升级很方便

对于复杂的机械设备，如果随着时间的推移而不能满足使用的话，就必须要进行机械设备升级改造，如果是用传统继电器控制的，则会很麻烦，基本上要把以前的控制电箱宣布报废，但是用PLC控制的电箱的话就很方面，只要扩展一个相关的I/O点，修改一下相关的控制程序就可以。

（10）控制方式：

继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。

PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。

（11）控制速度

继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。

PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。

延时控制

继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。

PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。

PLC和继电器逻辑控制在欧洲70年代-现在从来没有抵触过。

PLC和继电器在控制系统中是相辅相成，直到现在继电器从来没有停止进一步的发展，包括SIEMENS在内从来没有承诺普通PLC是安全的，如：

设备的安全控制（停电、重起、人身防护）都是由专门安全继电器来保证，所以至今欧洲还有许多专门生产商在生产、研发。

2.4PLC发展及未来展望

1.起源：

1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。

1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器PDP—14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。

　　1969年，美国研制出世界第一台PDP-14

　　1971年，日本研制出第一台DCS-8

　　1973年，德国研制出第一台PLC

　　1974年，中国研制出第一台PLC

　　发展：

20世纪70年代初出现了微处理器。

人们很快将其