基于plc的输电线路自动重合闸系统设计.docx
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基于plc的输电线路自动重合闸系统设计
摘要
随着可编程序控制器（PLC）技术的发展,由于其高可靠性、高性价比、广泛的工业现场适应性和方便的工艺扩展性能，PLC在电力系统的控制过程中得到了越来越广泛的应用.目前，可编程逻辑控制器（PLC）的应用,解决了存在的诸多问题.PLC功能强大，以它为自动控制的核心，能够将逻辑控制、过程控制和运动控制这三控集于一体，可方便、灵活地组合成不同规模和需求的控制系统,以实现现代多功能自动控制。
现代电力系统日趋复杂，电压等级的升高,系统出现问题的可能性比以往有所增加，因此，必须有足够的措施保障系统的安全，将电力系统出现故障时所造成的损失减到最低，继电保护技术是各种安全措施保护功能中最为重要的一种。
高压输电线路自动重合闸功能作为电力系统继电保护装置保护功能的重要组成部分。
它在保证系统安全、稳定和经济运行等方面起着非常重要的作用。
针对输电线路常出现暂时性的故障，为提高供电的可靠性，在线路上须装设自动重合闸装置。
为保证触头开断过程的电弧总能量最小，要求实行定相合闸，通过芯片KJ008在获取电压的过零信号后产生触发脉冲，选用FX2N-32MR型PLC为控制模块，编写PLC程序，控制断路器的合闸时刻。
关键词：
自动重合闸;可编程逻辑控制器;电力系统；KJ008
Abstract
Withthedevelopmentoftechnologyofprogrammablelogiccontroller,andbecauseofitshighreliability,highratioofperformancetoprice，PLChasfoundmoreandmorebroadadaptabilityinindustryspotandconvenienttechniqueexpansibility,soPLCbecomemoreandmoreabroadintheautomationprocesscontrolinhigh-voltagebreaker.Atpresent,theprogrammablelogicalcontroller（PLC）applicationhassolvedexistencemanyproblems。
ProgrammableLogicController（hereafterabbreviatedasPLC）,haspowerfulfunctions。
Asacoreofautomationofpowersystem，itcombineslogiccontrol，processcontrolandmotioncontrol,andcanbeeasilyandflexiblyorganizedintoacontrolsystemondifferentscalestomeetvariousrequirements。
So,thecontrolsystemismulti-functionalandmodern.
Withthemodernelectricsystembecomingmorecomplicatedandvoltagegradekeepingelevated,theprobabilitythatsystemcomesforthsomeproblemsisincreasing。
Therefore，itisnecessaryforustotakeadequatemeasurestoensurethesecurityofthesystemandminimizethelosswhenthesystemfailstofunction。
Relayprotectiontechniqueisthemostimportantoneamongdiversifiedsafetyprecautions。
Astheimportantpartofrelayprotectiondevices,thehigh—voltagetransmissionlineauto—reclosingfunctionactsasthecrucialroleinsystemsafety，stabilityandeconomicalrunning.
Fortransmissionlinesoftenappearedatemporaryfailure，toimprovepowersupplyreliability，on-lineontheinstallationofautomaticreclosingdevices.Toensurethattheprocessofbreakingcontactarctotalenergyminimum，calledforthezerosclosingphase,throughthechipKJ008inobtainingthezerovoltagesignalafterthetriggerpulse，optionalFX2N-32MR—PLCforthecontrolmodule，preparedbythePLCprogram，theclosingmomentsisset。
Keyword：
automaticreclosingdevice；programmablelogiccontrollerelectricpowersystemkj008
1绪论
1.1课题的提出及研究的意义
随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高,人们对电力的需求愈来愈大，这促使电力事业迅速发展。
电力法的公布和执行，更要求电力供电部门提供安全、经济、可靠和高质量的电力。
随着社会经济的飞速发展，对电力系统的可靠性、稳定性和安全性的要求也越来越高，对继电保护的性能的要求也越来越苛刻。
对继电保护而言，分析电力系统故障的目的在于根据故障后电流、电压、阻抗等电气量的变化特点确定故障是否发生、故障是否发生在被保护范围之内、故障的性质以及故障发生的准确位置，进而决定继电保护是否动作.用于线路方面的继电保护装置作为电力系统的重要组成部分在保证系统安全、稳定和经济运行方面起着重要的作用，当线路发生短路故障时可及时切除故障线路,能够保障系统其它部分的正常运行。
在电力系统的各组成元件中，线路作为覆盖面积最大且工作条件最恶劣的元件,受各种各样自然条件的影响，其故障发生率是各个电力设备中最高的。
输电线路故障可分为瞬时性故障和永久性故障两种：
永久性故障是指出于线路倒塔、断线、绝缘子击穿或损坏等引起的故障，在线路断开后,故障点的绝缘不能恢复；瞬时性故障是指大风引起的碰线、线路通过线下树木对地放电或异物落在导线上引起的短路等,这类故障在线路跳开后，电弧可自行熄灭，故障点的绝缘基本恢复到正常水平，这时合上电源，就能够恢复正常供电，故称此类故障为瞬时性故障.电力系统的运行经验表明,输电线路发生的故障大都是瞬时性的.当断路器跳闸后，若由运行人员手动进行重合，由于停电时间过长，用户电动机多数已经停转，重合闸的效果不显著。
因此，目前电力系统广泛采用自动重合闸。
电力系统的运行资料统计表明,自动重合闸的动作成功率相当高，一般在60％—90％之间。
由此可见，自动重合闸对于提高瞬时性故障时供电的连续性、双侧电源线路系统并列运行时的稳定性，以及纠正由于断路器或继电保护误动作引起的误跳闸，都发挥了巨大的作用［1］。
由于流经重合器的电压信号是交变的，断路器在不同相位下合闸，其合闸过程的动态特性也不同，即触头间的碰撞和弹跳持续时间、衔铁运动速度的变化规律和碰撞能量不同，接通电路出现的电流最大值也不同，触头间由于产生电弧而引起的触头电腐蚀量亦可能有所不同.所以断路器最好是在电压过零时合闸,因而要解决电压选相的问题。
随着PLC的发展，由于PLC能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决
方案，适合于当前工业企业对自动化的需要.另一方面，PLC还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。
PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场,为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。
PLC在电力系统中得到了广泛的应用.研究自动重合闸的PLC控制系统对于保证供电的可靠性、稳定性，改善供电质量,切实提高企业的经济效益和工作效率具有重要意义。
1。
2自动重合闸的发展状况
随着科学技术的进步，电器产品逐渐向机电一体化方向发展,采用了电子、计算机改革和创新研制的新型开关电器—交流高压真空自动重合器就是一个典型的项目.
老的变电站改造,新建的全户外小型化变电站以及配电架空线、住宅区、开发区等都将广泛使用重合器。
它能保证电网的新建与改造。
它有三个突出的优点是其他开关目前尚未具备的：
第一，它简化了传统变电站的接线方式，取代了传统的控制室、高压配电室、继电盘等设备，省去了大量的投资,占地面积省去1∕3，整个施工建设周期大为缩短。
第二，该产品具有智能功能，使电网大部分瞬时性故障重回成功，永久性故障自动隔离闭锁，不仅具有断路器控制和保护功能，而且能自动检测10KV输电线路运行状态和识别记忆故障相类型及次数，具有反时限I-t特性及多组TCC曲线，按预先整定的程序可以与分段器、重合器、断路器等开关设备配合实施各种功能和“三遥”操作，大大缩短电网故障寻址时间，迅速切除故障区段，提高供电质量和可靠性。
第三，整定值按预定的调试程序自动复位，具备远方操作和分合闸功能,具备运行操作电源。
1。
3PLC控制技术的应用
在今后的发展中，电器的发展趋向自动化、智能化，PLC的运用将更为广泛，PLC在电力系统中的应用，也将有更好的应用。
因为PLC控制系统有更为优越的特点它的功能强大，性能价格比高，一台小型的可编程序控制器内有成百上千个内部继电器、几十到几百个定时器和计数器、几十个特殊用途继电器，有很强的功能,可以实现非常复杂的控制功能。
可编程序控制器产品已经标准化，它的硬件配套齐全，使用方便，易于控制。
PLC控制系统无触点配线，可靠性高,抗干扰能力强。
以它为自动控制的核心，能够将逻辑控制、过程控制和运动控制这三控集于一体，可方便、灵活地组合成不同规模和需求的控制系统,以实现现代多功能自动控制。
基于PLC控制的系统在运行中体现了许多优点，例如：
（1）PLC工作性能可靠，免去了对原设备继电器的校验与清扫工作.
（2）PLC操作简单,PLC人机接口简单方便，逻辑控制回路完全由软件实现,可按运行人员要求改变控制流程，满足现场运行需要。
（3）控制系统检修维护方便，大大降低了检修工作量,节约了大量的检修费用.
（4）报警系统的完善,保护范围全面。
（5）工作环境的改善，PLC控制柜布局紧凑，结构合理，盘面美观大方，运行显示一目了然，控制操作方便.
（6）远方监控方便,PLC可随时建立与上位机的通讯,将采集的开关量数据及模拟量数据上传远方ALP工作站，便于远方监测。
上位机还可下传控制指令，实现试验系统的远方控制。
系统采用先进的PLC控制，设计合理，使整个系统性能优于常规控制系统，这一点在仿真试验及实际运行中得到了证实与考验，将为安全生产发挥实际作用，对其它设备的独立改造也具有一定的参考价值。
PLC作为一种自动化程度高、配置灵活的工业生产过程控制装置,因为其本身的高可靠性、允许在较为恶劣的环境下工作而在自动控制领域中得到广泛应用。
控制设备性能稳定，维护方便，既降低了维护人员的劳动强度，又保证了生产的稳定畅行,能收到很好的经济效益和社会效益。
2自动重合闸装置的方案选择
自动重合闸（AutomotiveReclosingDevices，缩写为ARD）是指当断路器跳闸后，能够自动将断路器重新合闸的装置。
自动重合闸作为保证电力系统安全供电的有效措施之一，能够有效的减少不必要的停电事故，在输、配电线路中，已经得到极其广泛的应用。
2。
1国内外自动重合闸的发展历史
随着上个世纪五、六十年代电子技术的发展，出现了最早的第一代重合闸装置，即晶体管型的重合闸。
我国在单相自动重合闸方面的研究和实际应用起步都较早，1960年,东北电网在220kV阜锦线上第一次采用了单相重合闸。
由于它是连接阜新市和锦州市两个地区的唯一主电源,每次跳闸都造成了较大影响和损失。
随着阜锦线的单相自动重合闸投入后,每年不止发生一次单相接地故障，单相重合闸100%成功.1963年，东北电网进行了阜（新）鞍（山）营（口）220kV环网的继电保护与重合闸改造工程，在设计过程中，推广采用了单相重合闸，还设计采用了非故障线电流突变量元件作为单相重合闸过程中的后加速元件。
阜（新）鞍（山）营（口）220kV环网的继电保护与重合闸的成功改造，取得了预期的运行效果.自此，单相重合闸得到了迅速的推广。
上个世纪90年代中期至今，伴随着计算机技术的飞速发展，高压微机线路保护装置在我国的电网中得到了应用和推广，第二代重合闸装置，即微机型重合闸装置也随之在高压输电线路中得到了广泛的应用。
随着高压微机线路保护的不断成熟与完善，微机型重合闸装置也在不断的改进与完善。
在欧洲，单相重合闸很早就开始得到了广泛应用.西欧及北欧电网的联网电压为420kV及245kV，其特点是变电所密集，420kV线路的平均长度为80km，245kV线路的平均长度是40km，最多发生的故障是单相接地故障。
因此，极为期望保持线路在运行中，同时尽力降低网络传送容量不可用率.故此,在早期,当断路器与继电保护装置提供了条件时，就选择了单相重合闸。
自上世纪50年代到60年代中期,在各自系统内部已形成了150kV与220kV联网，随后顺利的在420kV线路上采用了单相重合闸。
在北美,最普遍采用的各级电压线路自动重合闸方式是快速三相重合闸。
2。
2自动重合闸装置的工作原理
三相一次自动重合闸装置通由启动元件、延时元件、一次合闸脉冲元件和执行元件4部分组成。
启动元件的作用是当断路器跳闸之后,使重合闸的延时元件启动;
延时元件是为了保证断路器跳闸之后，在故障点有足够的去游离时间和断路器及传动机构能准备再次动作的时间;
一次合闸脉冲元件用于保证重合闸装置只能重合一次；
执行元件则是将重合闸动作信号送至合闸电路和信号回路，使断路器重新合闸，让值班人员知道重合闸已动作。
（1）正常情况下
线路处在正常工作情况下,断路器处在合闸状态，其辅助常开接点DL2闭合，常闭接点DL1打开，控制开关KK的接点21、23接通，重合闸继电器中的电容器C经1R而充满电，电容器两端的电压等于电源电压。
用于监视中间继电器ZJ接点是否完好灯光监视回路6接通，XD亮。
图2-1自动重合闸原理图
表2.1KK接点的通断情况
操作状态
手动合闸时
合闸后
手动跳闸时
跳闸后
接点通断情况
2—4
通
通
通
断
5-8
断
通
通
通
6—7
通
通
断
通
21—23
断
断
通
通
25-28
断
通
通
通
（2）线路短路保护动作时
当线路发生短路，保护动作时BH1闭合,2SJ启动。
经预定延时后，送出跳闸信号，使防跳继电器TBJ
（1）启动（回路12）,断路器跳开后,接点DL2打开，DL1闭合,TBJ
（1）因断电失磁而恢复原来状态.
当断路器跳开，DL1闭合后，跳闸位置继电器TWJ被启动（回路11），其接点TWJ1闭合。
于是，时间继电器1SJ启动（回路1和2），经重合闸的整定时间（0。
5~1.55）后，延时接点1SJ1闭合,电容器C即通过1SJ1对中间继电器ZJ放电（回路3和4），使ZJ动作。
其常闭接点ZJ4打开，灯光熄；其常开接点ZJ3闭合，直流电源经回路7和10使合闸接触器HC励磁,使断路器合闸.由于ZJ电流自保持线圈的作用，只要电压线圈被短时启动，便可保证使ZJ于合闸过程中一直处于动作状态，从而使断路器可靠合闸。
如果线路上的故障是暂时性的，则断路器合闸后DL1打开，TWJ失磁，TWJ1打开，1SJ返回ZJ也因DL1打开而返回。
ISJ返回后，1SJ1断开，电容C开始经1R充电，大约经10~15s后,C两端充满电压，这一电路就自动复归，准备好再次动作。
如果线路上的故障是永久性的,则在断路器合闸后，继电保护将再次动作，而使断路器重新跳开，这时1SJ将再次启动,1SJ1又闭合，电容C向ZJ放电,因电容C充电的时间短，其两端电压较低不足以使ZJ启动，故断路器不能再次重合。
ZJ也就永远不能再次动作,从而保证了重合闸只动作一次.
（3）手动操作跳闸时
当手动操作跳闸时,KK的接点6、7接通，回路12通，断路器跳开。
断路器跳开后，KK的接点21、23断开，接点2、4接通，使重合闸回路失去正电源，不可能再动作于合闸。
而2、4接通后，使电容C经2R放电,C上的电压迅速降低。
（4）手动操作合闸时
当手动操作合闸时,KK接点5、8接通，经回路10启动合闸接触器HC，断路器合闸，同时，KK的接点21,23，25,28接通，接点2、4断开，重合闸回路获得正电源，正电源经1R向C充电，但需经10～15s才能充到操作电源电压。
接点25、28接通后，使加速继电器JSJ动作,JSJ接点闭合。
如线路上有故障，则断路器合闸后，继电保护随即动作，经JSJ接点使断路器无延时跳开。
这时，电容器C两端电压还比较低，不足以使ZJ启动，故重合闸不可能动作。
（5）防止断路器多次重合于永久性故障的措施
在原理接线图中,若ZJ动作后，它的常开接点ZJ1、ZJ2、ZJ3被粘住时,线路发生永久性故障,则当第一次重合闸后,保护再次动作，使断路器断开,断路器跳开后,由于DL1又处于闭合状态，若无防跳继电器TBJ，则ZJ被粘住的接点又会立即启动HC，发出合闸脉冲，形成多次重合.为此，在原理图中装设了防跳继电器TBJ。
（6）重合闸的闭锁回路
在某些情况下,例如在母线L发生故障,母线差动保护动作，使线路断路器跳闸时，不允许实现自动重合闸。
在这种情况下，应将重合闸闭锁，使之退出工作，为此,可将母线差动保护的出口继电器常开接点BH2与KK的接点2、4并联，当母线差动保护动作后，BH2闭合，电容C即经2R放电，就不能再使ZJ动作，从而达到了闭锁重合闸的目的。
2。
3自动重合闸的作用
自动重合闸的作用可归纳为如下几点：
（1）在线路上发生暂时性故障时，迅速恢复供电,从而提高了供电的可靠性。
（2）对于有双侧电源的高压输电线路,可提高系统并列运行的稳定性.
（3）在电力网设计过程中,装设自动重合闸的，可暂缓架设双回线路以节约投资。
（4）对于断路器本身由于机构不良,或继电保护误动作而引起的误跳闸，自动重合闸能起到纠正作用。
由于自动重合闸本身的投资低，工作可靠，采用自动重合闸后可避免因暂时性故障停电所造成的损失,因此,规程规定,在1KV及以上电压的架空线路或电缆与架空线路的混合线路上，只要装设断路器,一般都应装设自动重合闸装置。
在用高压熔断器保护的线路上,可采用自动重合熔断器。
但是,采用自动重合闸后，当重合到永久性故障时,系统再次受到短路电流的冲击，可能引起电力系统振荡.同时断路器在短时间内连续两次切断短路电流,这就恶化了断路器的工作条件。
对于油断路器，其实际切断容量将比额定切断容量有所降低。
2.4自动重合闸的类型
自动重合闸装置按其功能可分为以下三种类型。
1.三相重合闸
所谓三相重合闸是指不论在输、配电线上发生单相短路还是相间短路时，继电保护装置均将三相断路器同时跳开,然后启动自动重合闸再同时重新合三相断路器的方式.若暂时性故障，则重合闸成功；否则保护再次动作，跳开三相断路器.这时，是否再重合闸要视情况而定。
目前，一般只允许重合闸动作一次，称为三相一次自动重合闸装置。
在特殊情况下，如无人值班的变电所的无遥控单回线，无备用电源的单回线重要负荷供电线，断路器遮断容量允许时，可采用三相二次重合闸装置。
2．单相重合闸
在110KV及以上的大接地电流系统中，由于架空线路的线间距离较大，故相间故障机会很少，而单相接地短路的机会却比较多,占总故障的90％左右。
因此,在输电线路上，当不允许用快速非同期三相重合闸，而采用检查同期重合闸，在因恢复供电时间太长，满足不了系统稳定运行要求时,可以采用单相重合闸方式工作。
单相重合闸，是指线路发生单相接地故障时，保护动作只断开故障相的断路器，然后进行单相重合。
如故障是暂时性的，则重合成功，如果是永久性故障，而系统又不允许非全相长期运行，则重合后，保护动作使三相断路器跳闸，不再进行重合。
当采用单相重合闸时，如果发生相间短路，则一般都跳三相断路器,且并不进行三相重合；如果因任何其他原因断开三相断路器,则也不再进行重合。
3。
综合重合闸
综合重合闸是将单相重合闸和三相重合闸综合在一起，当发生单相接地故障时，采用单相重合闸方式工作；当发生相间短路时，采用三相重合闸方式工作。
综合考虑这两种重合闸方式的装置称为综合重合闸装置。
综合重合装置经过转换开关的切换，一般都具有单相重合闸、三相重合闸、综合重合闸和直跳（线路上发生任何类型的故障时，保护可通过重合闸装置的出口,断开三相，不再重合闸）等四种运行方式。
在110KV及以上的高压电力系统中，综合重合闸已得到广泛应用［3］。
2.5高压线路自动重合闸启动方式
高压线路自动重合闸有两种启动方式：
不对应启动方式和保护启动方式。
不对应启动方式的优点：
简单可靠，还可以纠正断路器误碰或偷跳，可提高供电可靠性和系统的稳定性，在各级电网中具有良好运行效果，是所有重合闸的基本启动方式。
不对应启动方式对于传统的非综自厂、站，是利用控制开关位置与断路器位置不相符合的原则启动自动重合闸。
对于综自型厂、站，已经不再需要传统的控制屏,断路器合闸也不一定要通过控制开关，所以利用控制开关位置与断路器位置不相符合的原则启动自动重合闸已经不再适用于新型综自厂、站，而是利用跳闸位置继电器触点启动重合闸。
保护起动方式，是不对应启动方式的补充。
由保护装置动作来启动。
它的特点是:
仅在保护装置动作情况下才启动自动重合闸装置.因此，它不能自动恢复“误碰"使断路器掉闸后的供电［1］.
2。
6对自动重合闸装置的基本要求
自动重合闸的基本要求如下：
1、动作迅速
自动重合闸装置在满足故障点去游离（介质强度恢复）所需的时间和断路器消弧室及断路器的传动机构准备好再次动作所需时间条件下，自动重合闸装置的动作时间应尽可能短。
因为从断路器开到自动重合闸发出合闸脉冲时间越短，用户的停电时间也可以相应缩短，从而可减轻故障对用户和系统带来的不良影响.重合闸动作的时间，一般采用0。
5~1s。
2、在下列情况下，自动重合闸应可靠地步动作
（1）运行人员发出跳闸命令时重合闸不应动作。
由值班人员手动操作控制开关或通过遥控装置使断路器跳闸时，属于正常的控制运行,自动重合闸装置不应动作.
（2）手动合闸时，由于线路上存在故障，继电保护动作跳闸后,重合闸不应动作。
这种情况下，故障多为永久性故障，它可能是由于检修质量不合格，隐患未消除或者保安的接地线没有拆除等原因引起的，因此即使再次重合也不会成功。
3、自动重合闸装置应具有接收外来闭锁信号的功能.例如，当断路器处于不正常状态时（如操作机构气压或液压低等），不能实现自动重合闸，或某些保护（如线路保护永跳等）动作
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