PLC在电网备用自动投入的应用.docx
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PLC在电网备用自动投入的应用
PLC在电网备用自动投入的应用
摘要
随着我国电力技术水平与电网自动化程度的不断提升，越来越多的备用自动投入设备被广泛应用在电网当中，并取得了一定的应用成效。
为了能够进一步提升电网备用自动投入的工作效率，强化对该装置的自动控制，需要将PLC技术及相关先进装置引入其中。
本研究通过采用文献分析法与实践观察法相结合的研究方式，以PLC在电网备用自动投入中的设计与应用作为主要研究内容。
在阐明PLC基本概念与主要特点的基础上，对比分析传统备用电源自动投入与PLC备用电源自动投入装置，以此为基础优化PLC设计旨在令其各项优势效用能够在电网备用自动投入中得到充分发挥。
研究证明，将PLC应用在电网备用自动投入中，对于灵活控制电网备用自投入装置，确保该装置实现长久、稳定运行，均有着十分重要的促进作用。
关键词：
PLC；电网备用自动投入；设计应用
前言
近些年我国电网规模越来越大，使得其对电力系统也提出了更严格、更高标准的要求。
而当前应用在电网中的各种传统备用电源自动投入装置，因其在控制管理精准度、安装维修难易度等方面均存在一定劣势，故而导致其逐渐难以满足当前多样化的电力系统要求。
为此，有必要将PLC技术有效运用在备用电源自动投入中，本研究旨在为人们深入掌握PLC并实现其在备用电源自动投入当中的充分利用，提供必要的理论参考与实践指导帮助。
第一章PLC的简要概述
1.1基本概念
PLC是ProgrammableLogicController的英文首字母缩写，指的就是一种可编程存储器。
PLC最早出现在1969年，其以计算机和自动化学科为基础，是一种数字运算操作电子系统，其在诞生之初主要应用在工业环境下。
简单来说，PLC是指带有微处理器并主要应用在自动化控制当中的数字运算控制器[1]。
PLC可随时在内存当中载入控制器进行存储、执行。
可编程控制器的主要组成功能单元包括CPU、指令及数据内存、输出与输出接口以及电源和数字模拟转换等。
随着PLC技术的持续发展，现如今的PLC功能多种多样，包括时序与逻辑控制、模拟控制和多机通信等等。
图1PLC可编程控制器
1.2主要特点
PLC的特点主要体现在具有较高可靠性、简便性，其结构具有模块化特征，并且其I/O接口模块较为丰富。
在PLC当中配置了高性能的开关电源，并且将R-C滤波器运用在PLC的各个输入端当中，为增强PLC的安全可靠性提供了有力保障。
在I/O借口模块中，不仅采用了光电隔离技术，同时PLC也可根据具体工业现场信号采用与之相适宜的I/O模块进行处理，针对不同电流属性与电流电位等工业信号，PLC均有相对应的电磁线圈、控制阀、传感器等器件及设备[2]。
因此通过运用丰富多样的I/O借口模块可在有效处理各种工业现场型号的同时，也使得PLC操作性能得到大大强化。
另外，PLC编程难度并不大，并且可直接在工业环境下进行操作，这也使得PLC在编程、安装维修等方面均具有较大的简单易操作性。
第二章备用电源自动投入装置分析
2.1传统备用电源自动投入
2.1.1主要构成
传统备用电源自动投入装置系统的主要构成部分为继电器、接触器。
以初代的电磁型备用电源自动投入装置为例，该装置的主要组成部分为低电压与时间继电器、中间继电器与开关辅助接点等。
虽然后期该装置系统发展出整流型与晶体管型两种不同类型，但其与初始的电磁型备用电源自动投入装置并没有本质上的区别。
该装置系统的主要目的在与一旦受到故障或运行异常等因素的影响，导致工作电源断开时，可迅速自动切换备用电源，进而有效避免用户被停电[3]。
2.1.2不足之处
虽然在电网中长期使用传统备用自动投入装置系统时，为保障用户用电持续性发挥了一定积极作用，加之其结构组成并不复杂，成本低廉，因此被广泛应用在许多中小型企业与工厂供配电系统中。
但随着人们对电力系统运行要求的逐渐提升，传统备用自动投入装置的局限性也慢慢暴露出来。
首先，受到传统备用自动投入装置系统结构组成的影响，其想要组成完整的控制系统需要大量的继电器与接触器，而在使用大量继电器与接触器的过程中，势必会增大装置系统的体积，导致其占地面积过大、系统过于笨重。
其次，在传统备用自投装置中所使用的继电器、接触器均为电磁式机械动作，其触点在频繁进行接通、断开动作的过程中极易出现各种故障问题，影响系统自身的安全可靠性，同时也大大增加了后期运维与故障检修的工作量和工作难度[4]。
最后，在传统备用自投装置中，采用纯硬件结构，无法进行自动变成，这也导致系统需要花费较长时间进行开发，且系统无法具备通信监控等功能，对电网自动化建设而言存在不相适应的问题。
2.2PLC备用电源自动投入
2.2.1基本构成
采用PLC技术及相关装置的备用电源自动投入装置系统，其主要组成部分除CPU和存储器之外，还包括输入与输出电路以及各种功能模块。
这一全新备用电源自动投入可以对现场各种数字与模拟量信息进行收集整理，并统一传输至CPU中进行分析与计算处理，而后将处理结果与相关信息迅速反馈至现场，实现对现场各项相关设备的工作进行有效控制的目的。
在基于PLC的备用电源自动投入装置系统中，通过采用模块化结构，设备能够与上位机进行实时通信传输，配合使用图形化、文本化的编程形式，令备用电源自动投入装置系统可以在快速完成各项采集的到的现场数字、模拟量信息的分析计算与处理后，自动完成系统中软件、硬件的诊断检查，从而确保该装置系统能够始终保持安全、稳定的运行状态[6]。
2.2.2应用优势
相较于以往传统的备用自动投入装置系统，建立在PLC基础上的新型备用自动投入装置系统，首先不再需要大量的继电器与接触器，这也使得用于连接二者的线路长度可以得到最大缩短，避免装置系统出现结构复杂、体积过大等情况。
事实上本身在PLC内部中带有诸多继电器，其完全可以作为传统备用自动投入装置中需要使用的继电器的替代品。
其次，新备用自动投入装置系统运用可编程控制器，在引入编程方法下能够大大缩短系统开发时间，降低系统开发难度并加快各项信息数据的处理速度[6]。
根据相关数据显示，在PLC备用自动投入装置系统中，平均每条命令的执行时间级别可以达到微秒级，最短时可以达到纳秒级。
且对比传统备用自投入装置中使用的机械定时器，PLC备用自动投入装置中使用的定时器具有更高的精准度。
再次，新型备用自动投入装置可以提前设定相关协议，而后在实际运行过程中自动按照这一协议向其他PLC或PC机，实时传输各种信息数据，从而达到自动监控和诊断备用自动投入装置系统，乃至整个电力系统及其运行故障的效果。
并且在PLC技术的应用下，上位机与设备之间可建立密切的通信传输渠道，用以在线进行自诊断与调试运行，从根本上确保系统运行的安全可靠性。
最后，运用PLC技术对自动投入装置系统进行控制管理，不仅可以有效提升系统管控的灵活性与精准度，同时也可以避免像传统备用自动投入装置需要对各种硬件与线路连接进行反复更换，其在运维管理时只需依照实际情况对相关程序进行适当修改调整即可，进而有效降低系统运维难度，有助于控制系统的运维周期和维护成本。
第三章电网备用自动投入中PLC的总体设计与基本要求
3.1总体设计
由于传统备用自动投入装置系统缺乏较高的安全可靠性、几乎无可编程能力，且出现故障的可能性相对较高，因此为进一步维护电力系统的正常运行，保障电网安全，有必要积极将PLC技术运用在电网备用自动投入中，在将其设计应用在电网备用自动投入中时，系统在正常操作情况下，G变电站和H变电站应当分别由WL1与WL2电力线进行相互暗交替[7]。
一旦某一线路出现运行异常或是跳闸等故障现象，需要立即执行相应的重合闸装置动作。
此时如果成功重新合闸，则备用自动投入装置将不会启动，如果无法成功重合闸，则自动启动PLC备用自动投入装置系统，确保电力系统能够实现正常运行。
在参数设定中，要求设计人员严格按照国家相关规定要求和设计规程规定，结合该装置系统的实际情况，规范完成对PLC电网备用自动投入装置系统的动作时间、动态与静态响应参数的设置。
本文所设计的基于PLC的电网备用自动投入装置系统运用单总线系统性能参数，针对其中的重要用户，在供电方式上设计采用供电双回路形式，设置两个变电站。
在保障各变电站能够实现独立、正常运行的情况下，运用WL1、WL2电力线相互暗交替的形式，令两个变电站之间实现互联互通。
此外，本文设计的应用在电网中的PLC备用自动投入装置系统还运用只有较少外围元件的PLC电路，在有效降低设计难度及后期运维管理复杂性的同时，也可以达到实现对系统进行精准控制，确保系统始终保持正常、安全可靠的运行状态。
另外值得注意的是，在实际设计使用基于PLC的备用自动投入装置系统时，相关工作人员首先需要认真参照规定标准要求，对该装置系统的应用环境进行有效控制，及时排除可能对系统正常运行造成干扰、阻碍的各种因素。
并且重视加强对PLC备用自动投入装置系统的抗干扰设计，以此有效提升其抗干扰能力，为维护系统运行安全增添另一重保障。
下图展示的就是该装置系统的电气主接线设计图：
图2PLC备用自投入装置系统电气主接线设计示意图
3.2基本要求
本文所设计的PLC电网备用自动投入装置系统，在控制方面首先要求其在主电源因各种故障问题出现断电现象时，需要能够自动投入备用电源，避免系统运行中断。
但如果备用电源存在电压过低的情况，导致备用电源无法正常动作，则要求系统能够自动发出相应的故障警报，提醒工作人员注意。
其次，针对故障因素以外导致的电源断电，例如因人为错误操作导致电源被切除时，要求该自动投入装置系统不发出备用电源自动投入运行的指令。
当主电源处于正常工作状态时，允许备用电源进行充电操作，除此之外备用电源将无法进行充电操作[8]。
再次，本文所设计的PLC电网备用自动投入装置系统也要求，只有彻底排除主电源断电故障，且主电源已经顺利恢复正常工作状态时，才可自动切除备用电源和负载之间的连接。
最后，一旦系统设备出现运行异常或是其他故障问题，需要立即执行供电电路跳闸操作，发出相应警报信息，从而确保设备安全。
对于切换设备的操作动作，则需要对其进行时间限制规定，使得该PLC电网备用自动投入装置能够和其他保护装置实现默契配合。
第四章PLC在电网备用自动投入中的设计与应用分析
4.1电网备用自动投入动作顺序逻辑
4.1.1变电站母联备用自动投入动作顺序逻辑
当进线开关和备自投开关分别处于合位置与投入位置，分闸上各母联一切正常，本段进线母线电压值也与规定要求相符后，待5s之后即可完成OLC电网备用自动投入的充电操作，其可以将满足备用自动投入充电条件的信号直接传输至另一段进线。
备自投令母线从有压至失压时，其时间不应短于低电压延时。
建议将该时间设定为低电压延时时长的基础上加1000ms，以此有效避免反复出现备用自动投入的情况。
在其逻辑非操作时，要求在位置线开关彻底关闭，压力损失经由P的突破后进行过电流保护动作的前提下进行。
终端线路电压损耗开关不跳闸命令，不应当与备用自动投入装置信号相符合[9]。
在正式进行备用自动投入装置逻辑动作的过程中，位于合位置处的进线开关延时，与低电压发生延时分别达到5s与0.5s后，无任何PT断线现象发生的情况下，再自动执行备用自投入跳进线动作，并对本段进线是否跳开进行准确判断。
如果不存在过流保护动作，即延长闭锁5s，此时可将开关位于和位置及有压等备自投满足条件发送至另一段进线中。
对发出备用自动投入合闸母联脉冲进行一次保护，即将备自投合母联信号发送至母联处，待其成功接收这一信号之后自动发出合母联命令，由此完成整个备用自动投入过程。
4.1.2抗干扰措施
为有效提升整体系统的抗干扰性能，确保系统运行更加安全、稳定、可靠。
要求在设计PLC电网备用自动投入中时，需要重视加强其抗干扰设计，为此本文在设计过程中，采用分开敷设输入与输出信号电缆、电力电缆的方式，并且尽可能选择自带屏蔽层的输入、输出信号电缆，设计其一端接地。
对于多芯电缆，同样设计其中备用芯线一端接地，一方面用于获得更理想的屏蔽效果，另一方面也有助于对芯线之间出现的各信号相互串扰以及其他外部干扰进行有效抑制，以此达到强化系统抗干扰能力的目的[10]。
另外，在此次设计中，只允许电平等级完全一致的信号使用同一条多芯电缆进行传输，因此对于数字与模拟信号，需要分设电缆进行传输。
低电平信号线设置需要保持较高独立性，避免和其他信号线相互混合，在尽量选择使用屏蔽性能良好的双芯屏蔽线，将其作为信号线的同时，对模拟量I/O信号线长度进行严格控制。
设计过程中要求对PLC电柜配置专门的接地线，设计接地电阻在10Ω以内。
引向PLC电柜的所有电缆需要与电磁干扰源保持一定距离。
此外本次设计中，选择在专门的电柜中设置PLC装置，并且在其周围至少留出50cm净空间。
在纺织PLC电柜及相关装置前，需要对周围环境进行认真检查和全面清扫，及时将残留再周围的灰尘、积水、杂质等清除干净，确保PLC设备运行具有较好的通风环境，从而为提升其整体抗干扰性能创造良好环境条件。
4.2PLC的选择与系统配置
4.2.1PLC选择
当前市面上生产PLC产品的厂家众多，包括德国西门子、日本三菱、美国A-B等等，相关工作人员需要根据具体设计要求、设计成本预算等合理选择相适宜的PLC产品。
在选择PLC型号时，首先需要充分考虑数字量、模拟量输入点数与输出点数。
根据本系统的应用要求，其数字量的输入与输出点数分别为27与19，模拟量输入点数为5。
此外在设计过程中还需要按照10%选取一定裕量。
程序输入的PLC数字量输入与输出点数分别应当为30和22，模拟量输入点数则为6。
在分析PLC负载能力的过程中，要求PLC当中自带5VDC电源供电，依照本系统的设计要求，全部继电器、断路器总工作电流和在1000mA左右。
如果无需考虑PLC负载能力，则在其插入各输入与输出模块中时，可以选择使用外加电源的形式。
4.2.2系统配置
考虑到时间继电器延时往往存在一定误差，且具有随机性。
在以往备用自动投入装置系统中，上层与下层之间缺乏通信连接，难以有效实现继电保护，进而导致系统出现跳闸、误跳闸等情况的可能性较大。
此外，该装置存在较大动作值差异，因此为了能够始终保证安全可靠供电，本文在PLC系统配置设计中，经过综合考虑，最终选择采用三菱公司自主研发生产的S7系列PLC可编程控制器，其输入与输出点数总共分别有24个和16个。
共有数字I/O接口40个，同时还配有两个RS485接口与若干通用型接口。
能够有效完成各种数据交换与人机操作，可为系统实际运行提供多样化的功能模块，配合完成各项基本操作指令。
下图展示的就是该PLC系统的外部接线情况：
图3PLC外部接线设计示意图
4.3外围电路设计
为尽可能保障本文所设计的应用在电网中的PLC备用自动投入装置系统，具有较高的抗干扰性能，因此本文在设计外围电路及其硬件过程中，针对PLC供电选择使用220VDC，以此有效防止系统在实际运行过程中受到交流谐波信号的干扰影响，从而令PLC能够持续保持正常稳定的工作状态。
在传输线路设计上，本文选择使用具有较高抗干扰性能的屏蔽双绞线。
而在模拟与数字信号设计中，本文选择引入光耦隔离技术，并且通过设置相应的过压和失压保护装置，增设自动化且操作精准度较高的过电流与保护装置，使得外围电路硬件在运行过程中能够得到有效保障。
此外，针对系统在运行期间可能出现的接地故障，本文在设计PLC系统并将其应用在电网备用自动投入装置中时，选择使用TT型保护。
图4TT接地保护系统设计示意图
4.4PLC程序设计
本文在设计PLC程序中时，向断路器控制回路内引入PLC控制下的进线跳闸信号。
为避免进线断路器手动分闸操作过程中出现母联自动投入控制回路误动作，因此在设计过程中，对于进线手动分闸回路，此次设计采用将一对转换开关接点装入其中的方式。
即在实际进行进线断路器手动分闸操作时，自动接通该对转换开关接点，并将另一对转换开关接点，也直接串入至PLC控制下的母联自动投入回路断路器合闸回路中[11]。
即在实际进行进线断路器自动分闸操作时，直接接通该对转换开关接点，此时采用微机保护装置作为继电保护装置下，在母联合闸之后，母联继电保护会经过一段时间延时，再彻底取消保护动作。
如果此时母联继电保护动作，自动投入装置将无法继续完成母联合闸操作。
通过在PLC当中各自引入一条进线微机保护出口接点，进线在过流跳闸过程中，母联始终不自动投入。
在尚未编写PLC程序时，需要依照系统各输入与输出合理分配PLC地址，而后进行初始化代码的正确编写，使得系统数据进入初始化操作。
最后再对主程序、中断服务程序进行编写，进而达到整体精准控制系统的目的。
在当前编程领域中，梯形图作为其中一项重要编程语言具有易于理解、难度较低、操作简便等诸多优势特点。
因此本文为有效提升PLC系统程序编写效率，并保障编程结果的准确性，设计采用计算机和梯形图编程语言，配合使用专门的编程工具软件，下图展示的就是PLC系统控制梯形图：
图5PLC备用自动投入程序梯形图
4.5联机调试运行
在所有PLC程序设计工作结束之后，即需要进入到编辑处理环节，而后通过现场联机调试，对系统实际运行情况进行检查，以便能够及时发现其中存在的问题并有针对性地进行处理。
在本文设计的PLC程序联机调试运行中，程序启动之后将X1按下，此时备用电源自动切换至暗备用状态，QF1与QF2均为合闸状态，对应指示灯亮起。
两个变压器则分别为相对应的母线供电。
在将X4按下之后，母联1失电，QF1跳闸且其对应指示灯熄灭。
变压器T1将无法正常工作，经过2s延时之后QF3自动合闸，对应指示灯亮起。
此时变压器T2供电交由母线1与母线2负责。
在将X6按下后，线路电压不正常QF3跳闸，对应指示灯熄灭，系统自动发出相应报警信号。
结论
综上所述，通过将PLC技术运用在电网备用自动投入装置系统当中，对于强化装置设备的精准、灵活控制，提高供电的安全可靠性等均有着十分重要的现实作用。
根据最终的调试运行结果可知，本设计能够有效弥补传统备用自动投入中时间继电器延时误差等不足，为整定、调试继电保护提供了便利。
因此在实际将PLC运用在电网备用自动投入装置中时，相关工作人员需要充分结合实际情况，严格遵循国家各项规定要求与相关设计规程，合理选择相适宜的PLC装置并对其电路、硬件等进行优化设计。
适当加强PLC系统的抗干扰设计，依次有效保障PLC的优势性能得以在电网备用自动投入中得到充分发挥。
总结与体会
本文在研究过程中，通过对PLC及电子工程专业中的相关知识概念进行充分利用，学习总结前人学者的优秀研究成果，设计出可以有效应用在电网备用自动投入当中的PLC系统，并达到了优化整体控制成效，维护供电安全可靠性的目的。
在研究中本人对PLC系统及其设计应用有了进一步学习与了解，同时也对PLC控制系统及变电设备开关装置等领域有了深入认知，为日后从事相关工作岗位奠定了坚实的理论基础。
谢辞
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