可编程控制器在变电站继电保护中的应用及程序设计

【摘要】　论述了在变电站继电保护中用可编程控制器代替传统继电器的必要性，结合实际工程的低频减载和备用电源自动投入程序设计说明了编程方法，同时介绍了MerlinGerin公司的内置PLC式继电保护装置的结构特点。
【关键词】　可编程控制器　变电站　继电保护　程序

ApplicationofProgrammableControlleronSubstation
RelayProtectionandtheProgramDesign

0　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。

1　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

1.1　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)。
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2　线路保护PLC程序的低频减载部分

图3　马王堆变电站110kV侧接线结构

1.2　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(U_AB、U_BC、U_CA)、过电压元件(U_AB，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。

2　结束语
　　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。

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