姜维伊
国网江苏省电力工程咨询有限公司，江苏省南京市 210000
摘要：电流保护是电力系统35kV及以下农配网线路最典型的继电保护方式，随着电网的建设和农配网规模不断扩大，线路电流保护已成为电网可靠运行的重要保障。为寻找一种更优的电流保护方案，本文提出采用可编程控制器PLC来实现农配网线路三段电流保护和自动重合闸，包括对系统结构和功能的总体设计、对PLC及其扩展模块外围电路等硬件部分的设计、以梯形图程序编写为主的软件部分的设计；此外，系统还加入远程通信技术，实现了上位机对现场的组态监控。经仿真实验验证，该系统设计能很好地实现预期功能，满足农配网继电保护的基本要求，用于线路三段式电流保护可行性高。
关键词：PLC；农配网保护；重合闸；信号采集；远程监控
0 引言
电流保护是35kv及以下农配网电力线路最典型、最常用的一种继电保护方式。由于中低压农配网线路分布广，故障率高，有必要找到一种可靠性强、功能完善、性价比高的电流保护方案，保证系统可靠运行。
传统的线路三段式电流保护装置由电磁式继电器构成，存在可靠性差、接线复杂、装置体积大、使用寿命短等缺点；单片机保护编程调试比较复杂，不容易学习和掌握。
为弥补上述两种保护方式的缺陷，本文提出一种新的电网电流保护和重合闸实现方案——采用可编程控制器（PLC）设计线路三段式电流保护和自动重合闸系统。PLC保护系统结合了微机保护强大的控制功能和传统继电器保护简单易懂的特点，能较好地满足线路电流保护的控制要求。
1 总体设计方案
本文设计的PLC保护系统符合继电保护装置构成的普遍规律，即包含测量、逻辑和执行三部分，其结构框图如图1：
.png)
图1 系统结构设计图
该系统工作原理如下：电流互感器检测线路的交流电流信号，经变送器按线性关系转化为4~20mA直流标准信号，再输入A/D 转换模块变成可编程控制器的CPU能识别的数字量，其值与线路电流呈线性关系；PLC根据该数字量大小决定是否启动电流保护，若启动则还要根据线路实际工作状况判断是否执行重合闸；最后，将判断结果具体化为输出接口触点的状态，以此控制接触器进而控制断路器产生相应动作，同时在上位机生成对应显示和报警。
2 系统硬件设计
从信号变换过程出发，将硬件设计划分为电流采集、A/D转换、PLC、出口电路共四个分电路。
（1）电流采集电路：包括电流互感器和变送器。电流互感器将一次侧线路大电流减小为可用于测量和保护的小电流值并起到电气隔离作用；变送器将输入电流线性转化为直流4～20mA标准工业信号，传递给A/D模块；
（2）A/D转换电路：将变送器输出的连续变化的模拟量信号转换为数字量传送到PLC中，PLC配套的模拟量输入模块实质上就是集成的多路A/D转换器；
（3）PLC：PLC是以微处理器为核心的新型自动控制装置，是本文保护系统的核心，其内部有一系列可以编制程序的存储器；
（4）出口电路：由于PLC输出触点驱动能力较弱，无法直接驱动断路器跳、合闸线圈，故将接触器作为PLC出口电路，用于扩充触点容量。
3 系统软件设计
软件设计是系统实现功能的核心环节。该环节主要包括PLC梯形图程序设计和组态监控界面设计两部分，前者完成控制断路器跳、合闸工作，后者实现上位机远程显示和操作功能。
3.1 PLC梯形图程序设计
梯形图是目前应用最广的PLC语言，它由触点、线圈及盒指令组成，触点为输入条件，线圈是输出结果，与传统的继电器控制图比较相似，直观易懂，易被工作人员学习和掌握。
本文采用结构化程序设计，PLC程序包含五个子程序，分别完成初始化、模块检查、电流采样、跳闸、合闸的工作。
3.2 远程监控设计
针对电力系统自动化要求，用变电站及调度中心上位机的组态软件绘制人机监控界面，并通过远程通信实现电流保护系统的遥测、遥信、遥控和遥调。
4 仿真实验与结果分析
仿真实验采用不同阻值的线圈来模拟线路阻抗和负载，采用导线搭接电阻丝和地线的方式来模拟线路不同位置短路；电流互感器和变送器规格按照实验电流范围进行选取；PLC及其A/D 转换电路的选型分别为S7-200和EM235；用交流接触器模拟实际线路中的断路器；实验软件采用STEP 7-MicroWIN V4.0和组态王6.55。
实验过程如下：
（1）实验开始时，接触器主触点尚未闭合，上位机监控电流值为0.000A；
（2）按下远程手动合闸按钮，对应接触器瞬间吸合，监控电流为正
常运行电流值；按下手动跳闸按钮，接触器瞬间跳开且不自动重合，监控电流归零；
（3）正常运行情况下，在线路不同位置多次模拟瞬时性短路故障，接触器均可按整定计算得到的电流门限值和延时跳开，实验结果与理论分析完全相同；
（4）将远程重合闸闭锁开关打开后，按上述方式模拟故障，对应接触器跳开且不再重合；
（5）在模拟线路故障的同时远程手动合闸，接触器跳开且不再重合。
仿真实验表明：该电流保护及重合闸系统设计是切实可行的，具备可靠性高、成本低、使用方便等特点，有较大工程实用价值。
5 结语
本文提出了一种基于可编程控制器的农配网线路电流保护及自动重合闸系统设计方法，该系统不仅有较为完善的断路器控制功能，还实现了保护、控制、测量、数据通信一体化。采用PLC实现线路的继电保护和断路器的跳、合闸控制，并引入通信技术实现相关技术工作人员对系统的集中监测和远程操作，有助于构建自动化水平和可靠性较高的继电保护系统，实现系统信息化管理。因此，PLC控制的电流保护在农配网系统中的应用前景十分可观。
参考文献：
[1] Ersan Kabalci,Yasin Kabalci,Ibrahim Develi. Modelling and analysis of a power line communication system with QPSK modem for renewable smart grids[J]. International Journal of Electrical Power and Energy Systems,2011,34(1).
[2] 马鑫金,葛年明,龚秋英.组态王在PLC控制系统中的应用[J].三江高教,2013(3).
[3]陈文学. 交直流配电网故障对继电保护的影响及方案研究[D].山东理工大学,2017.
[4] Jan Dvo?ák,Ji?í Novák,Petr Kocourek. Energy efficient network protocol architecture for narrowband power line communication networks[J]. Computer Networks,2014,69.
[5]姜坤.浅谈35kV及以下配网供电系统的继电保护[J].机电信息,2019(35):65+67.