基于PLC的小型水电站35KV线路保护的设计

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摘要： 文章主要介绍了用PLC实现小型水电站继电保护的构成与原理，并通过一个实例介绍了它在35KV线路保护中的应用。

Abstract： This paper mainly introduces the structure and principle of relay protection for small hydropower station which is realized by PLC， and its application in 35KV line protection is introduced through an example.

关键词： PLC；小型水电站；保护

Key words： PLC；small hydropower station；protect

中图分类号：TV742 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）14-0064-02

0 引言

继电器系统由硬连线逻辑构成，接线复杂，体积大，可靠性低，工作寿命短，查找故障困难。对于生产工艺的变化的适应性差，不便实现集中控制；而可编程控制器是近几十年来发展起来的一种新型工业控制器，由于它编程灵活、功能齐全、应用广泛，比继电器系统控制简单、使用方便、抗干扰能力强、性价比高、工作寿命高，而其本身具有体积小、重量轻、耗电省等特点；PLC的安装和现场接线简单，可以应用其内部的软继电器实现软接线逻辑，方便集中控制。除此之外，PLC还具有自诊断、故障报警、故障报警种类显示及网络通讯功能，便于操作和维护。而微机保护虽然具有维护调试方便、可靠性高、易于实现网络化等优点，但对运行维护人员技术要求高、价格贵。因此，对于小型水电站采用PLC实现其保护具有很现实的意义。小型水电站出线电压等级一般为35KV，过去采用的保护一般是常规继电保护，目前也有采用微机保护的，但由于PLC在控制方面上的独特优势，我们可以用PLC来实现线路的继电保护，下面以某小型水电站单侧电源的35KV线路三段式电流保护为例，阐述如何用PLC实现其继电保护。

1 控制要求

某单侧电源的35KV线路的三段式电流保护，其整定值如下：①Ⅰ段采用电流速断，电流二次整定值为30A；②Ⅱ段采用限时电流速断，电流二次整定值为12A，时间整定值为0.5S；③Ⅲ段采用过流保护，电流二次整定值为6A，Ⅲ段时间整定值为1S。

2 硬件组成与实现原理

由PLC实现的三段式电流保护由电流变送器、模数转换模块、PLC等主要部件构成。电流互感器二次侧与电流变送器相连，电流变送器输出端通过双绞屏蔽电缆与A/D转换器连接，电缆应远离电源线或其他可能产生电气干扰的电线，如果存在过多的电气干扰，需将电缆屏蔽层与A/D转换器FG端连接，并连接到A/D转换器的接地端。A/D转换器通过扩展电缆与PLC相连。

2.1 电流变送器 电流变送器将电流互感器获得的电流信号隔离转变成能够直接被A/D转换器直接采集和接受的标准工业电流信号，本例采用北京世特美测控技术有限公司TA2A_C420V_系列交流电流变送器，此型号交流电流变送器可以将交流电流信号隔离转变成能够直接被 PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受的标准工业电流信号的装置，能为过程控制中需要进行电量测控的场合提供传统的解决方案，在工业控制领域具有稳定可靠的优势。本案例采用TA2A50C420V2交流电流变送器，其原边电流AC50A、输出4-20mA、A2型壳、DC12V辅助电源，线性度为0.1%，精度为0.5%，响应时间为300mS。

2.2 A/D模块 A/D模块能够将输入的模拟量转换成数字量，本例中由于保护需要检测三相电流，故采用具有4通道的FX2N-4AD模拟输入模块，该模块为12位A/D转换模块。转换速度快，一般15ms，高速时6ms。

FX2N-4AD的接线中，模拟输入信号采用双绞屏蔽电缆与FX2N-4AD连接，电缆应远离电源线或其它可能产生电气干扰的导线。如果输入有电压波动，或在外部接线中有电气干扰，可以接一个0.1μF～0.47μF（25V）的电容。本例是电流输入，应将端子V+和I+连接。

2.3 PLC PLC基本单元与A/D模块之间的数据通讯是由专用指令来执行的，如FX2N-4AD就是通过FROM/TO指令来完成的。根据输入与输出点的要求，并根据以后发展的需要，本例选用FX2N-32MR可编程控制器。

2.4 出口继电器 由于PLC出口继电器接点容量只有2A，不能直接接通断路器跳闸回路。本例采用DZ637小型大容量继电器，该继电器采用多断口串联分断技术、触点内部桥接技术等多项适合小型继电器实现触点大容量的关键技术，继电器线圈电压等级有DC12V、24V、48V、110V、220V，这里选用24V。其触点容量为2QH串联使用时可接通、断开DC220V感性τ=40ms 600W；触点实际最大断弧能力在1200W以上，完全可承担断路器辅助触点的跳闸后备触点的重担，替换市场常见的小型中间继电器，成为真正称职的保护出口、遥控继电器。

2.5 PLC的I/O分配 在PLC的输入端只需要接控制开关ASW33L40一个，其①②端子接X0，③④端子接X1，断路器的辅助接点DL接X3。I/O分配如下：手动合闸（S1）接X0，手动跳闸（S2）接X1，QF的辅助触点（S3）接X3；合闸用出口继电器（1DZ-637）接Y1，跳闸用出口继电器（2DZ-637）接Y2，Ⅰ段信号（EL1）接Y3，Ⅱ段信号（EL2）接Y4，Ⅲ段信号（EL3）接Y5，合闸位置信号（ELH）接Y6，跳闸位置（ELT）接Y7。

3 程序设计

基于plc的小型水电站35kv线路保护的程序由FX2N-4AD的判别等基本程序、保护程序、信号程序等组成，程序略。

4 电流整定值（整定数字量）的确定

整定电流与数字量之间的比例关系可以根据电流变送器以及A/D转换器的特性确定。由于接入A/D转换器的是电流，根据FX2N-4AD模拟量输入模块的电流输入特性，输入4mA时对应的数字量为0，输入20mA时，数字量为1000。同时本例中电流变送器采用的是输入50A输出4-20mA的，电流值X与数字量D之间的关系为D=20X。因此本例Ⅰ段电流速断电流二次整定值为30A，则Ⅰ段电流整定值（整定数字量）为K600；Ⅱ段限时电流速断的电流二次整定值为12A，则Ⅱ段电流整定值（整定数字量）为K240，时间0.5S，由PLC的软时间继电器T0整定为K5；Ⅲ段过流保护电流二次整定值为6A，则Ⅲ段电流整定值（整定数字量）为K120，时间整定值为1S，由PLC的软时间继电器T1整定为K10。

5 结束语

该装置已在实验室实验成功，符合小型水电站继电保护的选择性、快速性、灵敏性、可靠性的要求，用于小型水电站的发电机、变压器、35KV及以下线路等电气设备的保护是完全可行的。如果被监测量是电压的话，只要通过电压互感器获取电压，经过电压变送器将电压转换成标准信号加给A/D转换器即可实现。综合利用监测电流和电压，通过PLC内部程序，实现保护的功能。因此，基于PLC的继电保护在中小型电站均具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]谢云敏.水轮发电机组辅助设备及自动化运行与维修.中国水利水电出版社，2004.

[2]北京世特美测控技术有限公司TA2A_C420V_系列交流电流变送器说明书.

[3]张爱民等.软PLC的设计思想在继电保护装置中的应用.高压电器，2007（06）.

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基金项目：湖南省水利厅水利科技项目，项目编号：湘财农指[2009]203号。

作者简介：吴明亮（1964-），男，湖南望城人，副教授，湖南水利水电职业技术学院，主要研究方向为微机保护、PLC应用技术等。