基于PLC自动重合闸设计Word格式.docx

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传统的自动重合闸装置由各种继电器及控制开关构成,由于连接导线繁多,继电器的寿命有限,容易发生装置的误动和拒动,影响电力系统的可靠性;

其定时单元由机电式或晶体管式时间继电器构成,误差大且调整不方便,影响上下级保护装置动作时限的配合；

装置的功能单一,不利于实现电力系统自动化,且体积大,有色金属消耗多,噪音大。

当前最广泛应用于发电厂的集散型控制系统DCS经历了30多年的发展，技术日益成熟，取得了丰富的经验。

然而目前DCS的发展开始减缓和停滞。

如何使DCS仍然可以大跨步地继续向前发展，其中一个关键问题就在于通用化的硬件平台，PLC的融入。

随着微电子及控制技术的发展，PLC系统和DCS系统在不断吸收彼此的特点，逐步地走向同化,集散控制系统DCS经过了初创期、成熟期和扩展期之后,又出现了新一代控制系统现场总线控制系统FCS，它是第五代过程控制系统，是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，它保留了DCS的特点，或者说FCS吸收了DCS多年开发研究以及现场实践的经验，当然也包括教训，而且跨出了革命性的一步。

随着现场总线技术的完善和热工自动化技术的发展，数字化、智能化控制仪表的进一步开发和应用，FCS必将在火电厂得到广泛应用，使电厂的自动化水平提高到一个新的水平。

所以今后的发展趋势大体上是分散型控制系统DCS将逐渐更新换代为全数字现场总线控制系统FCS。

由于PLC的本质是用内部已定义的各种辅助继电器代替机械触点继电器，这些内部继电器的节点变位时间可理想化地认为等于零，只需考虑它的0-1状态而无需考虑传统继电器所固有的返回系数，所以用PLC来进行开关量控制是非常合适的。

在电力系统自动化的控制中，经常要用到闭环控制方式来实现温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量控制。

初期的PLC在闭环控制方面并不擅长，而当前新型的PLC也兼有闭环控制功能，并且已十分成熟。

各PLC生产厂家推出的中、小型PLC模块均提供了PID指令，可以实现PID控制，这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户使用时序只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一个模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。

直接应用PID指令来实现基于PLC的PID控制，是一种易于实现且经济实用的方法。

水泵、油泵电动机以发电厂机组调速器油泵为例,其启动方式有种自动启动、机旁屏手动启动和在现地控制箱手动启动。

自动运行的情况下，每台调速器油泵根据累计运行时间的长短,在开机过程中由现地PLC控制单元的顺控模块选择运行时间累计短的为主用泵、运行时间累计长的为备用泵。

自动启动条件为调速器压油罐压力下降到时启动主用泵，如果压油罐压力继续下降到整定值时，备用泵跟着启动，向压油罐打油。

在机旁屏手动启动调速器油泵，只需将欲启动油泵的控制开关打至"

ON"

位即可。

而在现地控制箱上的手动启动只需首先将机旁屏上的控制方式选择开关打至"

调速器手动"

位后，在现地控制箱上操作欲启动油泵的启动和停止按钮,就能启动调速器油泵,主用泵的选择主用泵可以由PLC按各自的运行小时来自动选择主用泵或手动设定，在机组现地控制单元的触摸屏上可以完成主用泵的选择方式的设定；

当PLC重新启动后，将会默认主用泵。

PLC将2台油泵的启动优先权输出到优先权选择继电器。

PLC程序输出油泵的启动命令后与优先权继电器配合来选择启动相应的油泵

断路器控制,在传统的发电厂和变电所中，高压断路器控制及信号电路均采用电磁型继电器为主要元件。

为实现各种逻辑电路，采用了大量的电磁元件。

众多电磁元件的机械触点降低了可靠性，同时接线复杂、检修困难，并占用较大空间。

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内部大量的软继电器可以替代众多的实物元件，可在实现原有控制电路功能的途径上有更好的选择。

PLC本身的可靠性很高,用来控制断路器也具有高可靠性。

为保证变电所设备的安全运行及方便运行人员监视，高压断路器控制电路通常需满足以下要求：

可进行正常的手动分、合闸操作；

操作正常分、合闸完毕，给出相应指示信号；

不能正常操作时应给出相应指示信号；

正常分、合闸完毕应自动切断分、合闸回路；

事故时可自动分闸，并给出事故的音响和闪光信号；

具备必要的闭锁措施,防止断路器“跳跃”。

高压断路器采用了PLC控制后，简化了二次接线，因为PLC的输入、输出的接线很有规律，输入、输出均各有公共端,所有元件的另一端接入相应的输入端或输出端，接线不易出错。

原有繁琐的二次接线及逻辑电路现被PLC的内部元件取代，无需再配备专门的闪光电源，原有硬件参数的调整（如动作时间等）也改由程序参数设定，只要编制符合要求的控制程序，通过简单的接线即可达到要求。

对于断路器的操动机构而言，其辅助开关数目也可简化。

同时由于修改程序方便，只需选择合适型号的PLC，修改控制程序，便能实现变电所中多台断路器的控制及信号显示功能。

维护和检修工作量也相应减少。

自动切换系统自动重合闸，备用电源自动投入。

为了加强供电可靠性，备用电源自动投入装置，早期应用的电磁型备用电源自投装置是由若干继电器根据不同的运行方式构成相应的备自投回路，其缺点是改变运行方式困难，逻辑回路设计复杂，继电器易损，可靠性低，运行维护极为不便，由PLC构成的备用电源投入装置可根据变电站的运行方式，通过编程完成各种复杂的逻辑和功能，适应各种运行方式，满足电网一次接线要求。

PLC采集一次设备的正常运行状态信号，作为备自投的启动条件和闭锁条件，通过编程来实现不同的功能，以适应不同的运行方式。

与继电器组成的备用电源自动投入装置相比，该方案具有可靠性高、接线简单、控制灵活、调试方便和投资小等优点。

由于PLC具有数据处理和逻辑判断的功能，使PLC型备自投装置不仅能完成备自投装置规定的操作，而且能在操作时考虑系统运行情况以及系统的其他操作要求，装置可通过显示窗口显示主要设备的运行情况。

另外，对装置的调试维护也很方便，通过离线仿真可以测试软件，不影响设备的安全运行，而且可以通过改变程序来适应不同的运行方式。

装置本身具有很强的抗干扰能力，使其可靠性高于电磁型装置。

同时PLC的通信功能为实现电力系统综合自动化创造了条件，实践证明PLC在备用电源自动投入中的控制是一种经济、可靠、实用的方法运行，采用PLC实现备自投功能使供电可靠性有了大幅度地提高，其运行效果有了明显改善。

（三）课题发展趋势

PLC是一种专为工业生产自动化控制设计的，一般而言，无须任何保护措施就可以直接在工业环境中使用。

然而，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行。

要提高PLC控制系统可靠性，一方面生产厂家要提高PLC的抗干扰能力；

另一方面，要在设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合，减少及消除干扰对PLC的影响

加强网络化、数字化,当前最广泛应用于发电厂的集散型控制系统DCS经历了30多年的发展，技术日益成熟，取得了丰富的经验。

随着微电子及控制技术的发展，PLC系统和DCS系统在不断吸收彼此的特点，逐步地走向同化

在新时代，PLC会有更大的更大的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，通过完美的人机界面、完备的通信设备、成熟的现场总线通信能力会更好地适应各种工业控制场合的需求，PLC作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在我国发电厂的电气自动化建设中发挥越来越大的作用。

二、PLC控制系统及自动重合闸装置

（一）可编程控制器PLC介绍

用内部已定义的各种辅助继电器代替机械触点继电器，通过软件编程方式用内部逻辑关系代替实际的硬件连接导线，这些内部继电器的节点变位时间可理想化地认为等于零，因此只需考虑它的0-1状态而无需考虑传统继电器所固有的返回系数。

基于这一特点，将PLC引入继电保护装置中,一方面可以大大改善装置的动作准确性和可靠性；

另一方面，又可兼容传统的继电保护设计思想和技术方法,尤其是对于自动重合闸这样的逻辑关系较复杂的控制功能，应用PLC软件编程能很快设计出最简明的符合规程的方案，并能与馈电线路的其他保护控制方案在同一程序中进行设计、相互配合。

PLC的微电脑属性使得各保护装置之间、装置与主控机之间能够按计算机通讯方式进行数据传递，配以主机监控平台从而构成整个变电站自动化系统。

1、PLC控制系统特点:

PLC是一种性能较好的控制器，在恶劣的工作环境下能可靠地工作，其平均故障时间间隔（MTBF）在5-10000h以上。

用PLC实现自动重合闸，可用其内部已定义的各种辅助继电器代替传统的机械触点继电器,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,从根本上简化动作的物理链条。

从继电过流保护动作启动开始,仅经过PLC的逻辑处理后就可直接发出重合闸动作信号,动作过程无触点参与。

PLC控制方式既克服了使用传统继电器所带来的种种弊端,又兼容传统继电器的设计思想和技术方案。

而且PLC构成的自动重合闸装置调试简单,组态灵活,可靠性高,具有扩展性，且具有连线简单,工作可靠,便于调试、调整和维护,可实现远程通讯PLC是一种性能较好的控制器，在恶劣的工作环境下能可靠地工作，其平均故障时间间隔（MTBF）在5-10000h以上。

而且PLC构成的自动重合闸装置调试简单,组态灵活,可靠性高,具有扩展性，且具有连线简单,工作可靠,便于调试、调整和维护,可实现远程通讯。

（二）自动重合闸装置

1、自动重合闸装置（ZCH）又称自动重合器，是用于配电网自动化的一种智能化开关设备，它能够检测到故障电流、在给定时间内断开故障电流并能进行给定次数重合的一种“自具”能力的控制开关。

所谓“自具”是只重合闸装置本身具有故障电流检测和操作顺序控制与执行的能力，无需附加继电保护装置和另外的操作电源，也不需要和外界通信。

当线路发生短路故障时，它按顺序及时间间隔进行开断及重合的操作。

当遇到永久性的故障，在完成预定复位才能解除闭锁。

若重合失败，则闭锁在分闸状态，把事故区段隔开；

当故障接触后，需要手动复位才能解除闭锁。

如果是瞬时性故障，则在循环分、合闸的操作中，无论哪次重合成功，则终止后续的分、合闸，并经过一定延时后恢复初始的整定状态，为下次故障的来临做好准备。

重合闸装置课按预先整定的动作顺序进行多次分、合闸的循环操作。

自动重合闸作用:

在电力系统中采用了自动重合闸装置，即是当断路器由继电保护动作或其它非人工操作而跳闸后，能够自动控制断路器重新合上的一种装置。

大大提高供电的可靠性，减少线路停电的次数。

在高压输电线路上采用重合闸，可以提高电力系统并列运行的稳定性。

在架空线路上采用重合闸，可以暂缓架设双回线路，以节约投资。

对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，也能起纠正的作用。

但是，当重合于永久性故障上时，它也将带来一些不利的影响，如:

（1）使电力系统又一次受到故障的冲击。

（2）由于断路器在很短的时间内，连续切断两次短路电流，而使其工作条件变得更加恶劣。

2、重合闸装置的分类按照不同的的分类标准，重合闸装置有如下一些分类：

（1）按相分类——单相和三相。

两者动作原理类似，使用时根据配电网结构不同而进行选择，对于三相中性点不接地系统，一般不宜采用单相重合闸装置，否则造成非三相运行；

单相重合器主要用于中性点直接接地系统，允许电气设备作为单相运行。

（2）按结构分类——整体式和分布式。

所谓整体式是指重合闸装置中得断路器本体与其控制部分是密不可分的。

整体式重合闸装置采用高压（10KV）操动机头，可用于户外10KV电杆上，无需另外的操作电源，直接由所控制的10KV线路供给；

但因为采用高压合闸线圈，对绝缘水平要求高，有时会因绝缘水平难以保证导致线圈发热，匝间绝缘损坏，造成重合闸装置爆炸的事故。

所谓分布式是指重合闸装置采用积木式结构，例如本体、操动机构、控制电路是分开的3个部分。

分布式重合闸装置采用低电压（220V）操动机构，这样避免了高压电源进行调试的复杂性和危险性，安装、检修都较为方便。

（3）按灭弧介质分——油、真空、SF6。

①油重合闸装置出现的最早，运行历史最长，一般采用液压控制。

油重合闸装置有两个固有缺点：

因油属非自恢复绝缘介质，故其维修较频繁，至少3年需要换油、检修一次；

有火灾危险。

现在来看其技术相对落后，国内已基本淘汰。

②真空灭弧室于20世纪60年代用于重合闸装置设计。

真空灭弧室的有点是开断寿命长，无需检修，无火灾危险。

到了90年代后期，随着真空泡制造技术的飞速发展，真空重合闸装置已逐步成为国内外重合闸装置市场上的主流产品。

③SF6重合闸装置将干燥的SF6充入密闭的开关本体中，作为开关设备的绝缘和灭弧介质。

SF6气体具有极好的绝缘和灭弧性能，但其分解物具有一定的毒性，其本身也是温室效应的主要因素之一，如果泄漏将会对人和环境造成一定的损害，因此做好开关箱体的密封和SF6气体的回收、处理工作。

（4）按控制方式分类——液压控制、电子控制.液压控制有单液压系统和双液压系统两种。

液压控制的主要有点是简单、可靠、经济、耐用，不受电磁的干扰，这些优点对于农村电网和距离配电站较远的设备很有用。

液压控制的缺点，是保护特性无法做到足够稳定、精确和快速，选择范围窄，受温度影响较大，特性调整不方便等。

3、电子控制有分立电路和集成电路两种。

分立式电子电路与集成式电路相比，其优点是价格便宜，元件耐用，维修简单；

其缺点是体积大，功能少，插件多，选择范围窄，调整不便，可靠性差。

以集成电路为基础的微机控制于20世纪80年代应用于重合闸装置，其典型产品为英国的ESR型和PMR型重合器。

重合闸装置控制所用微机为单片机，其主要优点是体积小，功能强，重合器的分闸电流、分闸次数、操作顺序、分闸时延、合闸间隔、复位时间等特性的整定，都可以简单地在控制箱上通过控制面板整定，使用极为方便，这对改善保护配合，提高供电可靠性，提高运行自动化程度意义很大。

（1）按重合闸的控制器安装方式分类

①室外就地安装：

安装在断路器下面的水泥杠上。

②集控态势安装：

室内集中控制，安装在集控台内。

③集控屏式安装：

安装在集控屏内。

④10KV配电线路：

安装在电杆上，并配有装用电源给重合闸装置供交流220V电源。

（三）设计方案的论证

1、电力系统中，自动重合闸具有以下经济效果：

（1）大大提高供电可靠性，减小线路停电的次数，特别是对单侧电源的单回路尤为显著；

①在高压输电线路上采用重合闸，还可以提高电力系统并列运行的稳定性，从而提高传送容量。

②对于短路器本身由于机构不良或继电保护误动作引起的跳闸，也能起纠正的作用。

基于以上几条及输电线路本身的特点，提出以下两种自动重合闸装置设计方案。

方案一基于单片机的自动重合闸设计；

单片机是一种可编程的集成芯片，换句话来说，PLC就是由单片机加上外围电路做成的，单片机开发式底层开发，比较麻烦，程序编写用汇编或者c语言比如延时用单片机做程序，要从晶振来计算，厂家都提供一个编程软件，可以用梯形图编程，延时只需在时间继电器里送一个数字而已，单片机可以构成各种各样的应用系统，不同厂家的PLC有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性，通用性，可靠性，单片机开发成本低，一个单片机十几块到几十块，上百不等，但开发起来，麻烦，PLC开发周期短，见效快，可靠性高。

方案二基于PLC的自动重合闸设计。

由于PLC抗干扰能力强，可靠性高，程序简单易学，安装简单，维修方便，体积小，重量轻，具有丰富的I/O接口模块，扩展能力强。

配套齐全，功能完善，适用性强，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能，特别是在高压输电线跨越林区及一些环境复杂的地区时PLC的干扰能力强，可靠性高的特点能满足设计运行年限内中合闸装置的使用寿命，次数，不拒动，不误动。

随着PLC的技术日益成熟，其性价比已经非常高。

综合考虑以上因素，本设计方案选择方案二

2、总体设计:

（1）系统框架设计:

该设计将通常所谓“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（主变差动保护、母线保护、电容器保护、线路保护、电动机保护等）由不同保护功能的继电器组组合使装置分成若干个标准型号，其中所有的单一保护元件均遵循正逻辑法，,则在PLC中定义为动作节点。

如图2-1所示。

当电力系统发生任何故障时，故障信息引起功能继电器组动作于PLC并同时传回主控机，主控机经分析后发送信息给PLC。

PLC采集继电器组和主控机的信息来控制故障的系统。

（2）下面是本系统中各部分组成。

①电力系统:

由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。

它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。

为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、经济、优质的电能。

②AD转换：

AD转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号

以下为常用的几种类型的基本原理及特点：

积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。

积分型

图2-1系统框架设计示意图

积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。

其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。

初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。

逐次比较型

逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。

其电路规模属于中等。

其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<

12位）时价格便宜，但高精度（>

12位）时价格很高。

并行比较型/串并行比较型

并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash（快速）型。

由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。

串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为（半快速）型。

还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级型AD，而从转换时序角度又可称为流水线型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。

这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。

Σ-Δ调制型

Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。

原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。

电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。

主要用于音频和测量。

电容阵列逐次比较型

电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。

一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。

如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。

最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。

压频变换型

压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的。

其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。

从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。

其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换

AD转换器的主要技术指标

分辩率指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与n/2的比值。

分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。

转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。

积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。

采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。

为了保证转换的正确完成，采样速率必须小于或等于转换速率。

因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。

常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次。

量化误差由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大