通过PLC实现电流保护一、研究背景、现状和意义随着工业技术的发展，用电量也逐步提升，但由于产品选型、安装接线、产品质量方面的原因，用电客户认识上的差异，还不能最大限度防止触电事故的发生，因此，为了避免不必要的事故的发生和尽量减少国民经济损失，采取一定的电网电流保护措施还是十分必要的。

（一）电流保护的概述输电线路发生短路时，电流突然增大，电压减低。

利用电流突然增大使保护动作而构成的保护，称为电流保护。

而当电流流过某一预定值时，反应于电流升高而动作的保护装置叫过电流保护。

过电流保护一般分为定时限与反时限过流保护，电流速断保护，中性点不接地系统的单相接地保护。

瞬时电流速断保护它是反映电流升高，不带时限动作的一种电流保护。

由于瞬时电流速断保护不能保护线路的全长，因此可增加一段带时限的电流速段保护。

如果瞬时电流速断保护拒保，由时限的电流速段保护动作切除故障。

定时限过电流保护是指保护装置的动作时间不随短路电流的大小而变化的保护。

由瞬时电流速断保护、时限的电流速段保护和定时限过电流保护都是反应电流增大而动作的保护，它们相互配合构成一整套保护，称做三段式电流保护。

三段的区别主要在于起动电流的选择原则不同。

其中速断和限时速断保护是按照躲开某一点的最大短路电流来整定的，而过电流保护是按照躲开最大负荷电流来整定的。

[1]电流保护的原理：三段式电流保护一般由瞬时电流速断保护、带时限电流速断保护和定时限过电流保护相互配合构成整套保护。

是利用不同过电流值下，设置不同的延时动作时间来规避工作尖峰电流和使发生短路故障时，只有事故点最近的断路器动作以减少断电的影响范围。

其中一、二段联合作为线路的主保护，三段作为本线路的近后备和相邻线路的远后备保护。

在有些情况下，可以只装两段甚至一段。

在三段式电流保护中，电流速断保护的选择性是靠动作电流来实现的；限时电流速断保护和过电流保护则是靠动作电流和动作时限来实现的。

它们在35kV及以下的单侧电源辐射形电网中具有明显的选择性，但在多电源网络或单电源环网中，则只有在某些特殊情况下才能满足选择性要求。

过电流保护因按最大负荷电流整定，灵敏性一般能满足要求，但在长距离重负荷线路上，由于负荷电流几乎与短路电流相当，则往往难以满足要求。

受系统运行方式影响大、灵敏性差是三段式电流保护的主要缺点。

[2]电流保护的配合：各级过电流保护装置中的时间继电器的延时时限是按阶梯原则整定的。

根据保护动作选择性要求，一般应该由距离故障点最近的保护装置动作使断路器跳闸，所以保护装置故障点的时间继电器的整定值应比上一级的保护装置的时间继电器的整定值小，同理就能推出上一级保护装置中的时间继电器的整定值又比更上一级的整定值小[3]。

（二）PLC作用而传统保护方式是用继电器，在传统的老设备控制系统中 ,要完成一项控制任务是由导线将电气元件连接起来 ,通过中间环节(继电器控制线路) 来实现的 ,这样的系统我们称之为“继电器控制系统”[4]。

随着电气设备日新月异的发展 ,尤其是电子计算机的迅速发展 ,工业生产自动化控制系统中所有设备发生了深刻的变化 ,PLC(可编程序控制器) 就是这种变革中的产物。

它是取代传统继电器控制系统的新型工业控制系统 ,并且有着不可比拟的优点。

（１）控制功能的实现：继电器控制系统通过许多继电器 ,采用硬接线的方式来完成控制功能[5]。

其接线多而复杂 ,体积大、功耗大 ,系统已经确定 ,不易改变或增加其功能。

另外 ,继电器触点数目有限 ,每支只有 4～8 对触点 ,因此灵活性和扩展性很差[6]。

而 PLC 控制系统采用存储器逻辑 ,通过编制的程序(软接线方式)来实现控制功能 ,只需改变存储在存储器中程序就能改变其控制逻辑。

其接线少、体积小 ,并且 PLC中每支软继电器的触点数目在理论上无限制 ,因此其灵活性和扩展性很好。

（2）工作方式：当电源接通时 ,继电器控制线路中各继电器都处于受约状态。

而 PLC 控制系统中 ,各继电器都处于周期性循环扫描接通之中 ,从宏观上看 ,每个继电器受制约接通的时间是短暂的。

（3）控制速度：继电器控制系统依靠触点的机械动作实现控制 ,工作频率低 ,触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。

另外 ,机械触点还会出现抖动的问题。

而 PLC控制系统由程序指令控制半导体电路来实现控制 ,速度极快 ,一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级。

并且 ,PLC 内部还有严格的同步 ,不会出现抖动问题。

[7]（4）限时控制：继电器控制系统利用时间继电器的滞后动作进行限时 ,定时精度不高 ,并且有定时时间易受环境温度和湿度变化的影响、高速定时困难等问题。

PLC控制系统使用半导体集成电路作定时器 ,时基脉冲由晶体振荡器产生 ,精度相当高 ,并且定时时间不受环境的影响。

用户可根据需要在程序中设定定时值 ,然后由软件和硬件计数器来控制定时时间。

（５）计数及其他特殊功能：PLC控制系统能实现计数及其他特殊功能 ,而继电器控制系统则不具备这些功能。

（６）可靠性和可维护性：继电器控制系统使用了大量的机械触点 ,连线多而复杂 ,触点开闭时受到电弧的损害 ,并有机械磨损 ,寿命短 ,可靠性和可维护性很差。

而 PLC控制系统采用微电子技术 ,大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成 ,体积小 ,寿命长 ,可靠性很高。

并且其内部具有自诊断功能 ,易于维护。

（７）设计和施工：使用继电器控制系统完成一项控制工程 ,其设计、施工和调试必须依次进行 ,周期长 ,且修改困难。

而用 PLC控制系统完成一项控制工程 ,在系统设计完成以后 ,现场施工和控制逻辑的设计(包括梯形图设计) 可以同时进行 ,周期短 ,且调试、修改都很方便[8]目前, 在高压电网中, 传统的电网继电保护将逐渐被微机保护所代替。

但对35kV 及以下的电网, 由于其保护设置比较简单因而也可以不采用微机保护。

本文用在控制系统中使用得越来越广泛的可编程控制器 (PLC) 实现电网的电流保护。

它具有简单经济使用寿命长, 易于整定灵敏度高等优点, 可以满足电网电流保护的基本要求。

电力网中用继电器实现的传统的电流保护, 经过长期运行, 证明无疑是成功的。

但它们存在着继电器数量多, 接线复杂, 保护盘体积大, 继电器易磨损, 怕振动等缺点。

同样, 晶体管继电保护装置也存在着焊点多, 插件多, 抗干扰能力差, 出口电路可控硅元件质量不能保证等缺点。

当前可编程控制器( PLC) 在工业控制中得到广泛应用。

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统, 专为在工业环境下而设计的。

它具有可靠性高, 抗干扰能力强, 功能完善, 编程简单, 使用方便, 体积小, 易于扩充等优点。

因此, 我们用 PLC 代替了传统的继电器实现的电网电流保护。

[9]二、设计方案（一）控制方案的设计１．开关量方式实现方案要用 PLC 实现电网的电流保护，须把电网的电流信号用 PLC 输入节点状态来表征[10]。

如何把表征电网电流大小的信号与 PLC 相连成为解决问题的关键所在。

图3 (a) 为 PLC 开关量输入方式接口电路，当开关 K 闭合时，CPU 读取的结果为“1”，反之为“0 ”。

图(b)可以看作是图3 (a)的等效电路，在图 3（b）中输入端可以为逻辑电平信号，当有电平信号输入时，CPU 读取的数据为“1”，反之为“0”，这样就实现了开关量到电平量的转换，即只要能把电网的电流信号转换为电平信号便可用PLC 实现电网的过流保护。

（a）接口电路（b）等效电路图3 开关量、电平量转换电路连续变化的电流信号通过整流、转换为连续变化的电压信号，再通过电压比较器把连续变化的电压信号转化为逻辑电平信号，如图4 所示。

在该电路中，R1为过流对应的基准电压值，电网电流小于过流的整定值时，Vi1 ＜Vr1 时比较器输出为“0”之当电网电流大于过流的整定值时比较器输出为“1”，同理Vr2 为加在第二路电压比较器上的表征限时速断对应的基准电压值，Vr3为加在第三路电压比较器上的表征速断对应的基准电压值。

那么PLC的输入X00 、X01 、X02 三个节点状态表征电网电流的分段大小。

图4 开关式继电保护硬件原理图２．模拟式系统实现方案由于小型PLC的I/ O接口只能接收的是开关量。

要用 PLC 控制系统实现过流保护也能像微机保护一样，需要像前述电路,先把描述电网的电流信号经过整流转化为与电流成线性关系的电压信号。

再把该电压信号接到ADC 电路，经过A/ D 转换为数字量，并与PLC 相连，如图5 所示。

通过软件处理将输入节点的位信号组合得到一个数字量。

经 PLC的数据处理后送往 PLC 所指定的HR0 - HRn 单元中，再把这些数字量转化为BCD 码与基准电压的数字量单元CH15 、CH16 、CH17 进行比较这三个数据存储单元分别存放着速断、限时速断、过流的整定值所对应的数字量BCD 码，便可得到当前线路状态。

不同的状态按照三段保护的原理分别驱动不同的输出，当输入量大于CH15 值时，输出跳闸信号到断路器的跳闸装置，并指示，当输入量大于CHl6 而小于CHl5 时，启动延时，延时到输出跳闸信号并显示，当输入量大于 CHl17 小于 CH16 时，启动过流延时，当延时到输出跳闸命令并显示。

图6 模拟量与PLC连接原理图由于PLC 输出节点驱动能力有限，于阻性负载为2A，不可能直接驱动跳闸线圈，故用 PLC 输出的BF大,因而可靠性很高。

节点控制接触器线圈，并通过接触器的主触头控制跳闸线圈。

其模拟式软件流程图如图7所示图7 模拟式软件流程（二）系统设计方案系统设计方案如图7所示。

硬件系统中前向通道的信号由电流互感器、电压互感器而来。

交流采样，信号变换回路是把由系统而来的100V、5A交流信号进一步变换至15V，2A左右。

滤波器采用典型的0型滤波。

在比较回路中输入整定值，与系统而来的电压值进行比较。

比较回路是具有典型继电器特性的比较器构成，并且可使系统返回系数、灵敏系数均可调。

采用的元件是集成运放比较器。

为了使PLC能可靠正确地识别比较器后的阶跃信号，还必须通过一接口电路来实现。

这就是采用PLC时前向通道的特点。

而完成整个保护功能的任务则由PLC来完成。

况且PLC采用继电器输出时其较大容量的节点可直接应用于跳闸回路等。

在此系统中，再设计一些由单片机构成的微机测量、输出环节,并且使PLC 与单片机建立起通讯,则可以实现整套保护测量的任务。

[11]图8系统整体设计图同时，在跳闸信号输出部分由于继电器输出模块的触点工作电压范围宽，导通压降小，与晶体管型和双向可控硅型模块相比，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢。

系统输出量变化不是很频繁时，一般选用继电器型输出模块。

PLC输出模块内的小型继电器的触点很小，断弧能力很差，不能直接用于发电站的DC220v电路中，必须用PLC驱动外部继电器，用外部继电器的触点驱动DC220v的负载。