基于PLC实现的低压三进线 三母联备自投系统

王亮宽

（杭州德力西集团自动化公司，杭州 310023）

1 引言

为保证供电的可靠性，特别是大型医院，电力系统经常采用2个或2个以上的电源进行供电，并且相互之间采取适当的备用方式。当工作电源失去电压时，备用电源由自动装置立即投入，从而保证供电的连续性，这种自动装置称为备用电源自动投入装置，简称备自投。

110kV及以下等级的变电站一般都采用了备用电源自动投入装置。传统的备用电源自动投入装置采用各种继电器、接触器、开关及触点，根据不同的运行方式构成相应的备自投回路，其特点是价格便宜但设备体积大，开关动作慢，功能较少，接线复杂，触点易损坏，改接麻烦，灵活性较差。近几年普遍采用的是微机型备用电源自动投入装置，其特点是有完善的故障逻辑判别和可靠的故障响应，维护方便，但一般采用预制的摸式，只能用于典型的进线自投或分段自投。随着现代电力工业的发展和电网的建设改造，电力系统的规模越来越大，结构越来越复杂，性能要求越来越高，备用电源自动投入装置的逻辑关系也越变复杂。传统的备用电源自动投入装置和微机型备自投装置（即预制的摸式）已很难满足现场千变万化的要求。可编程控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。该装置采用可编程控制的存储器存储用户指令，用软件编程实现确定的逻辑、顺序、定时、记数、运算和一些特定的功能，通过数字或模拟量的输入/输出来控制各种类型的生产过程。相比继电器控制，具有通用性强，灵活性好，接线简单，功能强，易扩展，可靠性高，抗干扰能力强，定时准确，定时范围宽等优点，从而逐步取代了传统的继电器控制。由PLC构成的备用电源投入装置相对灵活、多变，可根据电力系统的运行方式，通过编程完成各种复杂的逻辑和功能，最大限度的满足不同的现场要求。

2 备用电源自动投入装置的基本原则[1]

（1）当工作母线上的电压低于设定的无压定值，且持续时间大于时间定值时，备自投装置方可启动。备自投的时间定值应与相关的保护及重合闸的时间定值相配合。

（2）备用电源的电压工作于正常范围，备用设备处于正常的准备状态时，备自投装置方可动作，否则应予以闭锁。

（3）必须在断开工作电源的断路器之后，备自投装置方可动作。工作电源消失后，不管其进线断路器是否已被断开，备自投装置在启动延时到达以后总是先跳该断路器，确认该断路器在跳位后，方能合备用电源的断路器。

（4）人工切除工作电源时，备自投装置不应动作。

（5）避免备用电源合于永久性故障状态。

（6）备自投装置只允许动作一次。以往传统的备用电源自动投入装置通过装置内部电容器的充放电过程来保证只动作一次。

3 备自投装置设计

3.1 电力系统主接线及运行要求

图1为南阳第一人民医院0.4kV系统主接线，其中Ⅱ段母线为重要负荷。

图1 南阳第一人民医院0.4kV系统主接线图

系统运行要求：①1#、2#、3#进线正常工作运行时，三条进线各带一段负载；②若1#进线停电，2#、3#进线正常运行，则3#进线通过QF6带Ⅰ段负载；③若3#进线停电，1#、2#进线正常运行，则1#进线通过QF6带Ⅲ段负载；④若2#进线停电，1#、 3#进线正常运行，则1#进线通过QF4带Ⅱ段负载；⑤若1#、2#进线停电，3#进线正常运行，则3#进线通过QF5带Ⅱ段负载；⑥若2#、3#进线停电，1#进线正常运行，则1#进线通过QF4带Ⅱ段负载；⑦以上几种情况下备自投动作后，若进线恢复送电，则断开母联开关，恢复到正常运行状态。

3.2 备自投动作情况分析及逻辑框图

系统正常运行时，三条进线各带一段负载。根据运行要求，对每条进线电源失电后的备自投情况做出分析：

（1）若1#进线停电，2#、3#进线正常运行时合3#母联；当1#进线恢复时，分3#母联，合1#进线，恢复到正常运行状态。

动作过程为：当检测到1#进线失压，备自投保护启动跳1#进线，确认跳开后，合3#母联。后当检测到1#进线电压正常时，跳3#母联，确认跳开后合1#进线。

备自投充电条件：备自投允许、3#母联在分位、1#进线在合位、Ⅰ段母线有压、3#进线有压，条件具备后，经20s备自投充电完成。

备自投动作条件：备自投充电完成、1#进线失电（TVj1、TVm1均无压）。

自复充电条件：3#母联在合位、1#进线在分位、Ⅰ段母线有压、3#进线有压，1#进线有压，条件具备后，经设定时间后自复充电完成。

自复动作条件：自复充电完成。

逻辑框图见图2。

（2）3#进线停电，1#进线正常运行时合3#母联；当3#进线恢复时，分3#母联，合3#进线，恢复到正常运行状态。

动作过程为：当检测到3#进线失压，备自投保护启动跳3#进线，确认跳开后，合3#母联。后当检测到3#进线电压正常时，跳3#母联，确认跳开后合3#进线。

图2 1#进线失电情况下备自投及自复逻辑框图

备自投充电条件：备自投允许、3#母联在分位、3#进线在合位、Ⅲ段母线有压、1#进线有压，条件具备后，经20s备自投充电完成。

备自投动作条件：备自投充电完成、3#进线失电（TVj3、TVm3均无压）。

自复充电条件：3#母联在合位、3#进线在分位、Ⅲ段母线有压、1#进线有压，3#进线有压，条件具备后，经设定时间后自复充电完成。

自复动作条件：自复充电完成。

逻辑框图见图3。

图3 3#进线失电情况下备自投及自复逻辑框图

（3）若2#进线停电，1#进线正常运行合1DP10；若1#进线停电，3#进线正常运行，则合4DP4；当2#进线恢复时，则分开备自投动作时所合的开关，合2#进线，恢复到正常运行状态。

动作过程为：①当检测到2#进线失压，1#进线运行正常时备自投保护启动跳2#进线，确认跳开后，合1#母联。后当检测到2#进线电压正常时，跳1#母联，确认跳开后合2#进线；②当检测到2#进线失压，1#进线未运行且3#进线运行正常时备自投保护启动跳2#进线，确认跳开后，合2#母联。后当检测到2#进线电压正常时，跳2#母联，确认跳开后合2#进线。

备自投充电条件：备自投允许、1#母联在分位、2#母联在分位、1#进线在合位且Ⅰ段母线有压或3#进线在合位且Ⅲ段母线有压，条件具备后，经20s备自投充电完成。

备自投动作条件：备自投充电完成、2#进线失电（TVj2、TVm2均无压）。

自复充电条件：2#进线在分位、Ⅱ段母线有压、2#进线有压1#母联在合位且1#进线有压或2#母联在合位且3#进线有压，条件具备后，经设定时间后自复充电完成。

自复动作条件：自复充电完成。

逻辑框图见图4。

图4 2#进线失电情况下备自投及自复逻辑框图

3.3 备自投装置硬件设计

根据以上备自投动作及自恢复逻辑框图分析，其开关量输入有进线及母联开关位置共6个，模拟量输入有三条进线的AB，BC相电压及三段母线的AC相电压共9个，继电器输出量有备自投动作4个，自复8个，运行指示3个。选用西门子公司S7-200的CPU224一只，模拟量扩展模块EM231三只，继电器输出扩展模块EM222四只即可实现。另外，需要电压变送器9只，将交流380V电压变为转为直流0～5V供EM231模块采样；需要指示灯3个指示备自投准备就绪；需要转换开关做手动操作和自动操作切换；DC 24V电源模块1个给各模块供电。

3.4 备自投装置编程

根据所选硬件设备及系统设计，对各输入输出进行I/O地址分配，后备自投动作逻辑框图进行编程。下面以1#进线停电，2#、3#进线正常运行时合3#母联的动作过程为例说明备自投装置的PLC编程。

I/O地址分配如表1所示。

表1 I/O地址分配表

PLC程序如图5所示。

图5 PLC程序

4 备自投装置现场调试及运行

试验前断开进线变压器高压侧断路器，在变压器低压侧（即三条进线端）各加上交流380V电压，并由不同开关控制，后分别断开各开关以摸拟运行中的进线停电情况。用上位机与PLC模块通信后，将PLC程序下载到PLC模块中，通过在线监视各输入输出量及程序运行情况，对PLC程序进行修改及优化．调试后备自投装置能做到手动自动切换、备自投充电指示及不同情况下的自动投入及自复。该套备自投装置现在已投入运行两年之久，运行正常。

5 结论

基于PLC实现的备用电源自动投入装置相对灵活、多变。其用软件编程取代硬件接线，最大限度的满足千变万化的现场要求；采用可靠性高、安装方便的可编程控制器（PLC）保证了系统的可靠性。可编程控制器可完全取代传统的继电接触控制，在电气控制系统中可全面推广应用。

[1] 国家电力调度通信中心．电力系统继电保护规定汇编[M].北京：中国电力出版社,2000.