PLC在电网备用电源自动投入中的应用

【摘要】根据备用电源自动投入装置的使用特点，将备用电源自动投入装置应用于电网中，解决了当工作电源出现故障使电压消失，导致用户断电的难题。本文主要介绍了备用电源自动投入装置的特点，并举例分析了利用PLC芯片如何实现备用电源自动投入的应用。

【关键词】备用电源自动投入PLC控制自动化

随着科学技术水平的不断提高，现在电力技术的理论和实际应用范围也在不断地拓宽，与此同时一些大中型工厂和企业对供电的质量和可靠性有了更高的要求。在很多具有一级负荷和重要的二级负荷的工厂和企业中，其发电厂或变电所通常需要有备用电源自动投入装置，实现供电系统的自动化，以确保电力系统的快速性、可靠性和安全性。

一、对备用电源自动投入装置的分析

备用电源自动投入装置是当主供电电源发生故障时，将备用电源在设定时间内启动或投入，以保障重要设备电源的供给的自动化设备。

1.1传统备用电源自动投入分析

传统的备用电源自动投入装置系统是由继电器和接触器组成。因其组成结构简单、投入成本低，在一些中小型企业和工厂的供配电系统中很受欢迎。但是也存在着很多缺点：第一、由于传统的备用电源自动投入系统都是由继电器和接触器组成，若要组成一套完整的控制系统，在继电器和接触器的使用数量上很大，而过多的继电器和接触器使得系统的体积变得庞大。第二、继电器和接触器都是电磁式机械动作，因而系统的动作响应能力差，继电器和接触器的触点要频繁地接通和断开动作，使得触点容易出现故障，导致系统的可靠性较低，并且要进行大量的维护和故障的检修工作，过多的继电器和接触器对故障的检修造成了巨大困难。第三、由于系统采用的是纯硬件结构，不具备可编程能力，造成系统的开发周期长。系统不具有通信和监控功能，不能使整个供配电系统有机地组合为一体，不能适用于对自动化水平要求较高的场合。

1.2新型PLC控制下备用电源自动投入分析

新型PLC控制的备用电源自动投入控制器完全克服了上述缺点。PLC是可编程序控制器，由CPU、存储器、输入输出电路和功能模块（如计数器、定时器、通信模块）组成。通过采集现场的数字和模拟量的信息，经CPU处理和计算后，将信息传送至现场以控制设备的工作。其具有快速的运算能力，可实现设备和上位机通信，可利用图形化（如顺序功能图、梯形图、功能模块图）和文本化编程，并且具有软件和硬件的诊断功能。

将其利用到备用电源的自动投入装置上带来的优点有：第一、可以省去很多的继电器和接触器以及线路的连接。由于PLC内部具有很多继电器，完全可以替代实际的继电器装置。第二、采用编程的方法使系统的开发更加快速和简便，处理速度快（平均执行一条指令的时间为微秒级甚至是纳秒级），内部的定时器要比传统的机械定时器精确度高很多。第三、可以通过预先规定好的协议将信息传送给其他PLC或者PC机，以实现对系统的监控和系统故障的自诊断，并且还可以连接诊断和在线调试，进而确保了系统的稳定性和可靠性。第四、由于其是利用程序来进行控制的，在对系统进行维护和修改时变得更加快捷和方便，不必像传统的那样要更换硬件和更改线路连接，只需要修改程序即可，大大缩短了维护周期。

1.3备用自动投入装置的控制需满足的控制要求

（1）当主电源由于故障而断电时，备用电源必须投入运行，但是若备用电源没有足够高的电压时，备用电源不能动作，而是进行相应故障的报警；（2）对于非故障的电源断电，如人工操作的切除电源，备用电源不能投入运行；（3）备用电源只有在主电源正常工作时才进行充电操作，而当其投入运行时不再进行充电；（4）当主电源断电故障消除后，主电源投入到工作状态，备用电源切除与负载的连接；（5）当系统设备发生故障时，应使供电电路立即跳闸并发出警报以保证设备的安全；（6）设备在切换动作时要具有一定的时限，以确保与其他保护装置的配合。

二、PLC在电网备用自动投入的应用举例

图1为某工厂的电气主接线图，从图中可以看出该系统采用的是内桥接线型。

其中通过电压互感器1TV和2TV分别检测主电源和备用电源的电压来确定电源的切换投入动作，3TV用来测量系统运行时的电压和功率。

2.1PLC程序控制的要求

正常工作时，电源1工作，电源2处于备用状态；当检测到1TV电压低于设定值时，利用程序控制1QF断开，接通2QF。同时监控各个电压互感器、电流互感器、过流保护装置的状态，并根据具体情况发出相应的警报。同理，当电源2处于工作状态时，在其出现故障时，2QF断开，1QF接通，将电源1切换到投入状态。需要注意的是，各个断路器和接触器动作的先后顺序和时间，如果出现错误可能导致系统发生短路，造成设备的烧毁或触电事故。

2.2根据需求选择PLC

目前我国主要流行的PLC产品生产厂家主要有德国西门子（Siemens）、日本三菱（MITSUBISHI）和欧姆龙（OMRON）、法国的施耐德（AEG Schneider）、美国的A-B（Allen-Bradley）、台达等。在选择PLC的类型时，要根据性价比最优的原则进行选择。这里在选择时根据工厂的规模和成本，依据性价比选择三菱系列PLC。

在确定PLC的型号之后，还要根据以下几点选出具体的型号：（1）数字量和模拟量的输入和输出点数。经过该系统的统计后，计算出数字量输入点数为27，数字量输出点数为19，模拟量输入点数为5。此外在实际应用时要考虑一定的裕量，按照经验一般取10%的裕量进行选择。程序输入的PLC数字量输入点数为30，数字量输出点数为22，模拟量输入点数为6。（2）PLC负载能力分析。当PLC在插入其他输入输出模块时，必须要考虑PLC的负载能力。PLC内部有5VDC电源供电，不同型号的CPU所能提供的最大扩展电流不同。经统计该系统所有继电器和断路器的工作电流总和约1000mA。另外，如果不考虑PLC负载能力，可采用外加电源的方式。（3）PLC所具有的功能模块。根据系统的设计条件，PLC应具有计数器、定时器等。然而一般的PLC都具有此功能模块，此情况可以不用考虑。

依据以上几点考虑情况，最终确定的PLC型号为三菱FX2N系列的FX2N-64RM+FX2N-8AD，共计输入点数为32，数字量输出点数为32，模拟量输入点数为8。

2.3电路的硬件设计

由于该工厂对于抗干扰的要求较高，在这里采用220VDC对PLC进行供电可以避免交流谐波信号对系统造成的干扰，以保证PLC的正常工作；对于传输线路采用屏蔽双绞线。模拟信号和数字信号之间采用光藕隔离技术；并且要具有必要的过压、失压保护，过电流和短路保护；避免接地故障可以采用TT型保护。

2.4PLC程序的设计

根据系统的设计要求，所编写程序应具有的功能：将电压互感器和电流互感器上的电压和电流信号转换为数字信号，并与预订值进行比较，确定系统当前的运行状态（如正常运行、失压、过流、短路）；根据采样取得的数据信息进行处理，控制相应的断路器、接触器、继电器、各种开关以及各种信号指示灯；将系统的各种状态信息传输给监控室的上位机，使相关技术人员准确掌握系统的运行状态，以确保系统的安全与可靠；能够完成对一些故障的自动处理能力。

在编写程序之前，要根据系统的各个输入输出对PLC进行地址分配，然后编写初始化代码以完成对系统数据的初始化，最后编写主程序和中断服务程序以完成对系统的控制。由于篇幅有限，现附上部分主要的自动投入过程的程序梯形图（图2）作为参考。

2.5联机调试、运行

编写完程序后，进行编译，然后下载到PLC上进行联机调试，并用相关软件在上位机上编写出监控组态的程序用以监控系统的运行，对系统进行可靠性、失效率、平均寿命等各方面测试和评估，在保证了程序能够运行无误，各项指标符合要求后，将程序投入到工程上的使用。

综上所述，利用PLC完成电网备用自动投入系统的控制，使系统的运行速度快、执行效率高，并且提高了系统的可靠性和安全性，不易发生故障，且维护方便。由于系统的自动化水平高，能够适应长期的发展。因而PLC在电网备用电源自动投入中的应用将越来越广泛。