基于PLC的自动重合闸监控系统设计

摘 要自动重合闸可以在电力系统发生瞬间故障的时候发挥它的最大作用，可以进一步提升电力系统的平稳性。以继电保护中的重合闸为对象，通过对重合闸的结构分析，对重合闸的启动条件进行研究。结合电力系统的实际应用，对继电保护装置中的重合闸进行了研究和改进。设计完成了由西门子PLC进行控制的自动重合闸，自动重合闸具备重合闸的全部功能，并且配备有通信系统，可以对重合闸实现远方的控制，当发生故障重合失败可以及时的进行报警，提醒运行人员及时的处理问题，尽早的恢复供电。研究的过程中发现如果可以使用无线通信，可以有效解决有线通信电缆中电缆长度的限制。基于PLC设计的重合闸相比微机式重合闸系统简单，便于维护。

【关键词】自动重合闸 监控 PLC

目前电力系统普遍使用的是微机式的重合闸，可以实现远程的控制，方便运行人员监控和操作重合闸，但是微机式重合闸有缺点，缺点是重合闸的指令在电脑下达后，是否动作以及拒动的一系列限制条件是由机械装置控制的，并不是微机程序控制，微机只负责下达指令，接收机械装置返回的电信号。微机式的重合闸还存在继电器元件较多的情况，时间长了，继电器元件的触点发生老化，有可能在工作中产生触点的拒绝动作、粘连和接触不良等情况。机械装置的结构特别容易存在误动或者拒动的情况，这种情况如果出现，将会导致运行人员对重合闸的工作位置产生误判，而且短时间内很难快速高效的修理破损的机械结构。上述的情况出现都将增加输电线路的供电风险。

传统的晶体管式重合闸、电磁式重合闸和目前广泛使用的微机式重合闸在输电线路上的缺点，并且考虑了输电线路对重合闸的要求，从基本的实际出发，提出使用PLC远程控制重合闸，通过对PLC的使用可以很大的程度降低传统重合闸的缺点，更加有效方便运行人员监控和维护重合闸。

1 自动重合闸装置的设计方案

单相重合闸被应用于3～330kV的输电线路，低于1kV以下的输电线路一般采用三相重合闸。自动重合闸带有较远距离的通讯功能，所以适用于3～330kV的输电线路。

重合闸在重合于永远存在的故障对线路的冲击特别大，切除一次短路电流的断路器，断路器的绝缘水平在电弧的影响下已经下降，此时在进行第二次重合，会使断路器的工作情况变得更严重，尤其自动重合闸应用于高压领域，故障时产生的短路电流特别大，为了尽可能减轻断路器的工作条件。采用一次重合闸，即线路发生故障时重合闸只起动一次。

自动重合闸的闭锁是通过PLC的程序实现的，所以不需要机械闭锁，如果自动重合闸装置出现闭锁失灵或者故障的时候，只需要重新写入程序，或者初始化自动重合闸。这种维修方式简单、方便和时间短，并且运行人员短期培训即可处理。

1.1 自动重合功能

自动重合功能是重合闸的基本功能，需要在输电线路发生故障引起断路器跳闸以后，然后经过短暂的延时（等待绝缘水平恢复到一定的水平），重合闸起动对断路器进行重合，重合成功后，输电线路供电恢复。如果重新合闸失败则不再进行重合，等待检修人员处理。

1.2 报警功能

当断路器跳闸，重合闸起动，重合失败时，运行人员将在控制室听到相应的报警声，自动重合闸的报警功能是通过程序控制电铃实现的，不是通过反映断路器的位置的辅助触点实现的。对比机械闭锁，通过程序闭锁更加稳定，具备检修方便的优势。

1.3 通信功能

一个电压等级很高的变电站所带的负荷是非常的多的，有些高电压等级变电站还要承担下一级变电站的线路，变电站的进线、变电站的出线，变电站的通向各个分盘的输电线路同时也要安装自动重合闸，所以多个重合闸与计算机之间的通信，就变得尤为重要，本设计的自动重合闸使用的是自由口通信模式。

1.4 闭锁功能

在电力系统行业停电是一种严重的事故，如果运行人员工作时如果发生操作不正确，不仅会对运行人员自身的安全构成威胁，还会有可能发生停电事故，停电事故的发生对用电的负荷将会产生重要的影响，如果无计划停电事故发生在一级负荷，将会对一级负荷用电人员的人身安全构成危险。所以为了防止运行人员误操作，要增加闭锁机构，通过PLC的程序实现闭锁，而非机械闭锁，通过程序的方式闭锁，闭锁的功能会变得更加可靠。

1.5 气压检测

目前断路器普遍采用的都是通过六氟化硫气体对分合闸的时候产生的电弧进行熄灭的，当六氟化硫气体压力过低时，是禁止进行分合闸的，所以本研究所设计的自动重合闸，具备对气体压力的监测功能，如图1所示。

2 自动重合闸的控制程序

程序的控制电路：

表1是自动重合闸的控制电路，在断路器内部有辅助触点，反映断路器位置的。I0.0是运行人员远程操作的开关，I0.1是用来反映断路器实时位置的辅助触点。触点被机械结构导通的时候后，说明断路器合上了。然后就是通过导通的触点反应的电信号判断路器的位置。PLC的完整程序网络图如图2所示。

气体压力是指断路器内部的六氟化硫（SF6）气体的压力。使用六氟化硫（SF6）进行灭弧的断路器。采用的是（SF6）气体密度继电器监视气体压力的变化。在网络1中，当六氟化硫（SF6）气体压力低时，气体密度继电器吸合，I0.2输入电信号，控制程序中的常闭触点I0.2打开，储存器M0.1被置0，控制程序中的重合闸回路和分闸回路被串进了储存器M0.1，所以六氟化硫（SF6）气体压力低的时候，不允许起动重合闸和断路器分闸操作。

运行人员操作控制开关I0.0对断路器进行合闸操作。成功以后，断路器辅助触点闭合。I0.1触点在控制程序中被打开。网络2中，I0.0闭合，I0.1打开，此时的自动重合闸不起动，这是正常工作时的状态。

在网络3中，M0.0触点闭合，定时器是T37。T37的作用是提供1s的计时。程序中添加T37提供1s的延时，原因是对油断路器进行的考虑，油断路器在进行完分闸操作后，此时断路器的状态不是最佳，并且切除的是短路电流，所以油断路器的绝缘水平有所下降。立即重合必然会引起断路器故障。

故障的原因是断路器中尚有电弧存在。所以进行1s的延时，使油断路器的绝缘可以恢复到允许合闸的最低绝缘水平，延时时间的设置是要根据电弧熄灭的时间去设置的。程序中设置1s的延时，是借鉴我国电力系统的运行经验设定的。

在网络4中，T37触点闭合，Q0.0元件是吸合重合闸的线圈，重合闸动作。同时在网络5中，T37常开触点闭合，定时器T33启动，进行120ms的延时。定时器T33的作用是使重合闸有可靠的动作时间，断路器合闸时间一般为90ms左右，断路器的分闸时间一般为30ms左右，所以采用120ms延时。让断路器在重合于永久性故障时，可以有充分的余量去动作。

如果输电线路上发生的是允许立即合闸的故障，此次动作将会成功。断路器合闸，断路器辅助触点I0.1实际吸合，在网络6中，C20是计数器，网络5中T33定时器计时120ms后，T33闭合，C20计数一次，断路器已经合闸成功，常开触点 I0.1闭合，向计数器C20发送复位信号，C20计数器当计数信号与复位信号同时存在时，复位信号有效，所以程序运行结束，PLC仍然在不停的循环扫描程序，但是程序不改变输出。

如果输电线路上发生的是不可修复性故障，重合闸动作失败，在网络6中的，C20计数器计数一次，由于自动重合闸是一次重合闸，所以C20计数器的预设值也是1。

在网络7中，C20触点闭合，触点I0.0也是闭合的，储存器M0.2置1，M0.2触点闭合，形成自锁。网络2中的M0.2常闭触点打开，闭锁重合闸，使重合闸不能再起动。

在网络8中，M0.2常开触点闭合，定时器T39导通，进行1s的计时，1s过后T39常开触点闭合，T40作用是进行1s的定时，1s过后常闭触点T40打开，定时器T39被复位，触点T39打开，同样触点T40也被复位，常闭触点T40闭合，两个定时器分别进行1s的延时，交替计时。

在网络9中，定时器T39进行1s的延时后，T39闭合，M0.2是闭合的，所以导通报警灯Q0.1，因为T39只能维持1s的导通时间，所以可以构成闪烁的报警灯。常开触点I0.4的作用是用来检测报警灯是否可以正常亮灭。

在网络10和网络11中，是一个警铃的程序，网络11中，M0.2常开触点闭合，Q0.2报警铃电路接通，铃声响起。常开触点I0.4的作用是校验报警铃。网络10中，运行人员得到系统发出的报警信号，按下消铃按钮，常开触点I0.3闭合，储存器M0.2是闭合的状态，储存器M0.3置1，同时常开触点M0.3闭合，形成自锁。在网络11中的常闭触点M0.3打开，Q0.2报警铃掉电，不在工作。并联在网络9中的M0.3常开触点闭合，报警灯不在闪烁，只是保持常亮的状态，一直到故障解除。

运行人员在操作断路器分闸的时候，在网络12和网络13中，I0.5常开触点闭合，储存器M0.4置1，切断合闸回路，六氟化硫的气体压力正常时，M0.1是置1的，M0.1是闭合的，储存器M0.5是常闭触点，分闸线圈Q0.3导通，对分闸回路形成自锁，断路器分闸操作结束。

当需要对断路器进行合闸操作的时候，在网络14和网络15中，I0.5常开触点闭合，储存器M0.5置1，切断分闸回路，M0.2和M0.4都是常闭触点，合闸线圈Q0.3导通，对合闸回路形成自锁，断路器合闸操作结束。M0.3串在回路中的作用是防止重合闸动作以后，运行人员没有把控制开关打到和断路器实际位置相同时就合闸。如果在重合闸动作以后没有把控制开关的位置打到和断路器实际位置相同时，去手动合闸，将会起动重合闸。在手动合闸回路中没有串入M0.1，因为六氟化硫气体压力低的时候，特殊情况下允许合闸，但是不能重合闸，因为绝缘强度会达不到，极有可能引起事故。

3 结论

PLC作为工业控制系统中的重要一环，承担工业中对机器控制的一环，并且PLC的本领也在不断地增强。PLC比微机的成本低，PLC同时也比微机的对恶劣的工业环境适应能力强，微机式装置运算速度比PLC优秀，但是在逻辑控制方面没有办法和PLC媲美。PLC自动重合闸比微机式重合闸更优秀。本研究所设计的自动重合闸，还有些许待完善的地方。

参考文献

[1]路林，现行输电线路运行问题及防雷保护研究[J].黑龙江科技信息，2014（25）：47-47.

[2]罗虎，张双梓等.220kV线路重合闸运行分析[J].电气技术，2013（02）：64-67.

[3]张云飞.六氟化硫（SF6）断路器的应用及其相应的环保问题[J].装备机械，2009（03）.69-73.

[4]许正昌.浅析110kV变电站六氟化硫断路器的故障处理及运行维护[J].科技创新与应用，2014（30）：155-155.

作者简介

赵晓艳（1982-），女，内蒙古自治区通辽市人。硕士学位。现为山西农业大学信息学院助教。研究方向为电力系统。

樊建强（1982-），女，山西省忻州市人。硕士学位。现为山西农业大学信息学院讲师。研究方向为电力电子技术。

作者单位

山西农业大学信息学院 山西省太谷县 030801