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微机保护中的PLC功能的应用

王大鹏

施耐德电气(中国)投资有限公司  北京市  100004

摘要：通过在定义逻辑运行符、逻辑函数和变量实现逻辑方程，采用虚拟机在微机保护中实现PLC功能，详细分析了利用PLC功能实现分布式备自投的的方法。根据微机保护特点和应用的需求，提出微机保护应采用IEC61131-3标准化PLC功能，应用其中的LD和FBD作为微机保护PLC功能的通用编程语言，使PLC功能增强，实现复杂的逻辑运算功能，给微机保护的功能扩充提供了更大的空间。

关键词：微机保护；备自投；PLC；IEC61131

继电保护的发展经历了机电型、整流型、晶体管型和集成电路型几个阶段后，现在发展到了微机保护阶段。与前几个阶段的继电保护不同，微机保护集成了保护功能，测量功能，监控功能和通讯功能，所以又称之为微机综合继电保护装置。现在微机综合继电保护装置已被广泛应用于电力系统、工业、基础设施、商业及民用的供配电系统中，并且依托微机综合继电保护装置构成了能够实现四遥功能(遥控、遥测、遥信和遥调)的变电站综合自动化系统，从而极大的提高了变电站运行的可靠性、维护的方便性和管理效率。但在工业及基础设施的供配电系统中，用户在考虑变电站综合自动化系统时，除了要求实现四遥的功能外，经常需要变电站开关设备可根据生产工艺及控制的要求实现自动控制的功能，例如双路或多路电源的自动切换、电动机的起动顺序控制、工艺连锁及各种运行工况的自动转换等，所以系统中除了使用微机综合继电保护装置外，还需要使用能够实现自动化逻辑控制功能的可编程控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)。

目前在国内所使用的微机综合继电保护装置中，多数不能实现逻辑编程功能，故使用的灵活性尚有欠缺。而许多进口的微机综合继电保护中含有PLC的功能，可根据用户要求进行编程，从而完成多种灵活的自动化控制功能。下文以施耐德Sepam综合保护装置为例，说明微机保护中的PLC功能的应用。

Sepam 40或80系列内包含强大灵活的逻辑编程功能，在保护装置整定软件SFT2841内包含有逻辑等式编辑器，可以实现基于IEC61131-3标准开发的语言编程；使用可视化图形编程工具SFT2885(仅适用于Sepam 80系列产品)，可以实现基于IEC61131-3标准开发的梯形图方式编程。IEC61131-3是IEC61131国际标准的第三部分，是第一个为工业自动化控制系统的软件设计提供标准化编程语言的国际标准，它得到了世界范围的众多厂商的支持。IEC61131-3国际标准的编程语言包括图形化编程语言和文本化编程语言，不仅对系统集成商和系统工程师的编程带来很大的方便，而且对最终用户同样带来很大的方便。施耐德电气公司将IEC61131-3标准移植到微机综合保护装置中，开发出具有强大功能的文本化编程语言和梯形图编程语言。其逻辑等式编辑器使用逻辑运算符与(AND)、或(OR)、非(NOT)、异或(XOR)、定时器、 闭锁继电器、可编程定时脉冲和=、，、（）等逻辑运算符将逻辑输入和保护继电器以方程式的方式进行逻辑运算，将保护功能、开关量输入/输出、控制功能、面板显示信息和面板指示灯进行逻辑编程，从而实现各种自动化功能。梯形图基于图形表示的继电器逻辑，是PLC编程中被最广泛使用一种图形化语言。梯形图程序的左、右两侧有两垂直的电力轨线，左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈等提供能量，功率流的终点是右侧的电力轨线。每一个触点代表了一个布尔变量的状态，每一个线圈代表了一个实际设备的状态，功能或功能块与IEC 61131-3中的标准库或用户创建的功能或功能块相对应。Sepam梯形图的主要图形符号包括：１．触点类：常开触点、常闭触点、上升延与下降延检测触点。2. 线圈类：一般线圈、取反线圈、置位（锁存）线圈、复位去锁线圈、保持线圈、置位保持线圈、复位保持线圈、定时器功能线圈和计数器功能线圈。在完成编制逻辑等式或梯形图后，可通过软件可与前面版的RS232接口直接连接，将编辑的逻辑程序下载到Sepam中，从而通过Sepam实现逻辑控制功能。

以下通过实例说明在Sepam中PLC功能的实现。

例：如下图所示，某一变电站采用双回路进线，单母分段的接线结构：

其中：1DL为I段进线开关，2DL为II段进线开关，FDL为母线分段开关。
     备自投运行及充电条件:

1DL及2DL均为合闸位置，FDL为分闸位置；

I(II)段母线电压正常；

I(II)段自切投入；

无闭锁条件输入；

当满足于上述条件时，备自投功能启动投入运行。

备自投动作条件为：

I(II)段母线失压;

1DL及2DL均为合闸位置;

I(II)段自切投入;

II(I)段母线有压;

1DL(2DL)无保护动作跳闸;

1DL(2DL)无手动或遥控分闸；

I(II)段母线PT无断线故障(有流闭锁)；

1DL(2DL)断路器机械故障跳闸；

当满足于上述条件时，装置将延时Td（自投动作延时定值）后动作跳1DL（2DL）开关，确认跳开后再闭合FDL开关。动作逻辑框如图1所示

其中PT断线(有流闭锁)逻辑已在Sepam S40内部逻辑中含有，其实现原理如下：

Sepam S40检测由PT断线所引起失压误判断，从而引起在主回路电压正常的情况下进行错误备自投。

此功能处理以下故障:

相电压部分缺失, 用以下方法检测：

存在负序电压

不存在负序电流

断路器处于闭合位置

所有相电压的缺失, 用以下方法检测：

三相中至少存在一相电流

所有测量电压都不存在

断路器处于闭合位置

此功能的逻辑框图为：（图2）

由于在有流检测中检测的电流最小为10%In (In为相CT的一次额定值)，在CT二次为5A时，可将Sepam中的设定中CT一次额定电流缩小至1/5，同时将CT二次额定电流改为1A，即可使有流检测的最小值变为2%In而不会影响相应的测量值和保护定值. 例如，CT变比为300/5，在Sepam中可将CT设定为60/1。

继电保护装置配置说明

I进线：Schneider Sepam 40 系列进出线保护S40

II进线：Schneider Sepam 40 系列进出线保护S40

母联：Schneider Sepam 40 系列可出线保护S40。

在编制程序之前，需预先分配定义Sepam内部开关量输入/输出口的功能，使其能够接受或给出所要求的闭锁、信号及跳闸功能。

Sepam S40用于1DL：

Sepam S40用于2DL：

Sepam S40用于FDL：

定义好开关量输入/输出口功能后，可在Sepam调试整定软件SFT2841中使用逻辑等式编辑器进行逻辑编程。使用逻辑运算符(“与”、“或”、“异或”、“非”)和延时，可将新的处理运算和指示加到现有的运行过程中。逻辑功能产生的输出可用于：

矩阵，以控制继电器输出，点亮信号灯或显示新的报文。

保护功能，以便产生新的禁止或复位条件。

故障记录，以记录特殊的逻辑数据。

功能的实现如下图所示:

逻辑运算符说明如下：

NOT：逻辑“反”

OR：逻辑“或”

AND：逻辑“与”

XOR：逻辑“异或”

＝：结果的赋值

//：注释开始，即程序不理会“//”右边的文字

(,)：括号之间的运算可以成组

逻辑功能说明如下：

x = SR(y,z)：设定双稳态

当y等于1时，x设定为1

当z等于1且y等于0时，x设定为0

其他情况x不变

 x = TON(y,t)：接通延时继电器

x变量在y变量延时t(ms)后设定为1

输入变量来自于输入逻辑输入或保护功能，它们只能用于赋值符号“＝”右边：

I11至I14，I21至I26：逻辑输入

保护功能：使用“P保护功能代码_继电器号_顺序号”表示，例如P50/51_1_1表示过流保护，继电器1，延时输出。

输出变量可指向控制矩阵、保护功能或逻辑功能，它们只能用于赋值符号“＝”左边：

指向控制矩阵的输出：V1至V10，可在控制矩阵中控制信号灯、继电器输出或报文。

到保护功能的输出：使用“P保护功能代码_继电器号_顺序号”表示，例如P50/51_1_13表示过流保护，继电器1，保护禁止。

到程序逻辑的输出：

V_TRIPCB:使断路器跳闸

V_CLOSECB：使断路器合闸

V_INHIBITCLOSE:禁止断路器合闸

局部变量用来表示中间计算的变量，即不能在逻辑方程式外利用这些变量，它们只能用于赋值符号“＝”左边或右边。局部变量共有31个：VL1至VL31。

进线1和进线2程序及程序说明如下：

VL1  =  I11 

         // I11：本侧开关分闸位置

VL2  =  I12 

         // I12：本侧开关合闸位置

VL3  =  I13

         // I13：手动、遥控或保护分闸

VL4  =  SR (VL2, VL3)

         // 非正常分闸闭锁备自投

VL5  =  I21

         // I21： 允许备自投输入

VL6  =  I22

         // I22： 对侧有压且闭合位置输入

VL7  =  P27/27S_1_3   AND  VL4

         // 本侧欠压并且合闸位置

VL8  =  TON (VL7, 1000)

         // 延时1秒

VL9  =  P59_1_3    AND  VL2

         // 本侧母线有压且进线闭合位置

V1    =  TON (VL9,  500)

         // 本侧母线有压且进线闭合位置延时0.5秒输出至O13

VL10  =  TON (VL6,  1000)

         // 对侧母线有压且进线闭合位置延时1秒

VL11  =  VL5  AND  VL8  AND VL10 AND  (NOT  P50/51_1_1)  AND  (NOT  P50/51_2_1)  AND  (NOT  P50N/51N_1_1)  AND  (NOT  P50N/51N_2_1) AND  (NOT  PVTS_1_3  )

//  备投动作条件(允许备投；本侧欠压且合闸位置；对侧过压且合闸位置；无过流、速断和接地保护动作；无PT断线)

VL12  =  TON (VL11, 2000)

         //启动备投延时2秒

V_TRIPCB  =  VL12

         //跳本侧进线开关

VL13  = TON (VL1, 2000)

         // 分闸后延时2秒

VL14  = SR (VL11, VL13)

         //分闸后解除备自投输出

V2  =  VL14  AND  VL1

         //本侧进线开关跳闸后备投输出至O12

母线联络程序及程序说明

V1  =  I11  AND  I13  AND  I23

        //联络开关分闸状态，允许备投并且接受备投输入时输出至O13进行合闸

编制好程序后，还需将逻辑编程的结果反映到输出口上，从而实现最终动作输出。此项功能也需要在SFT2841软件中通过控制矩阵的设置来实现。
1DL(2DL)Sepam S40控制矩阵图设置如下图所示:

当母联保护选用Sepam S40时矩阵图逻辑设置为:

至此，通过Sepam保护装置内的逻辑编程功能简单方便的实现了备自投功能。当逻辑条件改变时，只需在软件中直接进行程序改动即可实现新的功能。当要求主电源恢复实现自动恢复的功能时，也可在此程序基础上增加程序语句而实现。所有改动均不需改变Sepam保护装置硬件配置，使得当运行条件改变时无需更换或增加其他设备即可实现。

通过上述介绍我们可以看出，使用基于IEC61131-3标准开发的语言编程工具可使微机保护装置更加智能化和简单化，使其具有国际标准的PLC功能，扩展了微机保护的功能和用途。