国网山东省电力公司莱西市供电公司山东莱西266600
摘要：在电力系统研究中，由于物理动态模拟不但能够产生各种各样的故障，而且能够随机产生丰富的谐波、涌流、直流偏置和电火花，因而能够更真实地反映电力系统的故障情况，提供更合理的手段对电力系统进行分析和更严格地考查保护装置的动作性能。本文分析了应用PLC的故障模拟控制系统。
关键词：应用PLC；故障模拟；控制系统
PLC作为电力系统控制领域中的通用控制装置，不仅是电力系统加工设备中的基本装置，而且也是这些设备联系和耦合的纽带。它不仅具有数字和模拟量的输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、功率驱动、人机对话、自检、记录和显示功能，而且具有数据处理、图形显示、联网通讯的能力。
1.设计原则
为实现不同现场环境的短路故障模拟，系统的基本设计原则应当是：功能完善，选择灵活；功能及过程设置方便，操作简便；结构简单，易于维护，可靠性高。基于上述原则，选用可编程序逻辑控制器作为前台控制器的核心器件；选用RS-485通讯编程口与上位机联系，便于实现后台控制。选择上述基本配置的理由如下：一是可编程控制器PLC具有编程容易、调试简单、组态灵活、可靠性高等一系列的优点，对于存储器容量（程序存储器和数据存储器）和运算能力要求不高的简单过程控制对象具有单片机系统不可比拟的优势。二是PLC带有8KB程序存储器和5KB数据存储器，24个IO口（14入10出），足以满足短路故障模拟控制要求；其集成的24V负载电源可直接驱动24V中间继电器，无需功率放大电路，简化系统电源配置。三是PLC配有专用编程通讯电缆和编程软件，支持通讯协议和自由通讯方式，具有丰富的指令集和灵活的编程语言；在“自由口模式”定义下，即可在后台PC机进行编程，为用户提供了良好的高可靠性开发监控环境；RS-485通讯编程口能保证足够的通信距离。PLC的功能不仅完全满足短路故障模拟控制系统的开发要求，同时也留有了足够裕度，功能扩展方便，性价比高。
2.应用PLC的故障模拟控制系统
2.1功能要求。电力系统运行经验表明，短路故障的发生、发展及其清除有其自身的特点，短路故障模拟控制系统必须能够方便且尽可能全面地模拟和反映这些特点，这是设计开发短路故障模拟控制系统的基本出发点。这些特点主要有：短路类型的随机多样性；相间短路可能是同一时刻发生或发展性短路；存在过渡电阻且其大小具有随机性；断路器三相触头动作的不同时，使相间短路故障的清除不能在同一瞬间完成等。基于上述特点，短路故障模拟控制系统应当具有如下基本功能：一是短路类型的灵活选择功能；二是短路发展过程的任意相间时序设置与控制功能；三是短路清除过程的任意相间时序设置与控制功能；四是任意相间过渡电阻的模拟功能。
2.2硬件组成。在该故障控制系统的开发过程中，全面深入地研究了实际电力系统的各种故障情况，将目前工业控制中工作最为可靠的PLC应用到本系统中，利用其输入接口与计算机通讯，达到了既使用灵活、又运行可靠的控制效果，精确地模拟出电力系统的各种故障形式，并可实现多条线路的故障联动。该故障控制系统由PLC可编程控制器、故障点选择器、故障形态选择器、合闸角控制器和故障开关组成，系统选用可编程控制器外加扩展模块，具有64个输入点和48个输出点。它根据操作人员的指令，产生一系列的故障控制信息，控制故障发生单元产生各种故障。这些控制信息包括：故障预录波时间、故障持续时间、故障位置、故障形态（故障相别及是否接地故障）、转换性故障转换时间、转换性故障重叠时间、模拟线路跳闸、模拟线路重合闸等等。故障点选择器根据PLC可编程控制器指令决定故障点的位置，也就是确定在哪条线路以及确定在该线路的何处（出口、末端或者中间）进行短路故障。故障形态选择器则根据PLC可编程控制器指令决定故障的形态，即单相短路、两相短路、三相短路及各种对地故障。合闸角控制器在接受到故障信号后，选择合适的短路角度，再控制故障开关动作。
2.3软件编程。考虑到电力系统故障的特点及对故障记录的要求，编程时做到了以下几点：一是预留100ms故障录波时间。为了能够进行故障前后的分析、对比，必须先启动录波器，再进行故障，以便得到故障前的波形。这样，即使使用光学录波器，也能得到满意的波形。二是故障时间可以随意调整，这样即使没有接入保护跳闸信号也能自动断开故障。故障时间为100ms（瞬时故障）至1500ms或更长时间（永久故障）。三是具有两组独立的故障系统，可以准确模拟电力系统发展故障。两组系统的故障起始时间、结束时间能够独立调整，这样可以模拟重叠或间隔状态的发展性故障。四是能够模拟保护的跳闸及重合闸。这既可以研究由于继电保护装置不同的动作行为对电力系统带来的影响，尤其是不正确动作行为的影响，还可以考察继电保护装置相继动作以及逆功率状态下动作的正确性。五是故障指令输入分为自动和手动两种情况。自动时，由程序内预置了常用的简单故障、复杂故障共四十余种故障形式，通过PLC机或控制面板等指令输入设备可方便地任意选择故障，实现故障全过程的模拟。手动时，则通过手动选择故障状态和故障位置。这样可以组合出上百种的故障情况，满足复杂实验的需要。本故障控制系统到目前为止完成了厂家在内的十几个厂商的三十余次实验测试，为厂家对保护的改进提供了重要的依据。
2.4故障信息的处理。故障的判断检测法是根据设备的状态与控制过程之间的逻辑关系来判断该设备的运行状态是否正常的一种方法。例如某设备在控制过程的某一时刻应该到达相应的位置，而实际上它并没有到位，则说明它处于故障状态。这种方法要设计一个虚拟传感器，使实际检测元件的状态与之比较，如果两者统一，判断为无故障；如果两者矛盾，就认为系统中存在故障。这是一种很有效而且常用的方法。在故障过程中，可能同时存在着多种故障检测信号，有时可能由于某一故障的产生，导致其他设备也处于故障状态。在生产过程中，如果能及时而准确地从众多故障信息中检测出引起这些故障的首发故障，将对故障的排除带来极大的方便。判断首发故障的最佳方法是使PLC控制程序具有首发故障的自动检测功能，其程序设计的基本原则是：定义相应数量的首发故障标志，如果某一故障首先发生就将相应的首发标志置，同时禁止其他首发标志改变状态。当有故障发生时，及时检查这些首发故障标志，就可以找出首发故障。就故障诊断而言，首先面临的是诊断信息的获取。由于工业系统各个组成部分之间的功能关系复杂，故障现象多，故障原在以及故障征兆之间的信息错综复杂，因此，准确地获取诊断信息，对不同故障诊断信息进行有效的综合和分析，是故障诊断系统首先需要解决的瓶颈问题。
结束语：电力系统故障模拟控制系统是电力系统动态模拟与仿真实验室中不可缺少的重要部分。本文研究开发的控制系统能应用于模拟产生电力系统中各种各样故障，能够对故障预录波时间、故障持续时间、故障位置、故障形态、转换性故障转换时间、转换性故障重叠时间等故障参数进行精确调节。同时还可以模拟保护对线路的跳闸、重合闸等操作，使用灵活可靠，显著提高了实验室的实验水平与工作效率，具有很大的应用价值。
考文献：
[1]陈春雨，李景学.可编程控制器应用软件设计方法与技巧[Ｍ].北京：电子工业出版社，2015.
[2]谢文祥.个人计算机与模块式可编程控制器的通信研究[Ｊ].工业控制计算机，2015（3）.