PLC在地铁行业备自投的工业低压配电应用
引 言
经济的高速发展，工业技术的不断革新和人民生活水平的不断提高，促进了电力系统的逐步改造，并要求我国电网不断提高其供电可靠率。从1998年至今，城乡电网供电可靠从99.81％提高到99.897％。如今，配电设备市场的发展趋势应是：反应真实快速，高智能化和数字化。
地铁是地下铁道的简称，作为一种独立的有轨交通系统，它不受地面道路情况的影响，能够按照设计能力运行，从而快速、安全、舒适地运送乘客。地铁效率高，无污染，能够实现大运量地要求，具有良好的社会效益，成为现在中大城市改善交通情况的首选。配电的可靠性要求在地铁行业尤其突出。一旦停电，地铁无法安全运行，将导致城市交通的瘫痪。
为了保证运行的可靠性和避免人为的失误，地铁中采用了各种以电子计算机处理技术为核心的各种自动化设备代替人工的、机械的、电气的行车组织、设备运行和安全保证系统。同时为了保障地铁运行的安全性，地铁建设中经常采用SCADA系统作为综合数据采集与监控控制系统，对主变电所、牵引变电所、降压变电所设备系统的遥控、遥信和遥测，实时掌握配电所所有设备的带电情况。
1 地铁低压配电典型系统构成
地铁的低压配电通常采用典型的双进线一联络结构，其中1QF、2QF为进线开关，3QF为联络开关。正常工作的情况下，进线开关1QF和2QF合闸，分别为I段和II段母线供电。但是当其中一组进线电压跌落时（以1TF电压跌落为例），需要断开1QF。在甩开母线上的三级负荷后，闭合联络开关3QF，此时变压器2TF同时为I、II段母线供电。
2 地铁行业低压配电备自投的特点
为了减少母线段断电时间，保证低压电气设备能够顺利运行，减少经济损失，地铁的低压配电系统要求备自投功能。所谓备自投，就是当进线开关因为电压跌落脱扣时，联络开关自动闭合。
但在地铁行业，备自投需要完成三个基本步骤：一，进线开关必须要脱扣，而且是因为电压跌落而非因为故障脱扣；二，三级负荷必须甩开；三，联络开关自动闭合。根据复位方式的不同，备自投又分为两种：自投自复和自投手复。自投自复：当进线掉电时，联络开关自动闭合，当进线电压恢复时，联络开关自动断开，进线开关自动闭合。自投手复：顾名思义，则当进线电压恢复时，手动分断母联闭合进线。
3 PLC备自投的应用与特点
以往的地铁项目，是通过电压继电器，时间继电器和中间继电器等继电器来实现备自投。当电压继电器探测到进线开关的进线侧电压低于低电压阀值，一般的判断条件为70％额定电压，经过时间继电器的延时，发出命令，令该进线开关脱扣，将信号发送至各三级负荷总开关和联络开关。之所以需要延时，是为了保证电网确实掉电，而不是发生晃电。三级负荷总开关收到进线的脱扣信号，并确认进线并非因为故障脱扣后，直接跳闸，并将跳闸信号发送至联络开关。联络开关接收到进线和各三级负荷总开关的脱扣信号后，自动合闸，完成一次备自投的过程。
可见，由继电器搭接而成的备自投回路能够满足基本的备自投要求，但是随着地铁行业对可靠配电的要求越来越高，而且在实际应用中，该备自投的继电器触点容易熔焊，线路复杂等问题，深深影响到地铁行业低压配电的安全稳定运行。因此近年来的地铁项目，基本都要求选用可靠性高的工业型PLC控制或智能模块来实现低压配电系统的备自投。如广州地铁项目就选用了ABB公司的AC31系列PLC来实现两进线一母联的备自投。
其中CPU 07KR51装于母联柜，4台扩展模块ICM14F1分别装于两个进线柜和两个三级负荷总开关回路。CPU 07KR51与扩展模块 ICM14F1之间通过CS31总线连接。进线回路把进线断路器状态、故障信号、低电压信号同时输入扩展模块 ICM14F1；三级负荷总开关回路将开关状态、故障信号输入扩展模块 ICM14F1；母联回路向CPU 07KR51输入母联断路器状态、故障信号和控制方式（自复或者手复）。PLC的输出线圈依次控制进线、母联和三级负荷回路开关的合分。PLC根据每个输入信号的状态，判断是否发生低电压，并判断输出继电器是否需要动作，实现两进线一联络系统的备自投切换。下表为PLC进行备自投的程序进程顺序：
对比上面两种备自投控制的方案，可以得出PLC进行备自投控制的优点：
1） 可靠性
继电器容易烧坏，触点发生熔焊，线路复杂。每多连接一根电缆，发生故障的概率就增加一分。而且由于机械原因，不论在线圈吸合还是脱扣，都是依靠纯粹的机械判断，存在出错的可能，从而影响到整个系统的正常运行；PLC减少了继电器的数目，用内部虚拟继电器代替实际的继电器，同时通过输入信号，直接判断是否起动备自投，减少了中间的步骤，同时能精确地给出延时时间，降低了出错地可能。经过多次的实践应用，表明PLC比继电器可靠得多。
2） 灵活性
当系统的控制逻辑发生变化时，PLC仅仅需要更改内部的程序内容，而继电器的备自投，需要重新设计，重新拆线接线，操作繁冗。更改完后，PLC可以事先在内部测试程序的准确性；而继电器的备自投则需要通电试验，如果发现问题，还需要再次拆线接线。
3） 简洁性
继电器的备自投，由于柜间的联锁和使用的继电器数量，需要连接的电缆数远远高于PLC。无论查线或者理解图纸来说，都比较复杂。PLC的备自投，只需要将所有信号输入PLC，通过程序判断，图纸简单易读。程序里可以按照每个回路的合分逻辑编程，并在后面加以备注，方便理解程序的意思。
4 ABB的AC31系列PLC 在地铁中的应用案例
1）应用案例1——深圳地铁
该项目两进线断路器、联络断路器以及三级负荷总开关相隔较近，且在同一排柜子的相邻位置，采用输入扩展模块XI16E1和输出扩展模块XO08R1配合PLC主机07KR51。进线、三级负荷总开关的所有控制信息和状态信息直接输入装于联络柜的PLC扩展模块。虽然连接电缆增加了一些，但少了4个扩展模块ICM14F1，实现在保证PLC备自投的可靠性的前提下，成功降低一定的备自投成本。
2）应用案例2——广州地铁
该项目在优化应用案例1的基础上，取消了2个电压继电器，取而代之的是通过装于进线回路的多功能表计采集电压信号，并通过通讯的方式传输到PLC。PLC读取电压值，并判断是否发生电压跌落。这样不仅减少了2个电压继电器的成本，同时凭借对电压信号的实时读取和判断，可以更准确的判断是否发生电压跌落，并发出信号，令三级负荷总开关跳闸。因为电压继电器的可调门阀值一般在70%左右，而判断读取的电压值可以精确到10%左右。从而可以实现分批甩开一些不重要的负荷，以保证重要负荷的运行。
经过上面两个案例，PLC的备自投成本可以降低不少，甚至将低于继电器架构的备自投。可见，成本问题将不会成为阻碍PLC备自投在工业配电的应用。 来源:输配电设备网
5 结语
如今的工业项目，不再是简单的两进线一联络系统，而是三进线两联络或者四进线三联络。使用继电器备自投，每增加一进线回路或一联络回路，就需要增加一堆继电器和一堆用于控制、连锁的电缆，造成不可靠隐患的概率上升，而使用PLC的备自投，只需要修改一下程序即可，十分便利，相对增加了配电可靠性。
随着智能化和数字化的普及，有的项目拥有一个后台系统（如：SCADA），PLC不仅能够实现备自投的功能，还能够将SCADA所需要的数据整合在一个数据区块，并实时更新，便于SCADA读取。
同时，为了方便客户使用，我们还可以将根据PLC实现的备自投的不同，做出若干个标准程序，比如标准自投自复，标准自投手复，标准三进线两母联等。随着因特网的普及，客户只需要在网上下载相应的标准程序，就可以满足自己的需要，降低了PLC的编程操作难度和人力维护成本。
综上，随着社会的发展，随着工业对备自投要求以及PLC自身竞争力的提高，我们可以预见PLC在工业的应用前景将越来越广阔。
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