PLC在地鐵行業備自投的工業低壓配電應用
引 言
經濟的高速發展，工業技術的不斷革新和人民生活水平的不斷提高，促進了電力系統的逐步改造，并要求我國電網不斷提高其供電可靠率。從1998年至今，城鄉電網供電可靠從99.81％提高到99.897％。如今，配電設備市場的發展趨勢應是：反應真實快速，高智能化和數字化。
地鐵是地下鐵道的簡稱，作為一種獨立的有軌交通系統，它不受地面道路情況的影響，能夠按照設計能力運行，從而快速、安全、舒適地運送乘客。地鐵效率高，無污染，能夠實現大運量地要求，具有良好的社會效益，成為現在中大城市改善交通情況的首選。配電的可靠性要求在地鐵行業尤其突出。一旦停電，地鐵無法安全運行，將導致城市交通的癱瘓。
為了保證運行的可靠性和避免人為的失誤，地鐵中采用了各種以電子計算機處理技術為核心的各種自動化設備代替人工的、機械的、電氣的行車組織、設備運行和安全保證系統。同時為了保障地鐵運行的安全性，地鐵建設中經常采用SCADA系統作為綜合數據采集與監控控制系統，對主變電所、牽引變電所、降壓變電所設備系統的遙控、遙信和遙測，實時掌握配電所所有設備的帶電情況。
1 地鐵低壓配電典型系統構成
地鐵的低壓配電通常采用典型的雙進線一聯絡結構，其中1QF、2QF為進線開關，3QF為聯絡開關。正常工作的情況下，進線開關1QF和2QF合閘，分別為I段和II段母線供電。但是當其中一組進線電壓跌落時（以1TF電壓跌落為例），需要斷開1QF。在甩開母線上的三級負荷后，閉合聯絡開關3QF，此時變壓器2TF同時為I、II段母線供電。
2 地鐵行業低壓配電備自投的特點
為了減少母線段斷電時間，保證低壓電氣設備能夠順利運行，減少經濟損失，地鐵的低壓配電系統要求備自投功能。所謂備自投，就是當進線開關因為電壓跌落脫扣時，聯絡開關自動閉合。
但在地鐵行業，備自投需要完成三個基本步驟：一，進線開關必須要脫扣，而且是因為電壓跌落而非因為故障脫扣；二，三級負荷必須甩開；三，聯絡開關自動閉合。根據復位方式的不同，備自投又分為兩種：自投自復和自投手復。自投自復：當進線掉電時，聯絡開關自動閉合，當進線電壓恢復時，聯絡開關自動斷開，進線開關自動閉合。自投手復：顧名思義，則當進線電壓恢復時，手動分斷母聯閉合進線。
3 PLC備自投的應用與特點
以往的地鐵項目，是通過電壓繼電器，時間繼電器和中間繼電器等繼電器來實現備自投。當電壓繼電器探測到進線開關的進線側電壓低于低電壓閥值，一般的判斷條件為70％額定電壓，經過時間繼電器的延時，發出命令，令該進線開關脫扣，將信號發送至各三級負荷總開關和聯絡開關。之所以需要延時，是為了保證電網確實掉電，而不是發生晃電。三級負荷總開關收到進線的脫扣信號，并確認進線并非因為故障脫扣后，直接跳閘，并將跳閘信號發送至聯絡開關。聯絡開關接收到進線和各三級負荷總開關的脫扣信號后，自動合閘，完成一次備自投的過程。
可見，由繼電器搭接而成的備自投回路能夠滿足基本的備自投要求，但是隨著地鐵行業對可靠配電的要求越來越高，而且在實際應用中，該備自投的繼電器觸點容易熔焊，線路復雜等問題，深深影響到地鐵行業低壓配電的安全穩定運行。因此近年來的地鐵項目，基本都要求選用可靠性高的工業型PLC控制或智能模塊來實現低壓配電系統的備自投。如廣州地鐵項目就選用了ABB公司的AC31系列PLC來實現兩進線一母聯的備自投。
其中CPU 07KR51裝于母聯柜，4臺擴展模塊ICM14F1分別裝于兩個進線柜和兩個三級負荷總開關回路。CPU 07KR51與擴展模塊 ICM14F1之間通過CS31總線連接。進線回路把進線斷路器狀態、故障信號、低電壓信號同時輸入擴展模塊 ICM14F1；三級負荷總開關回路將開關狀態、故障信號輸入擴展模塊 ICM14F1；母聯回路向CPU 07KR51輸入母聯斷路器狀態、故障信號和控制方式（自復或者手復）。PLC的輸出線圈依次控制進線、母聯和三級負荷回路開關的合分。PLC根據每個輸入信號的狀態，判斷是否發生低電壓，并判斷輸出繼電器是否需要動作，實現兩進線一聯絡系統的備自投切換。下表為PLC進行備自投的程序進程順序：
對比上面兩種備自投控制的方案，可以得出PLC進行備自投控制的優點：
1） 可靠性
繼電器容易燒壞，觸點發生熔焊，線路復雜。每多連接一根電纜，發生故障的概率就增加一分。而且由于機械原因，不論在線圈吸合還是脫扣，都是依靠純粹的機械判斷，存在出錯的可能，從而影響到整個系統的正常運行；PLC減少了繼電器的數目，用內部虛擬繼電器代替實際的繼電器，同時通過輸入信號，直接判斷是否起動備自投，減少了中間的步驟，同時能精確地給出延時時間，降低了出錯地可能。經過多次的實踐應用，表明PLC比繼電器可靠得多。
2） 靈活性
當系統的控制邏輯發生變化時，PLC僅僅需要更改內部的程序內容，而繼電器的備自投，需要重新設計，重新拆線接線，操作繁冗。更改完后，PLC可以事先在內部測試程序的準確性；而繼電器的備自投則需要通電試驗，如果發現問題，還需要再次拆線接線。
3） 簡潔性
繼電器的備自投，由于柜間的聯鎖和使用的繼電器數量，需要連接的電纜數遠遠高于PLC。無論查線或者理解圖紙來說，都比較復雜。PLC的備自投，只需要將所有信號輸入PLC，通過程序判斷，圖紙簡單易讀。程序里可以按照每個回路的合分邏輯編程，并在后面加以備注，方便理解程序的意思。
4 ABB的AC31系列PLC 在地鐵中的應用案例
1）應用案例1——深圳地鐵
該項目兩進線斷路器、聯絡斷路器以及三級負荷總開關相隔較近，且在同一排柜子的相鄰位置，采用輸入擴展模塊XI16E1和輸出擴展模塊XO08R1配合PLC主機07KR51。進線、三級負荷總開關的所有控制信息和狀態信息直接輸入裝于聯絡柜的PLC擴展模塊。雖然連接電纜增加了一些，但少了4個擴展模塊ICM14F1，實現在保證PLC備自投的可靠性的前提下，成功降低一定的備自投成本。
2）應用案例2——廣州地鐵
該項目在優化應用案例1的基礎上，取消了2個電壓繼電器，取而代之的是通過裝于進線回路的多功能表計采集電壓信號，并通過通訊的方式傳輸到PLC。PLC讀取電壓值，并判斷是否發生電壓跌落。這樣不僅減少了2個電壓繼電器的成本，同時憑借對電壓信號的實時讀取和判斷，可以更準確的判斷是否發生電壓跌落，并發出信號，令三級負荷總開關跳閘。因為電壓繼電器的可調門閥值一般在70%左右，而判斷讀取的電壓值可以精確到10%左右。從而可以實現分批甩開一些不重要的負荷，以保證重要負荷的運行。
經過上面兩個案例，PLC的備自投成本可以降低不少，甚至將低于繼電器架構的備自投。可見，成本問題將不會成為阻礙PLC備自投在工業配電的應用。 來源:輸配電設備網
5 結語
如今的工業項目，不再是簡單的兩進線一聯絡系統，而是三進線兩聯絡或者四進線三聯絡。使用繼電器備自投，每增加一進線回路或一聯絡回路，就需要增加一堆繼電器和一堆用于控制、連鎖的電纜，造成不可靠隱患的概率上升，而使用PLC的備自投，只需要修改一下程序即可，十分便利，相對增加了配電可靠性。
隨著智能化和數字化的普及，有的項目擁有一個后臺系統（如：SCADA），PLC不僅能夠實現備自投的功能，還能夠將SCADA所需要的數據整合在一個數據區塊，并實時更新，便于SCADA讀取。
同時，為了方便客戶使用，我們還可以將根據PLC實現的備自投的不同，做出若干個標準程序，比如標準自投自復，標準自投手復，標準三進線兩母聯等。隨著因特網的普及，客戶只需要在網上下載相應的標準程序，就可以滿足自己的需要，降低了PLC的編程操作難度和人力維護成本。
綜上，隨著社會的發展，隨著工業對備自投要求以及PLC自身競爭力的提高，我們可以預見PLC在工業的應用前景將越來越廣闊。
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