关键词：配电柜；故障定位；故障切除；PLC

Abstract: This paper realizes the monitoring, location and removal of short-circuit faults on the power distribution cabinet and its connecting lines based on PLC. Through monitoring the insulation resistance of the power distribution cabinet, the insulation intelligent monitoring and abnormal alarm of the power distribution cabinet are realized, and the fault location is quickly located through the fault location module, and the fault line is cut off in time through the PLC control to ensure the power distribution system Normal operation.

Key words: Power distribution cabinet; Fault location; Fault removal; PLC

1  引言

配电柜是配电系统的核心设备，起着至关重要的作用。配电柜控制电源供电的安全性、可靠性关系到所在区域运营的安全，要引起高度重视。配电柜是配电系统中的主要配电设备，其性能好坏直接关系到电力系统安全生产工作能否顺利开展。特别是对配电系统的绝缘性能监测是为提高IT系统电气设备运行可靠性，及时发现早期故障，对配电系统中运行的各种电气设备的绝缘状况进行的实时检测与诊断^[1] 。哪些原因会造成配电柜控制电源失电，控制电源失电后会有哪些危害，应该采取何种措施降低这种危害，本文对这些内容进行分析归纳，通过对配电柜发生故障的原因进行解析，提出提高配电柜控制电源可靠性的具体实施方案^[2-3]。

2  现阶段的实际应用

现有技术中，通过采用人工监测和故障电信号值进行报警，很少有对配电柜故障及故障类型的主动监控系统^[4-5]，也无法进行故障点的精确定位，在实际运行中，一旦发生配电柜及其线路上的短路故障，如果没有及时发现和切除，就会造成设备损坏、大面积停电事故。短接故障发生后，也可能产生谐振过电压，产生几倍于正常电压的谐振过电压，危及变电设备的绝缘，严重者使变电设备绝缘击穿，造成更大事故。

3  配电柜自动控制系统

3.1  系统组成

基于上述弊端，提出了一种基于PLC的电气配电柜自动控制系统。具体在配电柜内设置有绝缘监测模块、绝缘故障定位模块、故障点分析模块、多个电流传感器以及PLC。每一路配电支路末端均安装一个电流传感器，绝缘故障定位模块与每一个电流传感器连接，从而对每一路配电支路的绝缘电阻进行检测。每一路配电支路对应一个采样电阻，对采样电阻与配电支路进行匹配，根据采样电阻的序号或电流传感器的UID，查找出故障电路。具体的，由绝缘监测模块向配电电网发送脉冲探测信号，用于检测系统的绝缘电阻，当系统绝缘电阻低于设定值时，绝缘监测模块发送故障定位信号到电网中，该故障定位信号会通过故障支路的泄漏电阻流入大地，该支路的A、B、C三相同时穿过电流互感器，则电流互感器中流过的电流矢量和即是探测电流。当识别出故障位置后，PLC将故障线路切除，保证其他线路安全。如图1所示。

图1  配电柜故障定位模块的电路图

3.2  实现原理

当绝缘电阻低于设定绝缘故障报警电阻时，发送报警信号，显示屏显示报警信息。同时绝缘监测模块发送定位信号进行定位，绝缘故障定位模块采集安装于配电支路中的电流传感器信号，分析可能出现的故障支路，并通过CAN接口发送给绝缘监测模块，绝缘电阻监测模块收到故障支路信息后通过显示屏显示该信息。

当短接故障发生后，通过绝缘监测模块和绝缘故障定位模块确定故障支路，设计一故障点分析模块，实际运行中，在配电网线路上并联一备用三相线路，在配电网线路和备用三相线路上等间距设置有多个采集节点，每个采集节点上设置一个故障点分析模块。如图2所示，故障点分析模块包括：设置在配电网线路第一相上的断路器1、设置在备用三相线路第一相上的断路器4、设置在配电网线路第二相上的断路器2、设置在备用三相线路第二相上的断路器5、设置在配电网线路第三相上的断路器3、设置在备用三相线路第三相上的断路器6。每个断路器通过两端的接入点串联接入至对应所在位置处的线路中。

根据配电网线路首尾两端之间线路的长度，对配电网线路上等间距划分若干个采集节点，配电网线路和备用三相线路上的同一节点处设置有一个故障点分析模块，从而将故障点分析模块等间距间隔设置在三相线路上。断路器1输出端引出测量点1，断路器4输出端引出测量点2，以此类推，断路器2和断路器5之间也设置有一对测量点，断路器3和断路器6之间也设置有一对测量点。

当接地故障发生后，PLC控制将发生接地故障的配电线路从电网电路中切除，通过备用三相线路保持电网电路正常运行，检测各个节点处两个三相线路上故障相之间的电流信号，具体的，比如第一相发生故障，则从第一节点处开始采集两个三相线路上第一相之间的电流信号，也就是检测断路器1和断路器4对应的测量点1和测量点2之间的电流信号，随后依次测量其他节点断路器1和断路器4之间的电流信号，越接近接地点的接地电流越大，测得的电流信号即为不同节点处的接地电流，最后探测出两个接点电流最大的节点，即接地点发生在这两个节点之间的线路上。

随后PLC将故障源所在故障相两侧的节点断开，并导电连接断开节点两侧的故障相，将故障源从所在相上切除；将故障发生所在三相线路两端的三相断路器闭合，将故障三相线路恢复运行，也就是将故障源旁路，实现配电柜线路的恢复运行。

4  硬件系统

4.1  PLC

S7-200属于SIMATIC系列PLC中微型产品，为无风扇、模块化结构，具有结构紧凑、可靠性高的优点，编程语言为梯形图、语句表和功能块3种模式，指令功能强大，易于掌握、操作方便。S7-200 PLC本机集成了输入输出端口和24V负载电源，可以选择不同的电源电压和控制电压，内部集成了电源、高级电容和实时时钟。S7-200 PLC指令功能强大，有布尔、传送、比较、移位、产生补码、调用子程序、算数运算、数制转换、字逻辑运算等指令，可以采用主程序、中断程序和最多八级子程序结构，可使用1～255 ms定时中断。程序中可以设置多级口令保护，监控定时器的定时时间为300ms。S7-200 PLC还支持模拟量输出、模拟量输入、数字量输出、数字量输入、测温模块、通信模块的扩展功能，为CPU增加大量的附加功能^[4]。

4.2 通讯单元

PLC具有强大的网络连接功能，可以方便的联入计算机、人机接口设备及其他处理器。S7-200型PLC通讯接口为RS-485信号接口，利用PC/PPI电缆与计算机实现网络连接。通讯模式具有点对点通讯和自由通讯2种，点对点通讯用于实现PLC与编程器等产品之间通讯，自由通讯用户可以自己定义通讯协议。点对点通讯只能应用在停止方式下，而自由通讯可以应用在运行方式下。

5  应用案例

将本文的电气配电柜自动控制系统应用在某小区三相配电线路上，当配电线路出现绝缘故障时，通过绝缘监测模块判断得知配电线路第三相上的绝缘电阻低于设定绝缘故障报警电阻。随即依次检测各个节点上故障点分析模块中断路器3和断路器6对应的测量点1和测量点2之间的电流信号I₁至I_n，所有节点测量完成后，发现第二节点和第三节点上的电流信号I₂和I₃最大，由此判断出绝缘故障发生在第二节点和第三节点之间的第三相线路上，如图3所示。通过PLC控制将第二节点和第节点之间的第三相线路短接，即可恢复配电线路供电，实现快速智能的故障定位和排除。

PLC实现过程如图4所示。