基于 PLC 的继电保护自动化装置故障检修系统

引言

在电力系统的复杂网络架构中，继电保护自动化装置承担着保障电网稳定运行的关键职责。PLC 技术凭借其高可靠性、强抗干扰能力以及灵活的编程特性，在工业自动化领域展现出良好的应用效果。将 PLC 技术应用于继电保护自动化装置的故障检修工作中，有助于实现运行数据的实时采集、故障特征的智能识别以及故障位置的精准定位。这种技术应用模式的转变，对于推动电力系统运维工作向智能化、预防性方向发展具有积极意义，有望为提升电力系统整体运维水平提供新的技术途径。

1 继电保护自动化装置故障检修现状及痛点

1.1 传统检修模式的局限性

传统继电保护自动化装置的检修工作，主要依托定期预防性试验，并配合故障后的应急抢修。预防性试验往往需要设备停电操作，受制于每年1-2 次的检测频率，难以全面捕捉设备运行过程中的动态变化，存在忽略突发性故障风险的可能性。以某变电站为例，曾出现因继电器触点氧化引发保护误动的情况，而当时距离上次预防性试验仅过去 3 个月。在故障抢修环节，技术人员通常借助万用表、示波器等工具开展手动检测工作。由于装置内部逻辑回路较为复杂，故障排查耗时较长，平均处理时长超过 4 小时，在一定程度上对供电恢复效率产生影响。

1.2 故障诊断的复杂性

继电保护自动化装置作为融合测量、控制与通信等功能模块的复杂系统，其故障特征往往呈现多维关联特性。实践中发现，电源模块异常可能同时导致采样数据失准、通信链路异常等复合现象，若采用传统人工诊断模式，容易出现局部排查的局限性。

1.3 数据孤岛问题

目前，多数装置运行数据以本地存储为主，在实时数据传输与集中分析方面存在优化空间。当装置出现潜在故障时，受限于现有数据处理模式，难以通过历史数据变化趋势进行提前诊断，通常需要在故障显现后开展处置工作。这种处理方式在一定程度上影响了电网运行的可靠性，与智能电网的发展理念仍存在一定差距。

2 基于 PLC 的故障检修系统组成

2.1 硬件架构

2.1.1 核心控制层

经综合考量，核心控制层选用西门子 S7-1200 系列 PLC 作为主控制器。其配备的 PROFINET 通信接口具备 100Mbps 的数据传输能力，在满足实时监测需求方面具有一定优势。为完整捕捉故障特征数据，PLC 通过扩展 SM1231 模拟量输入模块采集保护装置电压、电流等模拟量信号，该模块采样精度可达 12 位，采样速率为 10kHz ；同时利用 SM1221 数字量输入模块读取跳闸出口、告警信号等开关量状态。

2.1.2 数据采集层

在继电保护自动化装置的关键节点部署传感器，于电源模块输出端安装量程 0-24VDC、精度 ±0.5% 的电压传感器，在 CPU 主板设置测量范围-40～85^∘C 的温度传感器，通信接口处则加装信号强度检测器。为保障数据准确性，传感器输出信号经菲尼克斯 MCR 系列等隔离模块处理后再接入 PLC，以降低强电磁干扰的潜在影响。

2.1.3 人机交互层

本地操作终端选用 10.1 英寸触摸屏，如威纶通 MT8102iE，可实现装置运行参数、故障代码及检修指引的实时展示。借助触摸屏，操作人员能够手动触发 PLC 诊断程序，或查看历史故障记录，该记录存储容量可容纳约 1000 条数据。此外，PLC 通过以太网模块与变电站监控系统相连，从而实现数据远程上传与控制指令接收功能。

2.1.4 执行层

对于通信接口误码等可自动修复的轻微故障，系统可通过 PLC 控制欧姆龙 G2R 系列等继电器模块完成模块复位；若检测到严重故障，则触发声

光告警装置（告警分贝值 ⩾85dB ），并利用 DO 模块闭锁保护装置出口，以尽可能避免故障范围的扩大。

2.2 软件设计

2.2.1 数据采集模块

数据采集环节可考虑采用 PLC 的 OB1 组织块开展周期性数据采集工作，扫描周期建议设置为 100ms 左右。借助 FC105（模拟量转换）、FC106（数字量转换）功能块，将传感器采集到的原始信号转换为对应的物理量，例如将 4⋅20mA 电流信号转化为 0-24V 电压值，并将处理后的数据存储至DB 数据块当中。为提升数据质量与可靠性，可设计阈值判断机制，当连续3 个周期的采集数据超出正常范围时，将其判定为异常数据，进而启动后续诊断流程。

2.2.2 通信模块

在数据交互环节，PLC 运用 ModbusRTU 协议与继电保护装置建立连接，获取装置内部寄存器存储的关键数据，如保护定值设定、动作历史记录等；同时借助 PROFINET 协议与变电站后台系统实现信息交互，完成故障信息的上报工作，涵盖故障类别、发生时刻、定位结论等内容。针对可能出现的通信问题，设计了异常处理机制：当出现连续 5 次通信超时情况时，系统将自动切换至 RS485 等备用通信端口，以此维护数据传输的稳定性。

2.2.3 人机交互界面

触摸屏界面采用分层架构进行规划设计。主界面以简洁直观的方式呈现装置整体运行状况，包括设备运行状态（正常或异常）以及关键参数信息；故障详情页面则对故障代码、定位分析结果进行详细展示，并提供相应的处理参考建议，例如提示“故障代码 E03 对应采样模块异常情况，可考虑对 A/D 转换器进行检查”；历史查询页面支持按照时间区间、故障类型等条件对记录进行筛选查看，为运行趋势分析提供便利条件。

3 系统优化方向

3.1 智能化升级

可尝试将机器学习算法与 PLC、边缘计算网关相结合，通过将历史故障数据上传至云端进行模型训练，或许能在一定程度上提高复杂故障的诊断准确性。比如，借助 BP 神经网络对保护装置的隐性故障特征（像微小参数漂移这类情况）进行分析识别，为故障预防工作提供新的思路与方向。

3.2 兼容性拓展

探索研发具备兼容性的通用通信接口模块，尝试实现许继、四方等不同厂商保护装置的数据互联互通，为多品牌设备的协同检修提供可行性方案。同时，对 PLC 程序架构进行优化升级，采用模块化设计理念，为后续功能拓展预留空间，例如未来可根据需求添加气体绝缘开关设备 GIS 的监测功能。

结束语

基于PLC的继电保护自动化装置故障检修系统采用“硬件 + 软件+流程”协同设计架构，为传统检修模式的效率与精度优化提供了新思路。系统通过 PLC 实现数据实时采集与智能分析，并引入标准化作业流程减少人为因素影响，为继电保护装置运维提供了创新性技术解决方案。面向工业互联网发展趋势，PLC 技术与 5G 通信、数字孪生等前沿技术的融合应用具备广阔探索空间。未来可尝试构建“云-边-端”一体化检修体系，为电力系统运维智能化升级提供新的技术路径。

参考文献

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