可编程序控制器对电压暂降敏感度的试验研究
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新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、先进输电技术国家重点实验室（全球能源互联网研究院有限公司）的研究人员吴亚盆、刘颖英、徐永海，在2018年第6期《电工技术学报》上撰文指出，可编程序控制器（PLC）是诸多文献中提及的典型电压暂降敏感设备之一，国外相关研究人员就其暂降敏感度在早期进行过试验研究。
考虑到PLC技术更新和生产工艺改进，以及国内相关试验工作较为缺乏等现状，对当前主流品牌PLCs开展电压暂降敏感度试验，了解其电压暂降敏感特性变化很有必要。
本文制定了试验方案，以Chroma 61860回收式电网模拟电源为暂降发生源，选取国、内外四种品牌的5个PLCs进行了试验，分别考察电压暂降基本特征量以及奇次谐波等因素对PLCs暂降敏感度的影响。
依据大量试验数据，得到PLCs电压暂降敏感度曲线，分析并给出各考察因素对PLCs暂降敏感度的影响程度。相比于早期的试验结论，目前应用的PLC对电压暂降事件敏感度有所下降，文中对此进行了相关分析。
可编程序控制器（Programmable Controller, PLC）具有可靠性高、功能强大、通用性好等优势，在机械制造、交通运输、石油化工等领域得到了广泛应用[1,2]。文献[3]指出大型汽车涂装工艺约有50个交流驱动器控制大型风扇成对工作，而每个风扇对转动及与其他风扇对互锁都由PLCs控制实现。然而，PLC所处的工业环境通常是恶劣的，特别是当其直接接入交流供电系统中。
据统计分析，PLC系统遭受干扰中70%会通过供电电源耦合到PLC内部，对CPU、I/O等模块造成不良影响[4]，一旦PLC无预期停止运行或输出紊乱指令，必然造成难以预估的损失。例如，铝厂耗资1 000万美元将厂内20世纪60年代的硬接线系统更新成大量PLCs控制系统和基于PC的图形用户界面系统。
令其管理者意想不到的是，供电电压仅跌落至75%，持续5个周期时就会导致传送、粉碎、搅拌等系统停止工作，而这种电压暂降问题每月至少出现两次，每次造成经济损失达数百万美元[5]。
由此可见，PLC对电压暂降事件极其敏感。同时，电压暂降已成为影响工商业用户最主要的电能质量问题。据统计，由电压暂降引起的用户投诉已占到整个电能质量问题投诉数量的80%以上[6-9]。
文献[10-14]都较为详细地探讨了PLC电压暂降敏感度问题。其中，文献[10]给出了PLC电压暂降的“矩形”耐受曲线范围，上限值曲线、平均值曲线及下限值曲线的拐点坐标分别为(20ms, 75%)、(260ms, 60%)、(620ms, 45%)，但并未说明三条曲线的提取方法和代表意义。
文献[11]对上述耐受曲线范围进行了相应说明，并根据PLC电源模块中直流侧电压变化分析了影响机理，给出了数学模型。文献[12]选取5个典型PLCs进行了电能质量扰动试验研究。在电压暂降试验部分，按照PLC故障形式提取每个试品的“系统故障曲线”和“CPU故障曲线”。试验结果表明多数PLCs的I/O模块对电压暂降比其PLC系统更敏感。
文献[13]讨论了PLC不同模块的电压暂降敏感度。以6个典型PLCs为试验对象，分别对其电源模块、I/O模块施加暂降信号，并用测量仪器观测CPU模块运行状态。试验结果表明不同PLCs电压暂降敏感度差别较大，而且PLCs可能会因I/O模块受到电压暂降影响而输出错误控制指令。
文献[14]按PLC不同供电方式进行了相应电压暂降敏感度试验，指出使用暂降耐受性能更好的直流电源供电能明显提高PLC暂降耐受性能。值得说明的是，以上案例调研、试验均是EPRI在数年前针对美国电能质量问题所做的工作。
国内有关电压暂降研究的文献很多，其中相当一部分文献会提及PLC对电压暂降事件非常敏感，但绝大多数仅是简单说明或直接引用早期结论而未进行实质性的研究工作。文献[15,16]给出了工业低压电气设备的电压暂降和短时中断抗扰度试验的各种规范。
文献[17]讨论了PLC控制系统常见的干扰形式，指出大型电力设备起动、电网短路等因素会对PLC电源模块造成干扰，严重时甚至会使运行中的PLC出现死机现象。文献[18]提到当电压低于80%额定电压时，PLC就会发生指令紊乱甚至停止运行。
另外，文献[19]说明PLC产品已有过多次更新，国产PLC开始占据一定市场；其技术也已渐趋成熟，其中控制功能完善、运算速度提高、通信联网能力加强以及功耗降低等是目前PLC最主要的技术特点。
综上所述，国外对PLCs电压暂降敏感度的试验研究集中在数年前，考虑的电压暂降特征量少，而国内则缺乏实质性研究。并且国内外PLC正常工作电压不同，早期典型PLC的暂降耐受特性并不一定适用于目前国内主流的PLC。
为此，本文在早期试验研究基础上，选取四个主流品牌PLCs，搭建试验平台，给PLCs电源模块施加各种暂降信号，考察电压暂降基本特征量、暂降起始点相位、奇次谐波含有率、多重暂降、不同供电电压以及PLC自身特性如I/O点数、直流侧电容容量等对PLC电压暂降敏感度的影响程度；通过大量试验数据，提取各试品暂降敏感度曲线和综合描述目前PLC耐受特性的拟合曲线，并与早期的试验曲线的差异进行比较分析；研究结果可为目前主流PLC电压暂降敏感特性的分析提供依据。
图4 试验电路
结论
本文对PLC工作原理及供电模块进行了简要说明，给出了电压暂降影响PLC运行的机理分析。并挑选四种品牌5个PLCs作为试验试品，以Chroma 61860为暂降发生源，搭建试验平台，考察了多个因素对PLC电压暂降敏感度影响情况。通过PLCs电压暂降敏感度试验研究，得到如下试验结论：
1）PLCs均能对暂降幅值不低于32%的暂降事件免疫，其电压暂降敏感度较低。当供电突然中断时多数品牌PLCs仍能继续正常运行450ms以上。在不考虑个别品牌情况下，多数品牌PLCs电压暂降敏感度差别不大，对应暂降敏感度曲线均近似呈“矩形”。
2）虽然PLC I/O点数多少与PLCs电压暂降敏感度差异无直接关联，但基本能决定PLCs消耗功率大小。增加PLC直流侧电容容量有助于改善PLC电压暂降耐受性能，效果较为明显。然而，若要从PLC自身特性考虑以降低其暂降敏感度，应综合考虑PLC设计与生产工艺、直流侧电容容量、电源电路结构、成本体积等因素。
3）电压暂降起始点相位、多重暂降等因素对PLC电压暂降敏感度几乎无影响，而连续暂降、供电标称电压大小、供电电压含不同次谐波对其有一定影响。供电标称电压越高，PLC电压暂降耐受性能越好；PLC电压暂降耐受性能会受供电电压中3次、5次谐波影响，当3次、5次谐波含有率较高，谐波相位越靠近0°或者180°时，影响越明显。
在市电等级一定条件下，电压暂降幅值与持续时间是影响PLC暂降敏感度最主要的因素。然而，国内外市电等级可能存在不一致，早期国外PLC暂降试验结论不一定适用于国内情况。