基于PLC的供电系统分时段节能控制研究.pdf

电 气 自 动 化 } 2 0 1 0 年 第3 2 卷第1 期 设 计 实 例 ．De s i gn I d e a s 基于 P L C的供 电系统分时段节能控制研究 R e s e a r c h o n T ime - s e g m e n t e d E n e r g y s a v in g C o n t r o l o f P o w e r S u p p ly S y s t e m B a s e d o n PL C 淮海工学院 电-TT程学院 江苏 连云港 2 2 2 0 0 5 秦绪平 H u a i h a i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， L i a n y u n g a n g J i a n g s u 2 2 2 0 0 5 ， C h i n a Q i n X u p i n g 摘要 许多用电负荷具有波动大 、 呈周期性变化等特点 ， 如果采用一 台变压器供电， 会导致变压器运行效率的降低 ， 浪费大量的电能 。 如 果采用两台变压器分时段切换控制供电 ， 可以达到节能 的目的。文章以某学校供电系统为例 ， 详 细阐述 P L C在校园供电系统分 时段节能控制中的应用 ， 给出了程序流程图和部分 P L C控制程序。对于其它具有类似变化规律的负荷， 具有参考意义。 关键词 P L C 供电系统分时段控制节能 Ab s t r a c t S o me e l e c t r i c i t y l o a d f l u c t u a t e g r e a t a n d p r e s e n t t h e c h a r a c t e r i s t i c o f p e r i o d i c i t y c h a n g i n g e t c ．Wh e n a d o p t i n g a t r a n s f o r me r p o w e r s u p p l y w i ll c a u s e t h e r e d u c i n g o f t h e t r a n s f o r me r o p e r a t i o n a l e f fi c i e n c y a n d wa s t e a l a r g e a mo u n t o f e l e c t r i c e n e r g y ． A d o p t i n g t w o t r a n s f o r me r s t h a t a r e t i me s e g me n t e d c o n t r o l l e d c a n a c h i e v e t h e p u r p o s e o f e n e r g y s a v i n g ．T h i s p a p e r i l l u s t r a t e s i n d e t ml t h e a p p l i c a t i o n o f P L C i n t i me - s e g me n t e d c o n t r o l o f c a mp u s p o we r s u p p l y s y s t e m． T h e p r o g r a m fl o w d i a g r a m a n d s o me P L C c o n t r o l p rog r a m a r e p r o v i d e d ．T h i s r e s e a r c h h a v e me a n i n g o f c o ns u l t i ng f o r o t h e r l o a d s s i mi l a r t o v a r i e t y l a w． Ke y wor ds PL C po we r s u p pl y s y s t e m t i me s e g me n t e d c o nt r o l e n e r g T s a v i n g 【 中图分类号 】 T P 2 7 3 【 文献标识码] B[ 文章编号 ] 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 0 0 1 0 0 7 6 ． 0 3 1 引言 随着社会的不断进步 与科学技术 的不断发展 ，人们越来越认 识到能源的重要性 ，要从根本上解决能源问题 ，除 了寻找新 的能 源 ， 节能是 目前最直接有效 的重要措施之一 。通过努力 ， 人们在节 能技术 的研究和产品开发上都取得 了巨大的成果。 节 约电能 ，除 了加强人们 的节能意识 教育和加强用 电管理之 外 ， 积极采用技术节能更是行之有效的途径 。日常生活中， 许 多用 电部门如学校、 居民小区和部分厂矿企业 ， 用电负荷具有很明显 的 特点， 如昼夜负荷落差大 、 呈周期性变化等 ， 根据这些特点 ， 本文对 相关供 电系统进行 了电气改造 ，通过对两台变压器实行基于 P L C 的分时段控制 ， 达到 了节能的 目的。 2 供 电系统节能的途径 许 多用 电单位 如学校 、 居民小 区等 的负荷变化具有明显 的 周期性 ， 且落差较大。对于学校 ， 负荷比较集 中的时间是 7 O 0 1 6 0 0 ， 负荷率在 7 0 ％左右 ， l 6 o 0以后部分 教师下班 ， 学生下课 ， 负荷率降至 4 0 ％左右，而 2 l 3 O以后随着教室关闭和学生的就 寝， 负荷降到了最低点， 变压器的负荷率也只有 2 0 ％左右， 同时， 学校在周末和寒暑假期 大约 1 5 0天 ， 负荷率也会很低 。 对 于居 民 小 区， 早晨 6 0 0 8 0 0 、 中午 1 1 0 0～1 4 O 0以及 晚上 1 7 0 0～ 2 3 0 O ， 负荷率最高 ； 而在其 它时间 ， 随着小区居民的外 出工作和就寝 ， 变压器的负荷率变的很低 。 供电系统 中变压器 的效率和损耗是与其负荷率相关 的，其关 系如图 1 所示 “ l 。从图中可 以看出 ， 负荷率在 5 0 ％ 6 0 ％之间效 率最高。变压器的损耗包括铁损和铜损两部分 】 ， 其中铁损只取 7 6 l Ele c t r i c a l Au toma t i o n 决 于变 压器的材料 和 制作 工艺 ，与负荷 无 1 0 0 关 ， 即铁损为常量 ； 而 一R 0 铜损却 和负荷率 的平 方成正 比 当负荷率 竣 b U 降低时 ， 铜损减少 ， 而 4 O 变压器 的铁损并 未减 少 ，它有 可能成 为损 耗的主体 ， 因此 ， 供电 系统节能 的途径就 是 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 负荷率 ％ 要尽 量避免 变压器 的 图 1 变压器的效 率特性 低负荷率运行和空载运行 ， 以减少不必要 的损耗 。 根据用电单位负荷周期变化的特点，在不同时段选择合适的 供电方式，可以提高变压器的负荷率，从而实现节能的目的。例 如， 某学校由两台变压器供电， 可以选择分时段运行， 即在负荷高 的时段 7 0 0～ 2 1 3 O 由两台变压器同时供电， 而在负荷低的时段 2 l 3 0 7 o 0 、 周末和节假 日 由一台变压器集中供电， 这样既可 以省掉一台变压器的铁损，又可使另一台变压器运行在较高效率 区间， 从而达到节能的目的。在论文 [ 1 】 中， 采用两台 6 3 0 K V A变 压器交替运行与选用一台 1 2 5 0 K V A变压器独立运行相比较， 一年 可节约 1 4 3 8 0 K W h的电能， 3 5年即可收回多余投资， 具有较 大 的社会效益和经济效益。 校园负荷具有典型的周期性变化的规律 ， 本文以某学校供电系 统为例 ， 详细阐述 P L C在校园供电系统分时段节能控制中的应用。 3 供电系统主回路 】 O KV 出线出线出线 联络线 出线出线出线 图 2 供电系统主回路 设 计 实 例 ．D． ． ． ． ．e． ． ． ．s．．．．i．g． ． ． ．n． ． ． ． ． ． ．I．．d．．．．e． ． ． as 某 学 校 供 电 系 统 主 回路 如图 2所示 。 该 供 电 系 统 选 用 两 台 变 压器 。 根据上面 分 析 的 节 能 供 电方式 ， 在负荷 高 时 由两 台 变 压 器同时供 电 ， 而 在 负 荷 低 时 由一 台 变 压 器 集 中供电 。 实现 对变压器的切换运行 ， 实 际就是对 Q F 1 、 Q F 2 、 Q F 3 、 Q F 4以及联络 开关 K M进 行协调 控制 。当需要 两台变压 器 同时供电 时 ，Q F 1 、 Q F 2 、 Q F 3和 Q F 4均闭合 ， K M 断开 ； 当需 要一台变压器集中供电 时 ， Q F 1 、 Q F 2或 Q F 3 、 Q F 4中的～组和 K M闭合 ， 另一组断开 ， 同 时 ， 还应该可以人为地选 择由哪～ 台变压器集 中供 电。 1 0 ．0 Q O ． 0 1 0 ． 1 QO ． 1 QO ． 2 1 0 ． 2 1 0_ 3 Q o I 3 1 0 ．4 QO ．4 l M l L 图 3 P L C外部接 线图 4 P L C 的接 线 本 设 计 选 择 s 73 0 0 P L C 。 P L C的 接线如图 3 所示 。 S B 1为 启 动 按 钮 ， 按下该按钮时 ， 系 统启动并 自动进 入分 时段 自动 控制 模式 ， 此时在一天之中 ，负 荷高的时段 7 0 o～ 2 1 3 0 由两台变压器同时供电 ， 而在负荷低 的时段 2 l 3 0～7 0 O 由一 台变压器集中供电 ， 连续运行 5天后到达周末 ， 由一 台变压 器 供 电。按下 S B 1 时 ．必须先选择单 台集 中供 电方式 ，否则不 能启 动 。 转换开关 s s向右 4 5 。 选择 l 变压器单 台集 中供 电 ， 向左 4 5 。 选 择 2 变压器单 台集 中供电 。 在设计时 ， 还考虑到 了寒暑假期 低 负荷 和特殊情况 例 如要 求两变压器同时供电 的需要 。按下 S B 2时 ，进入低负荷运行模 式 ， 这时 由一台变压器集中供 电 ， 此操作需要手动切换 ； 当要求两 台变压器同时供电时 ， s s打到中间“ 0 ” 位 ， 此时进入高负荷运行模 式 ， 两台变压器 同时供 电， 此操作 也需要手 动切换 。 输 出端 Q O ． 0～Q O ． 3用于控制 Q F 1 、 Q F 2 、 Q F 3和 Q F 4的闭合 和断开 ， 0 0 ． 4用于控制联络开关 K M的闭合和断开 ，以实现对变 压器的切换。 5 P L C 中定时范 围的扩展 在本设计 中， 白天 7 0 0～2 l 3 0高负荷 ， 需要定时 l 4 ． 5 h ， 晚上 2 1 3 0～ 7 o 0 低负荷 ， 需要定时 9 ． 5 h ， 周末需要定时 4 8 h 2 天 ， 都需 要超长定时。 而在 S 7 3 0 0中定时器的最长定时时间为 9 9 9 0 s b l 4 ， 约 为两个多小时 ，显然不能满足需要 ， 必须对定 时器的定时范围进行 电气 自动化} 2 0 1 0年第 3 2卷 第 1期 “ O 定时器 图 4利用计数器扩 展定时器定 时范 围 扩展 。 为了解决这个 问题 ， 在编程时利用计数器和定时器的配合 ， 来 实现定 时时间的扩展 ， 达到了延长定 时的 目的。 如图 4所示 为利用 计数器扩展定 时器定 时范围的梯形 图，采用接通延时定时器 和减 计数器。 在梯形图中， 把定时器预置值设定为3 0 1 8 0 0 s ， 计数值设定为 2 9 。 计数器赋值语句前加 正边 沿触发指令 ， 保证计数器初值 只赋值 一 次 。 当3 0 mi n到 ， 定时器常开触点 闭合 ， 计数器 的计数值减1 ， 同时 M1 ． 1 线 圈得 电， 其 常闭触 点断开 ， 定 时器重新定 时。 每次定时时间 到， 计数值就减1 ， 直到计数值减为0 ， 此时计时时间为3 0 m i n X 2 9 1 4 ． 5 h ， 实现了白天 高负荷 1 4 ． 5 小时的定时。 当计数值减为0 时 ， 计 数器 的常闭触点闭合 ， M 0 ． 2 置⋯ 1 ’ ， 进入晚上 低负荷 定时状态 。 用 同样 的方法可实现晚上 9 ． 5 h和周末 4 8 h的定时 。 s 7 3 0 0中最多支持 5 I 2 个定 时器 ，最多允许使用 5 1 2个计 数器 ， 每个计数器计数值 可达 9 9 9 t ， 由此 可见 ， 只要设置合适的 定时器 预置值 和计数值 ， 超长定时的问题就可 以迎刃而解了。 图 5 P L C控 制程序流程 图 E le c t r ic a 1 Au t o ma t i o n I 7 7 H 电 气自 动 化 } 2 0 1 0 年 第3 2 卷第1 期 设 计 实 例 ．D．．．．．e． ． ． ．s． ． ． ．i．g． ． ． ． ．n． ． ． ． ． ． ．I ．d ． ． ． e．．．as 国 d h u蠡 ‘ n 吐矗t群 t l 吼I l I n d H Il p 一 x 1 lo I 计欺曩 ； c 0 l 0计数嚣，与0 触 器 台实现i 4 ． 刊、 时定时 2 l 1 耕 敢 叠 { c 1 ； c D 计 数器， 与l 定时器配 合实现 9 ． 5 ， J 、时定时 3 } 嚣计数嚣 c 2 ；； 面 F 聂器， 廊 _- 到厨 对夭薮许甄 ⋯ ⋯ ’ 、 ’ 4 晦骄鞭器⋯一 薯 ～ ⋯⋯3 - 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一 动 i ” M 2 ． 4 2 计数器 卜 P 卜 S C 卜 C 5 0 ． 2“ 1 计数器 “ 2 计 数器 M o ． 3 图 8 设置 2 计数器 负荷具有典型的周期性变化规律， 对于其它具有类似规律的负荷， 具有参考意 义 参考文献 f l J 刷芝 峰． 变压器的合理使用 与节能 【 J 】 ． 变压器， 2 0 0 7 ， 4 4 4 5 4～5 5 。 【 2 ] 李 发海． 王岩． 电机与拖 动基础 【 M] ． 北京 清华大学出版社， 1 9 9 4 ； [ 3 I 廖 常初 大中型 P L C应用教程【 M】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 4 l 西 门子公司． S T E P 7 编程手册 【 G】 ． 2 0 0 4 ． [ 作者简介】 秦绪平 1 9 7 7 一 ， 男， 山东日照人， 讲师， 硕士， 主要从事电力 电 if - 与 电力 传 动 方 面 的研 究 。