基于PLC技术的中压环网柜备自投装置的设计.pdf

凰 应用技术 基于 P L C 技术的中压环 网柜备 自投装置的设计 万云鸿 霍海锋2 赵海 1 ． 昆明港汕南方开关有限公司2 ． 广州中浩控制技术有限公司 摘要本文介绍了基于可编程控制器P L C技术的各自 投装置的设计思路，通过对输入输出方式，逻辑判断 条件，软件编程等方面的分析 ，说明该装置在中压环 网柜备 自投控制功能方面的实际应用 ，最后展望该装 置的应 用前景。 关键词P L C ；环网柜；备自投；编程 1引言 为了顺应经济发展的要求 ， 我国南方电网集团提 出了城市供电可靠率R S ． 1 达到 9 9 ． 8 6 ％的考核指标Ⅲ。 因此很多小区的 l 0 l 一次系统一般设计为两路甚至 是三电源进线，以保证电源源头的供 电可靠性。而越 来越多的变电站实现了无人值守，为了使进线电源切 换快捷正确，一般采用电源备 自投装置。备自投装置 的作用就是实时监测进线电源状态，当其中某一电源 出现异常时，能断开该进线开关，闭合联络开关，以 另一路电源负担全部供电。 各 自投装置的功能可通过 微机继电保护装置实现，而性能优良的微机继电保护 装置价格较高，且每台开关柜需要配置一台，在大量 应用的情况下成本高昂。因此研发安全可靠、功能相 对简单但又价格低廉的备 自投装置就显得非常重要。 本文介绍的备 自投装置基于 P L C 技术，是集成 各种功能模块，应用于中压环网柜的智能产品。它主 要依据 G B 5 0 0 6 2 9 2 电力装置的继电保护和 自动装 置设计规范进行设计。 2设计要求 备 自投装置的设计理念是准确可靠地检测进线 电压和电流，采集相关的开关状态，正确判断进线电 源状态，通过逻辑程序输出正确的指令，控制相关中 压环网开关的分合，达到备用电源 自动投切的目的。 本文讨论的双电源进线供电结构为两路进线开 关，配合一个联络开关。备自投装置所控制的对象即 是上述三个开关。两进线一母联的开关组合，其运行 方式有母联备 自投和进线备 自投两种。顾名思义， 母联备 自投的运行方式下，母联开关是常开的，只有 当某一电源进线失压时， 断开该进线开关后才投入母 联开关。而进线备自投则是某一进线开关常开，作为 备用电源，母联开关常闭，对侧开关供电，只有当常 用的进线开关失压时才断开该开关 ， 闭合备用进线开 关，反之亦然。这三种模式控制方式类似，本文仅对 母联备 自投的方式进行论述。 采用母联备 自投运行的方式时， 备 自投装置控制 要点如下正常情况下，I 、I I 路电源正常，母联开关 打开，两路进线开关闭合；当 I 路电源失压，延时后 分开 I 路进线开关，确认其分开后闭合母联开关；此 时若 I I 路电源同时失压，则备 自投装置不动作；若 I 路电源先于 Ⅱ路电源有电， 则分开 I I 路进线开关， 之 后闭合母联开关；若 I 路电源后于 Ⅱ路 电源有 电，则 先分开母联开关，再闭合 I 路进线开关。I I 路电源的 控制逻辑类似。上述控制顺序综合汇总如表 1 所示。 表 l控制模式汇总 I 、I I 路电源供 电状况 动作步骤 I 、I I 路电源正常 I 、I I 路开关闭合，联络开关打开 I 路电源失压，I I 路电源有电 断开 I路开关，之后闭合联络开关 I路电源失压后，I I路电源也 装置不动作，维持 I 路开关打开、 失压 I I路开关和母联开关都闭合的状态 I路开关先来电 断开 I I 路开关，之后闭合 I 路开关 I路开关后来 电 断开联络开关，之后闭合 I 路进线 3系统分析与设计 3 ． 1设备结构及硬件分析 按照上述设计要求，在考虑满足性能的同时，还 要兼顾整体价格的平衡，因此各自投装置各个功能模 2 0 1 0 年第2 期自动化与信息工程 3 1 块的选型需要慎重考虑。智能控制系统不仅要完成 自 动控制的功能， 还要完成与底层设备输入输出控制[ 2 】 。 因此通过综合考虑，智能控制系统的核心设备选择德 国西门子公司的小型P L CS 7 2 0 0 C N系列的 2 2 4 X P C N型C P U模块。该设备配备有 2个R S 4 8 5通讯／ 编程 口，具有很强的集成与扩展能力[3 1 。各 自投装置的结 构示意图如图 1 所示。 t 0k V I J I , 皿 } X ‘ “L 一⋯___⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 图 l装置结构示意图 对进线电源的可靠检测将直接影响备 自投逻辑 的判断，因此检测模块的开发对装置功能的可靠性至 关重要。1 0 k V 进线不能直接测量电压和电流，只能 通过电压和电流互感器间接测量。一般来说 1 O k V的 电压互感器的变比为 1 0 0 1 ，即测量时二次侧电压约 为 1 0 0 V左右。常用的电流互感器二次侧输出电流为 5 A 或者 1 A。P L C 模拟量输入模块通常输入范围为 4 mA 2 0 mA，因此从电压／ 电流互感器输出的二次信 号仍需要再次处理成为 4 mA 2 0 mA信号。 P L C的AI 模块主要起到对模拟信号进行 A ／ D转换， 变成数字之 后给 P L C程序使用。 输入输出控制模块负责采集开关分合闸状态、 小 车工作位置、地刀状态，并且控制开关柜的电机实现 开关的分合闸控制。 不同的环网柜提供的开关量点数 也不同。按照最简单的控制逻辑，每个环网柜至少需 要接入 3 个 DI 量及 2个 DO量，分别是分闸状态、 合闸状态、地刀位置以及分闸控制、合闸控制。此外 还应设计备 白投投入／ 退出信号。 两进线一母联的供电 方式至少需要 l 0 个 DI 点及 6个 D O点接入到备 自投 装置。环网柜电机的电源一般有交直流 4 8 V，1 0 0 V， 3 2 2 2 0 V， 因此各 自投装置的输出接点应具备上述电压等 级的直接通断能力。 从图 1 可看出，三相电压、三相电流信号以及开 关状态作为输入信号，提供给程序必要的信息，作为 程序进行逻辑判断的条件。 经过设定特定的备 自投程 序，C P U 控制 D O 输出，进而控制电机分合闸控制 回路的通断，达到正确的自投或 自投 自复动作。 3 ． 2逻辑控制原理及 P L C编程实现 使用与西门子 7 - 2 0 0 配套的编程软件 Mi c r o Wi n 实现既定的模块组态配置及控制逻辑编程。 对于备自 投逻辑控制的关键点在于电源是否正常的检测，也是 开关是否动作的重要前提条件之一。 装置对电压的判 断会出现两种情况P T 断线失电；正常进线电源失 电。下面首先对 P T断线进行分析，然后分析正常失 压程序，最后叙述备 自投逻辑判断原理及编程实现。 1 、P T断线原理及逻辑。系统进线电源正常 的前提下，如果电压互感器 P T出现断线时，会出现 电压信号为零的情形 ，此时设备除了不能误动作之 外 ， 还 应 输 出 P T 断 线 的 厂 ] 故 障 信号 。 P T 断 线的 逻 峰 兰 兰 J ， II 辑 框 图 如 图 2 所 示 。 I l l I 从 图 2 啊看 出 ’ l＆ 在 断 路 器 处 于 合 闸 位 置坚 ．J l 的前提下，只要有一相 l J l I 电 压 小 于 设 定 的 额 定 电 l 压 1 0 ％的门限值，并且 图2 P T断线判断逻辑框图 只要有一相 电流大于额 定电流的 1 0 ％，则可以判断至少有一相 P T断线情况 发生，经过一定的延时之后，输出 P T断线的故障报 警。之所以设定电流的 1 0 ％，是考虑到电流传感器检 测的激活门限， 实际应用时可根据传感器曲线特性调 整。 上述逻辑框图在程序逻辑中的具体表现如图 3 所 示。图 3中，Un p和 I n p可以根据实际情况设置，延 时定时器 T 3 7触发的条件必须同时满足如下三个条 件至少 1 相失压、至少 1 相有电流，断路器合闸。 满足条件后延时 5 秒输出P T断线故障信息。 出现 P T 断线的情况时，备自投装置不能误动作。 万云鸿 霍海锋 赵海基于 P L C技术的中压环网柜备自投装置的设计 2、正 常进线 电源 失 电。在这种情 况下一般是三 相 电压、电流 皆降低 到零 。 因此，判断条 图3 P T断线逻辑判断程序 州 麓 H l ， 制 I 路 进 线 开 关广 I t I H 卜 口 分 断I 路 进 线。 E 卜 ’ 逻辑程序如图 5 图5进线开关分闸程序 I ● ● I e 帅 7 n 2 ■ { 酏 Oh1， 曲 LOn ’ 瓢 1 0 T4t r一 ～ ～ ～ ] 线是否有压作为分开母联的依据，上述程序经修改后 可以实现。通过设置不同约束条件，程序可以实现多 种控制方式，限于篇幅，本文不作讨论。 3 ． 3扩展功能设计 前文讨论了备 自投装置最基本也是最核心的控 制功能，为了扩展设备的用途，丰富产品内容，还可 以对本装置进行功能扩展，如增加分体式液晶显示 屏，修改电压电流转换模块使之直接适用于低压进线 开关的备自投应用等。 分体式液晶显示屏通过R S 4 8 5通信接 口与P L C 连接， 可以显示 系统电力参数及开关状态实时显示； 密码管理及开关操作；电流电压趋势 曲线图；系统运 行状态及告警信息显示【 4 J 。电力参数及开关状态实时 显示主要包括两路进线的三相电流、 相电压、 线电压、 进线及母联开关位置状态、接地开关位置状态等等。 密码管理及开关操作功能设计为需要输入正确密码 才能在触摸屏发出控制命令， 如控制模式及开关位置 的转换。电流电压趋势曲线图将三相电流、三相电压 的趋势曲线反映到人机界面，具有前后翻动显示或者 曲线保持的功能。人机界面还有系统运行状态及告警 信息汇总显示功能，方便操作人员及时陕速掌握系统 存在的问题。按照模块化设计思想，液晶显示屏作为 系统扩展功能，可以为用户按需配置。 4应用情况 中压环网柜备 自投装置采用模块化设计， 实时反 映中压开关的运行状态。在允许备 自投投入的情况 下，装置能够准确判断电源情况，并根据设定好的程 序完成电源的自动切换。备自投动作迅速正确，性能 可靠，价格比同类产品具有较大优势。与法国施耐德 继电保护装置 S e p a m 4 0 性能参数比较如表 2 所示 白投时间 可靠性 电流 电压 使用 价格 保护 保护 数量 各自投装置 可调， 最小 l O O m s 1 0 O ％ 无 有 1 2 0 0 0 0 S e p a m 4 0 。 可调， 最小 1 0 0 m s 1 0 0 ％ 有 有 3 1 5 0 0 0 0 本装置主要应用于两进线一母联的自投动作应 用场合，虽然没有针对 电流方面的保护，但是通过对 三相电流的采样可以有效监测是否存在 P T断线的情 2 0 1 0 年第2 期自动化与信息工程 3 3 况，确保了装置不会误动作。另外通过对上述三个开 关的分闸合闸状态的采集， 对相应的分合闸电机进行 分开控制也是保证开关动作正确的前提之一。 5结论 目前本装置己成功研发出样机， 并已开始应用于 大型楼盘中的中压环网柜， 如云南昆明银达大厦 S M6 环网柜控制工程 2 0 0 9 年 8月竣工、第一人民医院 环网柜改造项 目 2 0 0 9 年 9月竣工等。 经过实际应 用的验证，该装置已顺利通过现场测试，并开始有效 运行，得到了用户的好评。随着越来越多的城市电网 节点的兴建或技术改造， 本各 自投装置也将得到更大 范围的推广和应用。 参考文献 [ 1 ]1 林伟 强． 对 1 0 k V 配 网供 电可靠 性技术的探讨[ J ] ． 广东科 技， 2 0 0 9 ， 1 3 7 2 5 - 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2 7 【 3 】彭建， 崔更申， 陈岳林等． 基于嵌入式的无线条码扫描仪系统 的设计[ J ] ． 现代电子技术， 2 0 0 6 ， 2 0 9 9 1 0 1 The De s i g n a nd Appl i c a t i o n o f t he Ai r - c o nd i t i o n i ng Pr o du c t i o n Li ne De t e c t i o n S y s t e m Zh a ng Li pi n g A u t o ma t i o n E n g i n e e r i n g R M C e n t e r ， Gu a n g d o n g Ac a d e my o f S c i e n c e s Abs t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e d e s i gn b a c k g r o u n d o f t h e a i r - c o n d i t i o n i n g p r o d u c t i o n l i n e d e t e c t i o n s y s t e m，s y s t e m’S h a r d wa r e a n d s o ft wa r e f u n c t i o n a l s t r u c t u r e ， a n d t h e k e y o f t h e s y s t e m i mp l e me n t a t i o n ． T h e r e s u l t s s h o ws t h a t t h e d e s i g n e d s y s t e m i s s u c c e s s i n t h e f a c t o r y i n s p e c t i o n o f d i f f e r e n t t y p e s o f a i r - c o n d i t i o n i n g s ． Ke y W or ds Au t o ma t i c De t e c t i o n S y s t e m； A Wi d e Ra n g e o f Co mmu n i c a t i o n L i n k ； I mp r o v e Effic i e n c y 作者简介 张立平，女，1 9 8 1 年生，工程师，软件工程硕士，主要从事自动化工程的软件设计工作。 3 4