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PLC在变电所自动装置中的应用
PLC在变电所自动装置中的应用
摘要:
随着计算机在社会领域的渗透,PLC的技术正在不断地走向深入,同时带动传统控制检测日新月益更新。
本论文基于PLC在国内外钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、及各个领域需求,解决了许多难题。
系统设置、可靠性高、抗干扰能力强。
在实时检测和自动控制的PLC应用系统中,PLC往往是作为一个核心部件来使用,仅PLC方面知识是不够的,还应根据具体硬件结构,以及针对具体应用对象特点的软件结合,以作完善。
通常情况下,为了保证正常供电,在冶金、化工、铁路牵引等对供电可靠性要求较高的用户,均采用双路供电方式,当一路电源失压或变压器发生故障时,便投入备用电源。
电力系统架空线路上的短路故障大多数是“瞬时性”的。
对于这类瞬时性故障而跳闸的线路,如能在故障消失后迅速恢复送电,则可大大提高供电的可靠性。
为此,在线路中采用了自动重合闸,当断路器跳闸后,能够自动将断路器重新合闸。
本文介绍了以PLC为核心,对某变电所的备用电源自动投入装置及自动成合闸进行了控制的应用,简述了PLC的性能特点,详细阐述了备用电源自动投入装置和自动重合闸的实现。
关键词:
PLC;备用电源自动投入;自动重合闸
PLCinSubstationSutomaticDeviceinApplication
Abstract:
alongwithcomputerpenetrationinthesocialsphere,PLCtechnologyisconstantlydeepening,ledthetraditionalcontroltestatthesametimeeverupdated.ThispaperbasedonPLCindomesticandforeignsteel,petroleum,chemical,electricpower,buildingmaterials,machinerymanufacturing,automotive,andvariousareasofneed,tosolvealotofproblems.Systemsettings,highreliability,strongantiinterferencecapability.Inreal-timedetectionandautomaticcontrolofPLCapplication,PLCisoftenusedasacorecomponent,onlythePLCknowledgeisnotenough,shouldbebasedonspecifichardwarestructure,andthespecificcharacteristicsofthetargetapplicationsoftware,tomakeperfect.Typically,inordertoensurethenormalpowersupply,inthemetallurgical,chemical,railwaytractiononthepowersupplyreliabilityrequirementsforhigheruser,adoptdualpowersupplymode,whenapowerlossofpressureortransformerfault,throwsastandbypowersupply.Powersystemshortcircuitfaultontheoverheadlinemostis"instantaneous".Forthistypeoftransientfaultandtrippingcircuit,ifthefaultdisappearsrapidlyafterrestoringpowersupply,cangreatlyimprovethereliabilityofpowersupply.Therefore,inlinewithautomaticreclosing,whenthetrippingofthecircuitbreaker,breakertoswitchtoautomatically.ThearticleintroducedtothePLCasthecore,ofanelectricsubstationstandbypowerautomaticinputdeviceandautomaticswitchingofcontrolapplications,thispaperintroducedthePLCcharacteristic,elaboratedindetailofstandbypowerautomaticsupplydeviceandtherealizationofautomaticreclosing.
Keywords:
PLC;standbypowerautomaticinput;automaticreclosing
目录
1.概述1
1.1选题意义及依据1
1.2课题研究内容及要求2
2.PLC简介2
2.1可编程控制器简介2
2.2可编程控制器与其他工业控制系统的比较3
2.3继电器控制3
3.自动重合闸简介4
3.1认识自动重合闸装置4
3.2重合闸装置的分类4
3.3传统的自动重合闸装置6
3.4提出用新的方法来改进传统自动重合闸装置的不足7
3.5对自动重合闸的一些基本要求7
4.备用电源自动投入装置简介8
4.1备用电源自动投入装置的背景及意义8
4.2备用电源自动投入装置的现状与发展8
4.3备用电源自动投入装置的要求9
4.4断路器的控制9
4.5备用电源自动投入原理电路11
5.硬件设计11
5.1自动重合闸硬件设计11
5.1.1PLC型号选择及I/O端子分配11
5.2备用电源硬件设计13
5.2.1电路接线13
5.2.2PLC选型13
6.软件设计16
6.1自动重合闸软件设计16
6.1.1控制过程流程图分析16
6.1.2PLC控制的自动重合闸梯形图设计17
6.1.3工作原理分析17
6.2备用电源软件设计19
6.2.1控制过程流程图19
6.2.2PLC控制的备用电源自动投入装置梯形图设计20
6.2.3工作原理分析21
7.结束语23
参考文献24
致谢25
附录26
附录一:
输入输出点代号及地址编号26
附录二:
PLC输入输出接线图27
附录三:
变电所高压侧主结线图28
附录四:
PLC控制梯形图29
PLC在变电所自动装置中的应用
1.概述
1.1选题意义及依据
等级也不断扩近几年来,工业企业对供电可靠性及电能质量的要求越来越高。
电网容量和电压大,电网结构也变得越来越复杂。
220kV输电线路,由于其具有电能输送效率高、输送距离较适中等优点,被广泛应用到区域配电网建设中,成为区域经济生产发展的重要能源支柱。
电能供电质量水平要求的进一步提高,对电网供电可靠性也提出更苛刻的要求。
电力系统中通常采用继电保护装置实现纵联差动保护来快速准确的操作分支运断路器切除输电线路故障或事故分支节点,防止事故的进一步扩大。
由于计算机技术的高速发展,一些大型工业企业已实现了对其各级变电站进行远方集中控制,企业内部的分散变电站实现了无人值班。
但在实际运行过程中发现,220KV输电线路所发生的绝大部分故障均是临时或者瞬时性的,对于这类瞬时性故障而跳闸的线路,如能在故障消失后迅速恢复送电,则可大大提高供电的可靠性。
因此,可以利用自动重合闸装置在线路发生故障通过继电保护装置跳闸后,延时操作断路器重新合闸以恢复输电线路供电,提高输电线路综合供电质量水平。
这给自动重合闸装置提供了良好的发展平台。
传统的自动重合闸装置由各种继电器及控制开关构成,由于连接导线繁多,继电器的寿命有限,容易发生装置的误动和拒动,影响电力系统的可靠性,其定时单元由机电式或晶体管式时间继电器构成,误差大且调整不方便,影响上下级保护装置动作时限的配合;装置的功能单一,不利于实现电力系统自动化,且体积大,有色金属消耗多,噪音大。
PLC是一种性能较好的控制器,在恶劣的工作环境下能可靠地工作,其平均故障时间间隔(MTBF)在5~10000h以上。
用PLC实现自动重合闸,可用其内部已定义的各种辅助继电器代替传统的机械触点继电器,通过软件编程方式用内部逻辑关系代替实际的硬件连接线,从根本上简化动作的物理链条。
从继电过流保护动作启动开始,仅经过PLC的逻辑处理后就可直接发出重合闸动作信号,动作过程无触点参与。
PLC控制方式既克服了使用传统继电器所带来的种种弊端,又兼容传统继电器的设计思想和技术方案。
而且PLC构成的自动重合闸装置调试简单,组态灵活,可靠性高,具有扩展性,且具有连线简单,工作可靠,便于调试、调整和维护,可实现远程通讯。
因此,PLC构成的自动重合闸装置具有广阔的应用前景。
为保证供电的可靠性,电力系统经常采用两个或两个以上的电源进行供电,并考虑相互之间采取适当的备用方式。
当工作电源失去电压时,备用电源由自动装置立即投入,从而保证供电的连续性,这种自动装置称为备用电源自动投入装置,简称AAT。
备用电源自动投入是保证电力系统连续可靠供电的重要措施。
1.2课题研究内容及要求
该课题主要将可编程控制器(PLC)用于中小型变电所电力系统中的备用电源自动投入装置和自动重合闸控制装置,提高目前供电控制装置的可靠性和安全性。
该课题要求将可编程控制器(PLC)用于中小型变电所电力系统二次回路中的控制,用可编程控制器取代二次回路中的备用电源自动投入装置和自动重合闸控制装置等,通过PLC程序控制,提高目前供电控制装置的可靠性和安全性,该课题根据目前中小型变电所电力系统中的电力系统中主控室中的信号、控制及保护装置所存在的问题来拟定的。
要求了解备用电源自动投入装置和自动重合闸装置的基本原则和操作要求,掌握备用电源自动投入装置和自动重合闸装置的工作原理,对备用电源自动投入装置和自动重合闸装置进行设计包括选择适合的可编程控制器(PLC)型号,给出硬件设计和软件程序,以满足功能要求。
根据控制要求,制定可编程控制器的输入输出控制接线,可编程控制器控制梯形图以及变电所相关的主接线图。
2.PLC简介
2.1可编程控制器简介
自从1969年美国研制出世界上第一台PLC以后,日本、德国、法国等国相继研制了各自的PLC,受到工业界的重视。
20世纪70年代中期,可编程控制器进入了实用化阶段。
在PLC中全面引入微计算机技术,使PLC产生了飞跃,功能日趋完善。
在逻辑运算功能的基础上,增加了数值运算、PID调节等功能,提高了运算速度。
PLC的小型化、价格低、高可靠性,确定了它在现代工业中的位置。
20世纪70年代末和80年代初,可编程控制器进入了成熟阶段,向大规模、高速度、高性能方向发展,形成了多种系列化产品,编程语言也发展成熟。
我国在20世纪70年代末和80年代初开始引进PLC,到80年代中期,PLC已广泛应用于冶金、化工、机械等工业部门。
我国早期独立研制并有地定影响的单位有北京机械工业自动化研究所、上海工业自动化仪表研究所、大连组合机床研究所、成都要,机械机床电器研究所、中科院北京计算所及自动化所、长春一汽、上海起重电器厂、上海香机电公司上海自力电子设备厂等单位,但是以上诸单位都没有形成规模化生产。
随着改革环节放,涌现出的生产PLC的厂家有;辽宁无线电二厂引进德国西门子技术生产S5-101U、S5-115系列PLC;中美合资的厦门A-B公司生产的PLC-2、PLC-5等系列PLC。
据有关资料统计,1996年,国内销售9万台(套)PLC,其中进口8万台(套),各大厂家所占的份额如下:
a.西门子:
20.83%;
b.莫迪康(施耐德)、A-B(罗克韦尔)、欧姆龙:
各14.58%;
c.三菱:
8.33%;.
d.通用电气:
6.25%;
e.富士电机:
4.17%;
f.其他品牌:
4.16%。
2.2可编程控制器与其他工业控制系统的比较
基于微处理器的工业控制系统目前广泛应用的工业控制系统主要有:
a.常规集散控制系统(distributedcontrolsystem,DCS);
b.可编程控制器PLC构成的控制系统;
c.工控计算机(industrialpersonalcomputer,IPC)。
A.集散控制系统
DCS是由回路仪表控制系统发展而来,在模量处理、回路调节方在具有一定优势。
自1975年HENEWELL公司推出第一台DCS后,目前有近百家厂商生产DCS,约有一万套DCS在运行。
DCS已成为大型电厂自动控制的重要手段,但是DCS作为生产过程的控制手段也在发生变化。
a.DCS将变处更有较,不受功能或范围的限制,与自动化信息系统紧密结合,成为整个信息系统的一部分。
b.为使多种计算机系统互联和通信,实现机间通信协议标准化、数据信息和资源共享,DCS彩开放式工业计算机系统,构成网络系统,实现分级控制功能。
B.可编程控制器控制系统
PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来,它在数字处理、须序控制方面具有优势,PLC是为间歇生产和机械加工而一种专用计算机。
PLC可采用BSDLC语言、C语言、符合逻辑流程和梯形图编程,具有复杂的数学运算、数据处理、统计报表、PLD控制及处理模量等功能,其是其性能价格比很好因此PLC已成为工业控制的主要组成部分。
a.PLC吸收DCS的优点,在算法上增加了模量运算、PLC运算、累积加法运算和电机算法运算,同时还增加了各种模量模块及相应的补尝、滤波、校正、报警等功能。
b.PLC的结构向网络化方向发展,PLC的站间形成了网络,加增强了通信,可由主站协调各子站进行操作管理和CRT集中监视。
2.3继电器控制
PLC的梯形图与继电器控制线路图十分相似,主要原因是PLC梯形图的标注大致上沿用了继电器控制的电器元件符号,仅个别处有些不同。
同时,信号的输入/输出形式及控制功能也是相同的,但PLC的控制与继电器的控制又有不同之处,主要表现在以下几个方面。
A.控制逻辑:
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑,利用继电器机械触点的串联与并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑,其接线多而复杂,体积大,功耗大,一旦系统构成后,想再改变或增加功能都很困难。
另外,继电器触点数目有限灵活性和扩展性很差
B.工作方式:
当电源接通时,继电器控制线路中各继电器都处于受约状态,既该吸合的都应吸合,不该吸合的都应受某种条件限制不能吸合。
而在PLC的控制逻辑中,各继电器都处于周期性循环扫描接通之中,从宏观上看,每个继电器受制约接通的时间是短暂的。
C.控制速度:
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制,工作频率低。
角点的开闭动作一般在几十毫米数量级,另外,机械触点还会出现抖动问题。
而PLC是由程序指令控制半导体电阻来实现控制,速度极快,一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级。
PLC内部还有严格的同步,不会出现抖动问题。
D.可靠性和可维护性:
继电器控制逻辑使用了大量的机械触点,连线也多,触点开闭合时会受到电弧的损坏,并有机械磨损,寿命短,因此可靠性和可维护性差。
而PLC采用微电子技术,大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成,它体积小、寿命长、可靠性高。
PLC还配有自检和监督功能,能、检查出自身的故障,并随时显示给操作人员,还能动态的监视控制程序情况,为现场调试和维护提供了方便。
3.自动重合闸简介
3.1认识自动重合闸装置
自动重合闸装置(ZCH)又称自动重合器,是用于配电网自动化的一种智能化开关设备,它能够检测到故障电流、在给定时间内断开故障电流并能进行给定次数重合的一种“自具”能力的控制开关。
所谓“自具”是只重合闸装置本身具有故障电流检测和操作顺序控制与执行的能力,无需附加继电保护装置和另外的操作电源,也不需要和外界通信。
当线路发生短路故障时,它按顺序及时间间隔进行开断及重合的操作。
当遇到永久性的故障,在完成预定复位才能解除闭锁。
若重合失败,则闭锁在分闸状态,把事故区段隔开;当故障接触后,需要手动复位才能解除闭锁。
如果是瞬时性故障,则在循环分、合闸的操作中,无论哪次重合成功,则终止后续的分、合闸,并经过一定延时后恢复初始的整定状态,为下次故障的来临做好准备。
重合闸装置课按预先整定的动作顺序进行多次分、合闸的循环操作。
3.2重合闸装置的分类
按照不同的的分类标准,重合闸装置有如下一些分类:
A.按相分类——单相和三相
两者动作原理类似,使用时根据配电网结构不同而进行选择,对于三相中性点不接地系统,一般不宜采用单相重合闸装置,否则造成非三相运行;单相重合器主要用于中性点直接接地系统,允许电气设备作为单相运行。
B.按结构分类——整体式和分布式
所谓整体式是指重合闸装置中得断路器本体与其控制部分是密不可分的。
整体式重合闸装置采用高压(10KV)操动机头,可用于户外10KV电杆上,无需另外的操作电源,直接由所控制的10KV线路供给;但因为采用高压合闸线圈,对绝缘水平要求高,有时会因绝缘水平难以保证导致线圈发热,匝间绝缘损坏,造成重合闸装置爆炸的事故。
所谓分布式是指重合闸装置采用积木式结构,例如本体、操动机构、控制电路是分开的3个部分。
分布式重合闸装置采用低电压(220V)操动机构,这样避免了高压电源进行调试的复杂性和危险性,安装、检修都较为方便。
C.按灭弧介质分——油、真空、SF6
油重合闸装置出现的最早,运行历史最长,一般采用液压控制。
油重合闸装置有两个固有缺点:
因油属非自恢复绝缘介质,故其维修较频繁,至少3年需要换油、检修一次;有火灾危险。
现在来看其技术相对落后,国内已基本淘汰。
真空灭弧室于20世纪60年代用于重合闸装置设计。
真空灭弧室的有点是开断寿命长,无需检修,无火灾危险。
到了90年代后期,随着真空泡制造技术的飞速发展,真空重合闸装置已逐步成为国内外重合闸装置市场上的主流产品。
SF6重合闸装置将干燥的SF6充入密闭的开关本体中,作为开关设备的绝缘和灭弧介质。
SF6气体具有极好的绝缘和灭弧性能,但其分解物具有一定的毒性,其本身也是温室效应的主要因素之一,如果泄漏将会对人和环境造成一定的损害,因此做好开关箱体的密封和SF6气体的回收、处理工作。
D.按控制方式分类——液压控制、电子控制
液压控制有单液压系统和双液压系统两种。
液压控制的主要有点是简单、可靠、经济、耐用,不受电磁的干扰,这些优点对于农村电网和距离配电站较远的设备很有用。
液压控制的缺点,是保护特性无法做到足够稳定、精确和快速,选择范围窄,受温度影响较大,特性调整不方便等。
电子控制有分立电路和集成电路两种。
分立式电子电路与集成式电路相比,其优点是价格便宜,元件耐用,维修简单;其缺点是体积大,功能少,插件多,选择范围窄,调整不便,可靠性差。
以集成电路为基础的微机控制于20世纪80年代应用于重合闸装置,其典型产品为英国的ESR型和PMR型重合器。
重合闸装置控制所用微机为单片机,其主要优点是体积小,功能强,重合器的分闸电流、分闸次数、操作顺序、分闸时延、合闸间隔、复位时间等特性的整定,都可以简单地在控制箱上通过控制面板整定,使用极为方便,这对改善保护配合,提高供电可靠性,提高运行自动化程度意义很大。
E.按重合闸的控制器安装方式分类
a.室外就地安装:
安装在断路器下面的水泥杠上;
b.集控态势安装:
室内集中控制,安装在集控台内;
c.集控屏式安装:
安装在集控屏内;
d.10KV配电线路:
安装在电杆上,并配有装用电源给重合闸装置供交流220V电源。
3.3传统的自动重合闸装置
A.电气一次自动重合闸装置的工作原理
a.自动重合闸基本原理的电器简图如图3-1所示。
图3-1自动重合闸原理电路
YR--跳闸线圈;YO--合闸线圈;KO--合闸接触器;KAR--重合闸继电器;
KM—保护装置出口触点;SB1—合闸按钮;SB2—跳闸按钮
手动合闸时,按下合闸按钮SB1,使合闸接触器KO通电动作,从而使合闸线圈YO动作,使断路器QF合闸。
手动跳闸时,按下跳闸按钮SB2,使跳闸线圈YR通电动作,使断路器QF跳闸。
当一次电路发生短路故障时,保护装置动作,其出口触点KM闭合,接通跳闸线圈YR回路,使断路器QF自动跳闸。
与此同时,断路器辅助触点QF3-4闭合,而且重合闸继电器KAR起动,经整定的时间后其延时闭合的动作触点闭合,使合闸接触器KO通电动作,从而使断路器QF重合闸。
如果一次电路上的短路故障是瞬时性的,及经消除,则可重合成功。
如果短路故障尚未消除,则保护装置又要动作,KM的触点闭合又使断路器QF再次跳闸,由于一次自动重合闸采取了防跳措施,因此不会再次重合闸。
b.电气式一次自动重合闸装置的工作原理分析
线路正常运行时,控制开关SA1和选择开关SA2都扳倒合闸(ON)位置,自动合闸装置投入工作。
这时重合闸继电器KAR中的电容C经R4充电,同时指示灯HL亮,表示控制小母线WC的电压正常,电容C处于充电状态。
当一次电路发生短路故障而使断路器QF自动跳闸时,断路器辅助触点QF1-2闭合,而控制开关SA1仍处在合闸位置,从而接通KAR的起动回路,使KAR中的时间继电器KT经其本身的动断触点KT1-2而动作。
KT动作后,其动断触点KT1-2断开,串入电阻R5,使KT保持动作状态。
时间继电器KT动作后,经一定延时,其延时闭合的动合触点KT3-4闭合,这
时电容C对KAR中的中间继电器KM的电压线圈放电,使KM动作。
中间继电器KM动作后,其动断触点KM1-2断开,使指示灯HL熄灭,这表示KAR已经动作,其出口回路已经接通。
合闸接触器KO由控制小母线WC经SA2、KAR中的KM3-4、KM5-6两对触点及KM的电流线圈、KS线圈、连接片XB/触点KM1的3-4和断路器辅助触点QF3-4而获得电源,从而使断路器QF重新合闸。
由于中间继电器KM是电容C放电而动作的,但电容C的放电时间不长,因此为了使KM能够自保持,在KAR的出口回路窜入了KM的电流线圈,借KM本身的动合触点KM3-4和KM5-6闭合使之接通,以保持KM动作状态。
在断路器QF合闸后,其辅助触点QF3-4断开而使KM得自保持解除。
在KAR的出口回路中串联信号继电器KS是为了记录KAR的动作,并未对KAR动作发出灯光信号和音响信号。
断路器重合成功以后,所有继电器自动返回,电容C又恢复充电。
要使自动重合闸装置退出工作,可将SA2扳倒断开(OFF)位置,同时将出口回路中的连接片XB断开。
B.电气一次自动重合闸装置电路中,采用了两项“防跳”措施:
a.在KAR的中间继电器KM的电流圈回路(及其自保持回路)中,串接了它自身的两对动合触点KM3-4和KM5-6,这样,万一其中一对动合触点被粘住,另一对动合触点仍能正常工作,不致发生断路器“跳动”现象。
b.为了防止万一KM的两对触点KM3-4和KM5-6同时呗粘住时断路器仍可能“跳动”,故在断路器的跳闸线圈YR回路中,又串接了防跳继电器KM1的电
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