閥島技術在高壓大容量試驗室的應用

Application of Valve Terminal Technology

in High Voltage and Large Capacity Test Laboratories

陳國平1　郭文科2

(新疆科技學院阿克蘇籌建辦公室1，新疆 阿克蘇　843000；國網甘肅省電力公司電力科學研究院2，甘肅 蘭州　730050)

閥島技術在高壓大容量試驗室的應用

Application of Valve Terminal Technology

in High Voltage and Large Capacity Test Laboratories

陳國平1郭文科2

(新疆科技學院阿克蘇籌建辦公室1，新疆 阿克蘇843000；國網甘肅省電力公司電力科學研究院2，甘肅 蘭州730050)

摘要：高壓大容量試驗室頻繁的高電壓、大電流通斷試驗，使試驗室電磁環境復雜，不僅對搭接回路的隔離開關控制系統造成極大干擾，也對隔離開關的可靠控制提出了很高要求。分析了總線型閥島的Profibus通信協議的可靠性和保護機制、試驗室復雜電磁環境對閥島的干擾以及各種應對干擾的處理措施，研究了在高壓大容量試驗室利用總線型閥島可靠控制大量隔離開關的控制系統。根據控制對象的特殊性，設計了硬件系統和人機界面，解決了開關電器在強磁場下自動化控制困難的難題。

第一作者陳國平(1979-)，男，2012年畢業于蘭州理工大學電工理論與新技術專業，獲碩士學位，工程師；主要從事電氣設備在線故障診斷、高低壓電器測試系統、高低壓電器試驗技術的研究。

關鍵詞：閥島電器試驗高壓試驗室隔離開關PLC大容量試驗室

Abstract：The frequent high voltage, high current ON/OFF tests in high voltage and large capacity test laboratories make complex electromagnetic environment around the laboratories, and bring very large interference for control system of the isolation switches, and raise higher requirement of the reliability of the isolation switches. The reliability and protection mechanism of the Profibus communication protocol of bus type valve terminal; the interference of complex electromagnetic environment on the valve island; and various processing measures of the interference are analyzed, the control system for reliably controlling huge amount of isolation switches by adopting bus type valve terminal in high pressure and large capacity laboratories is researched. In accordance with the particularity of the control object, the hardware system and man machine interface are designed; the difficulty of automation control of switch appliances under strong magnetic field is solved.

Keywords：Valve terminalElectrical testsHigh voltage test labIsolation switchPLCLarge capacity test lab

0引言

隨著現場總線技術的飛速發展，氣動技術得到了廣泛應用，如德國FESTO公司發明了氣動型閥島技術并引入工程應用領域。閥島是多個電控閥構成的控制元器件，它集成了信號輸入/輸出及信號的控制。在帶現場總線的閥島組成系統中，每個閥島都帶有一個總線輸入口和總線輸出口，這樣當系統中有多個帶現場總線的閥島或其他帶現場總線的設備時，可以由近至遠串聯連接[1-2]。

利用總線連接的閥島，由于連線的減少可以大幅度節省接線時間和設備所占空間，使得維護更為方便[3]。目前，現場總線閥島配置了目前市場上所有開放式數據格式約定及主要可編程控制器廠家自定的數據格式約定。這樣，帶現場總線的閥島就能與各種型號的可編程控制器直接相連接，或者通過總線轉換器進行閥島連接。

高壓大容量試驗室可以進行高壓斷路器、高壓負荷開關、變壓器類等的短路試驗。不同試驗項目根據具體試驗要求有不同的試驗回路，回路搭接一般是由數量眾多的隔離開關來實現[4-7]。但高壓大容量試驗室頻繁進行高電壓、大電流的接通、開斷試驗，由此產生的復雜電磁干擾對隔離開關的控制造成很大影響，而隔離開關的因干擾造成的錯誤動作可能造成試驗室的巨大損失。因此，數量眾多的高壓隔離開關如何安全、可靠地控制，是值得研究的課題。

1控制對象

目前，高壓大容量試驗室一般采用電磁閥控制氣缸驅動隔離開關，而大容量試驗室頻繁開斷高壓大電流，會產生極大的空間電磁場干擾和線路上的高頻干擾，電磁干擾情況十分嚴重。電磁閥受到電磁干擾，誤動作比較頻繁。國內多家電器試驗室和歐洲的大型電器試驗室都發生過隔離開關誤分斷試驗大電流的事故，而這些事故大部分都是因電磁閥誤動作引起的[8-10]。為抑制各種干擾因素對隔離開關控制的影響，設計了一種安全可靠的隔離開關群控制系統。系統根據氣動控制系統的特性，將控制系統分為氣源、氣路與控制系統三個子系統。系統采用西門子S7-300為控制主設備，以Profibus-DP通信協議與閥島通信，閥島根據總線接到的指令，通過數字量輸出模塊控制氣路通斷，氣路控制隔離開關的分合。為保證隔離開關合分狀態的返回信號的可靠性，采用磁性開關來檢測隔離開關的合分狀態。其原理是：氣缸活塞上有一磁性環，當活塞運動到磁性開關位置時(此時隔離開關可能是合閘，也可能是分閘)，磁性開關才閉合。這樣隔離開關的和分閘狀態信號能夠可靠地返回，避免隔離開關狀態錯誤返回。

1.1　閥島的抗干擾

在大容量試驗室，最主要的干擾是試驗時開關合分閘回產生高頻干擾。因開關的合分閘時間很短，一般只有幾十毫秒，試驗室主回路中的電流和電壓會在極短的時間內發生變化，電壓電流越大，干擾越大，即du/dt和di/dt越大。大容量試驗室的試驗主回路一般是感性回路，突然切斷電流時u=-Ldi/dt，會產生極高的瞬態恢復電壓，產生電場干擾。在這過程中，一般會伴隨電弧放電，產生射頻干擾和主要通過電源和信號線引入的傳導干擾。在大容量試驗室這兩種干擾最為嚴重。

1.1.1Profibus通信協議可靠性

總線型閥島與PLC之間的通信協議遵循Profibus協議，所有信息的傳輸按海明距離HD=4進行。DP從站帶看門狗定時器，對DP從站的輸入/輸出進行存取保護。DP主站上帶可變定時器的用戶數據傳送監視，DP主站使用數據控制定時器對從站的數據傳輸進行監視。每個從站都采用獨立的控制定時器。在規定的監視間隔時間中，如數據傳輸發生差錯，定時器就會超時。一旦發生超時，用戶就會得到這個信息。如果錯誤自動反應功能“使能”，DP主站將脫離操作狀態，所有關聯從站的輸出置于故障安全狀態并進入清除狀態。這樣即使因電磁干擾發生數據傳輸差錯，關聯從站也處于故障安全狀態，隔離開關不會發生誤動作。

1.1.2干擾的處理措施

干擾一般是通過連接導線由端子串入控制系統，為此使用2 mm鋼板制作閥島箱機柜，以屏蔽磁場和電場的干擾。雙絞線的屏蔽層兩端接地。增加雙絞線和高壓母線之間的距離并盡可能減少平行長度，同時，應盡可能離開避雷器和避雷針的接地點、電容式電壓互感器、耦合電容器等高頻暫態電流的入地點，以減少感應耦合。

為防電擊或靜電放電干擾，閥島箱機柜的外殼應可靠接地。同時給閥島可靠的工作接地，閥島電源采用不間斷電源USP供電，以有效抑制電網低頻常態干擾，保證控制系統的安全連續運行。為防止氣源中心(空壓站)受到電磁干擾，在實驗室外修建氣源中心。

1.2　控制隔離開關的其他方式

最初，大容量試驗室一般是直接用繼電器控制隔離開關動作，但因電磁干擾嚴重，誤動作頻繁，目前已很少使用此種控制方式。20世紀初，大容量試驗室一般用電磁閥來控制小氣動閥的方法解決電磁干擾的問題，即利用氣動閥控制氣缸，以氣缸驅動隔離開關動作。為減小電磁干擾，電磁閥盡量遠離試驗場集中安裝。但這些設計無疑增加了控制的中間環節，降低了控制系統的可靠性。尤其是氣動控制系統，隨著設備使用年限的增加，其可靠性越來越低，維修量越來越大。

國外著名電器試驗室以及國內某些電器試驗室一般都采用PLC控制繼電器，由繼電器控制電磁閥控制氣缸。這種方法采用復雜的防止電磁干擾防治措施，包括接地、屏蔽、加裝濾波裝置等，但是隔離開關誤動作還是不能避免。國內某電器試驗室改進技術，先用PLC控制，再用小電磁閥控制小氣動閥，由小氣動閥控制氣缸。為了避免電磁干擾，將小電磁閥全部集中到屏蔽室。這種方法導致安裝量增加，回路復雜，調試困難，也使得以后檢修的難度增大。

2系統組成

系統采用基于Profibus-DP現場總線技術的閥島作為氣動系統中各個執行機構，進行協調工作的控制單元；采用西門子S7-300順序控制實現繼電保護運行，利用Profibus現場總線通過總線型閥島、輸入設備與上位機自由交換信息，實現遠程操作和控制，以滿足目前大容量試驗對隔離開關安全可靠的分布式控制的要求。

2.1　系統配置

為使整個控制系統安全可靠運行，設計遵循分布式控制系統思想，即分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態方便。系統由現場控制、數據通信系統、人機接口單元、機柜、電源等部分組成。

PLC選用西門子S7-315-2PN/DP。該PLC采用模塊化結構設計，含有多種模塊，可進行單獨組合，使用靈活且易于維護，具有不同的通信接口。FESTO閥島接口板選用CPX-FB13，然后根據閥島的具體控制、返回信號配置輸入輸出模塊。

S7-315-2PN/DP與上位機之間的通信采用高速以太網，以西門子X104-2作為S7-315-2PN/DP和上位機之間、S7-315-2PN/DP之間的通信網絡。遠程控制箱1RP1控制的閥島系統圖如圖1所示。

圖1　遠程控制箱1RP1控制閥島系統圖

圖1中，1VT11等為閥島。在系統中，S7-315-2PN/DP作為主站，閥島作為從站，3個PLC主站分別連接5、6、12個閥島從站。系統通過總線將所有的閥島單元連接起來，并通過總線連接到試驗控制主系統。

隔離開關的狀態是通過磁性開關合分返回信號的，信號返回到到閥島數字量輸入模塊，閥島通過Profibus-DP總線模塊和S7-315-2PN/DP通信，把隔離開關的合分狀態顯示在上位機。上位機軟件直接讀寫PLC中設置好的地址控制隔離開關合分，S7-315-2PN/DP和閥島之間通過Profibus-DP總線通信控制閥島數字量輸出模塊氣路輸出，以氣缸驅動隔離開關的合分。

2.2　硬件組態

閥島1VT1連接的隔離開關狀態及控制輸入輸出地址分配表如表1所示。

表1　閥島1VT1輸入輸出點數分配

Step7是用于Simatic S7-300/400站創建可編程邏輯控制程序的標準軟件，其具備強大的編輯處理功能，并提供方便的組態復雜控制系統的能力，易于組態，易于使用。利用Step7軟件對閥島系統進行硬件組態時，需要先導入FESTO公司提供的GSD文件，然后根據閥島配置的輸入輸出模塊、總線接口等進行組態。

2.3　閥島和S7-300的通信

閥島與S7-300以Profibus-DP協議通信。該協議明確規定了用戶數據在總線各站之間傳遞方式，Profibus行規中具體說明了用戶數據的含義。該協議也支持不同廠商所生產的不同設備互換使用，與應用有關的含義在行規中均作了精確的規定說明。

Profibus的傳輸速率為9.6 kbit/s～12 Mbit/s，最大傳輸距離范圍：在9.6~187.5 kbit/s時為1 000 m，500 kbit/s時為400 m，1 500 kbit/s時為200 m，3 000 kbit/s~12 000 kbit/s時為100 m，可用中繼器延長至10 km。精確測量各個閥島到PLC的距離，最遠距離約200 m?？紤]到最遠的閥島同PLC中間隔了11個閥島，信號在閥島的輸入輸出接口都有衰減，因此，將系統Profibus-DP的傳輸速率設為187.5 kbit/s，以保證正常通信。而PLC[11-12]和閥島之間的傳輸介質選用雙絞線，最多可掛接127個站點，完全滿足系統需要。

3人機界面

人機界面又稱用戶界面或使用者界面，是人與控制系統交換信息的媒介和對話接口，是控制系統的重要組成部分，是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介。

本系統采用組態王作為上位機人機交互軟件，它提供了豐富的、簡捷易用的配置界面。以組態王為上位機軟件開發發電機組系統的控制軟件是中文界面，具有人機界面友好、結果可視化的優點，能夠動態顯示主系統圖，真實顯示隔離開關的合分狀態位置，并且對歷史數據自動進行存儲。同時，可以通過上位機軟件直接控制隔離開關的合分，方便操作，安全直觀。

4結束語

基于閥島技術的隔離開關群控制同常規電磁閥相比，減少了功耗，故障診斷迅速，系統可靠性提高，運行成本降低。該系統的體系結構具備開放性特點，當現場設備變化時，系統可方便地修改控制方式和擴充控制設備的I/O點。系統在惡劣的試驗環境下具有高度的可靠性，維修方便、工藝先進，非常適宜在電磁環境復雜的高壓開斷試驗室工作?？刂葡到y在功能和物理上真正分離，系統內任一組件發生故障，均不會影響整個系統的工作。系統的參數、報警、自診斷及其他管理功能均在上位機實現，成功解決了開關電器在強磁場下自動化控制困難的難題。系統已在相關檢測機構和電器開關的自動化控制等強磁場環境得到應用。

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中圖分類號：TP29

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501009

修改稿收到日期：2014-06-26。