基于PLC控制的變電站整流模塊休眠系統分析與應用

張　震,辛永生,張　瑩,張曉健,樊　榮

(國網淮南供電公司,安徽 淮南 232007)

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基于PLC控制的變電站整流模塊休眠系統分析與應用

張震,辛永生,張瑩,張曉健,樊榮

(國網淮南供電公司,安徽 淮南 232007)

為解決變電站直流系統充電裝置采用多臺整流模塊并聯運行時存在充電裝置效率低、單臺整流模塊故障無法自動切換、不能實時監測整流模塊等問題,研究分析了智能型整流模塊的原理結構,并針對基于PLC和觸摸屏構成中央監控單元的直流系統,提出一種智能型整流模塊的休眠系統。該休眠系統在保證直流供電可靠性的前提下,解決了充電裝置傳統運行方式存在的問題,實現了模塊智能充電管理和休眠控制,提高了充電裝置效率,節約了電能。通過現場實際應用,該休眠系統實現了預期目標。

直流系統;智能整流模塊;PLC;休眠系統

變電站直流系統為站內控制系統、繼電保護、信號裝置、自動裝置等提供電源,在事故情況下仍能保證其供電,還可以供給事故照明、逆變電源等負荷,對變電站安全穩定運行有著不可替代的作用。直流系統中充電裝置作為其中重要一環,完成AC/DC變換,為蓄電池充電,以及向各種直流負載供電。充電裝置采用多臺整流模塊并聯運行,額定電流按滿足蓄電池均衡充電的要求選取,而正常運行中大部分時間處于浮充狀態,此時充電裝置的負載率較低,工作在效率較低的區間。對此,近年許多文獻對通信基站高頻開關電源模塊提出采用休眠技術,即根據系統負載大小動態調整工作模塊數目,使系統始終工作在最佳效率區間,從而降低系統的能耗[1]。所以,為了實現整流模塊休眠,本文重點分析了直流系統中智能型整流模塊的結構特點,并針對基于西門子S7-200型PLC與觸摸屏構成的中央監控單元,提出一種應用于變電站的智能整流模塊休眠系統,以實現對蓄電池智能充電管理以及模塊休眠的控制。

1　變電站充電裝置運行現狀

“兩電三充”接線方式由兩組蓄電池、兩套浮充電裝置和一套備用充電裝置構成,是220 kV及以上變電站常用的的方式。每組蓄電池及浮充電設備分別接入不同母線段,充電設備經切換裝置可對兩組蓄電池進行充電。

某220 kV甲變電站直流系統情況如下:

每組充電設備由3臺220 V/20 A整流模塊并聯,直流系統配置兩組300 Ah免維護鉛酸蓄電池組。正常運行時,每段饋線經常性負荷15 A左右,蓄電池浮充電流約為0.3 A。

按照充電裝置傳統運行方式,存在如下弊端:

1) 正常運行時浮充電裝置所有整流模塊全部啟動,整組設備負載率不到30%,導致充電裝置的效率較低和整流模塊的均流性能較差。

2) 有一臺模塊損壞時,報模塊故障總告警,不能自動切換故障的模塊;遇見緊急情況時,系統切除整組模塊的交流電源,但需蓄電池組來帶整組負荷,假如蓄電池組運行年限長,蓄電池組容量低,則難于滿足現場要求。

3) 沒有實時監測分析系統,整流模塊只有在故障出現后才能通過直流監控系統發出故障信號,電源可靠性較低。

2　整流模塊原理與控制方式

開關電源與傳統相控電源相比,具有明顯的優越性能。開關電源由交-直-交-直電路構成,電路內部采用工作頻率較高的交流部分,大大減小了變壓器和濾波器的體積和重量。除此之外,頻率的提高有利于控制性能的提高,因此在數百千瓦以下功率范圍內,高頻開關電源逐步取代了相控整流電源。而且變電站直流系統中整流模塊大部分采用高頻開關電源[2]。

智能型整流模塊的原理如圖1所示。交流輸入首先進行防雷處理和EMI(電磁干擾)濾波,經整流和無源PFC(無源功率因數校正)轉換成直流,然后經DC/AC電路轉換成高頻交流后,通過高頻變壓器隔和整流濾波、電磁干擾濾波回路、防反接保護回路等輸出直流電[3]。整流模塊中DC/AC逆變和高頻變電器電路是核心電路部分,逆變電路采用全控型功率開關器件,如GTR、MOSFET、IGBT等,并可以選擇不同的拓撲結構,常用有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路等。 脈寬調制(PWM)輸出調制信號控制功率開關器件的關斷。整流模塊的控制系統采用雙閉環控制系統。內環是電流控制環,具有較好的限流作用,響應速度較快;外環是電壓控制環,保證直流輸出電壓的穩定。智能整流模塊提供均流接口和均流措施,保證多臺模塊并聯工作時均分負載。

整個充電模塊在自身微機系統的監控下工作,可以實現模塊的保護及告警、電壓調整、模塊均流、參數設置等。同時整流模塊與中央監控單元PLC直接通過RS485通信,采用異步串行傳輸方式,將充電模塊的運行數據上傳到PLC并接收相關控制命令。

3　智能整流模塊休眠系統

由于傳統充電裝置存在弊端,部分220 kV及以上變電站已經將傳統整流模塊更換成智能型整流模塊,使開發整流模塊休眠系統具有可行性。

文獻[4]給出了一種基于PLC控制的直流監控系統,系統主要依托PLC及擴展模塊輸出模擬量對整流模塊輸出電壓、電流進行控制,但該系統中整流模塊不具備與PLC的通信功能。因此本文為了進一步提升變電站直流系統智能化水平,充電裝置選用智能型整流模塊,通過整體優化設計,開發一種整流模塊休眠系統,實現整流模塊對蓄電池智能充電管理以及模塊休眠功能。

圖1　整流模塊原理圖

圖2　直流系統原理圖

3.1硬件結構

變電站直流系統原理如圖2所示。采用基于西門子S7-200型PLC與人機界面構成中央監控單元,可以對直流系統各模塊實時監控,并完成與綜自后臺的通信。中央監控單元可以實時采集交流輸入及切換單元、整流模塊、蓄電池、直流輸出、控制母線等電壓電流信號、空開跳閘信號、熔斷器信息、模塊告警信息等運行參數,通過S7-200的各種控制程序,對數據進行分析處理,實時監視直流系統運行狀態,并根據PID控制理論實現對直流系統的控制與保護,為變電站提供可靠的直流電源。

整流模塊休眠系統結構如圖3所示。

圖3　整流模塊休眠系統結構圖

PLC是主站,充電模塊是從站。PLC可以隨時讀取整流模塊的狀態(保護、故障燈信號)和實時電壓、電流,并控制充電模塊的開/關機,均/浮充轉換,調節模塊的輸出電壓、限流百分值等。S7-200提供兩路RCS-485接口,一路接口與9臺數字高頻充電模塊RS485通信,構成485總線,采用Modbus RTU規約,校驗計算程序在S7-200中編程[5];另一路接口與觸摸屏通信,采用Modbus RTU規約。觸摸屏顯示直流系統的各種信息,如整流系統、蓄電池、控制母線電壓、電流參數、系統開關狀態信息、故障情況等,并可設置系統各參數,控制監控器的運行狀態。觸摸屏通過RS485通信接口與綜自系統通信,采用Modbus RTU規約,以實現SCADA功能。其中綜自后臺是主站,直流屏是從站。

3.2蓄電池智能充電管理

PLC根據蓄電池的均、浮充狀態要求,通過對整流模塊的限流值以及均/浮充電壓值實時跟蹤控制,實時采集智能型整流模塊的參數,并將控制量傳輸到整流模塊,嚴格按照蓄電池的充電曲線迅速調整到位,實現無級調整。蓄電池智能充電曲線示意圖如圖4所示。

圖4　蓄電池智能充電曲線

3.2.1系統正常充電

直流系統初次充電時,充電設備以蓄電池10 h放電率電流(0.1CA)對蓄電池進行恒流均充,電壓達到整定值(2.35×n,n為蓄電池組節數)時,充電方式轉換成恒壓均充模式;隨著蓄電池的逐漸飽和,充電電流逐漸減小,當達到設定值(如0.06CA)時,繼續恒壓均充3 h,轉換成浮充方式,以較低的恒定電壓(2.25×n,n為蓄電池組節數)對蓄電池組進行充電。變電站直流系統正常浮充運行過程中,每隔720 h,轉入一次恒流充電狀態運行,對蓄電池進行有效活化。

3.2.2蓄電池放電后充電

在直流系統交流輸入異常或全站停電等極端異常情況下,充電設備失去電源無法工作,通過調用PLC的交流中斷程序和調壓控制程序,使蓄電池組通過降壓硅鏈給站內全部直流負荷供電。直流系統的交流電源恢復時,通過檢測電池電流和蓄電池組剩余容量,決定蓄電池組充電方式。

3.3智能整流模塊休眠功能

根據DL/T5044電力工程直流系統設計技術規程[6],如果每組蓄電池配置一組充電裝置,為了滿足保證站內直流系統的安全、可靠,充電裝置的整流模塊采取冗余N+1或N+2配置。如果一組蓄電池配置二組充電裝置或二組蓄電池配置三組充電裝置,由于每組充電裝置間自動切換,則不需要考慮經常性負荷和冗余配置。充電裝置整流模塊配置的一般原則主要是根據直流系統接線方式、站內直流經常性負荷的大小、10 h放電率電流(蓄電池容量)等情況綜合考慮。

變電站正常運行時,直流充電裝置一方面提供變電站內常用直流負荷,另一方面以浮充方式給蓄電池充電,補充蓄電池組的自放電電流。正常情況下充電裝置的負載率較低,且每個整流模塊輸出電流較小,整流模塊自身損耗占比較大,充電裝置工作在低效率狀態。基于此,研制整流模塊休眠系統,根據負荷大小投切整流模塊,通過PLC控制充電裝置實際工作的模塊數量,使部分模塊處于休眠狀態,提高運行的整流模塊效率及充電裝置總體工作效率。

休眠系統可手動或自動調整各整流模塊的休眠次序和時間,通過使各整流模塊依次休眠,維持各整流模塊的平均工作時間,降低整流模塊的維護成本,提高模塊使用壽命并節約電能。實際運行中,為了保證直流系統供電的可靠性,需要考慮必要的冗余措施,每組充電裝置保證2臺整流模塊在運行狀態。如果每組充電裝置由3臺整流模塊并聯,則允許1臺整流模塊進入休眠,相應的并聯整流模塊數越多允許休眠的模塊數越多,節能效益越明顯。

整流模塊3的休眠程序流程如圖5所示。整流模塊3在浮充工作方式下經過延時后進入休眠。在負荷電流值大于設定值時經過延時程序關閉休眠,在運行模塊出現故障、均充程序啟動、交流輸入故障導致的聯絡開關合閘等情況下,模塊3停止休眠,進入工作模式。

圖5　整流模塊3休眠程序流程圖

3.4程序實現

該休眠程序在STEP 7-MWIN32軟件環境下開發,該開發軟件還可以實現監控用戶程序的執行狀態。采用STL語言編程,程序設計采用模塊化,功能化結構,便于維護、擴展, PLC在實現初始化、均充浮充子程序、PID計算程序、交直流電源切換、時鐘處理、故障報警及保護等功能的基礎上,擴展智能整流模塊休眠程序。

人機界面采用臺達畫面編輯軟件Screen Editor制作畫面并編譯下載到觸摸屏。

4　系統應用

整流模塊休眠系統研制成功后應用于某220 kV甲變電站充電裝置。甲站直流系統中央監控單元人機界面采用臺達公司的DOP-B觸摸屏,整流模塊采用深圳英科瑞公司的GF220-20智能模塊。S7-200 PLC實物及接線如圖6所示,休眠系統人機界面顯示如圖7所示。

圖6　S7-200 PLC實物圖接線圖

4.1功能測試

1) 數據通信檢驗。系統能夠通過監控裝置通信接口及時準確地收到每臺整流模塊故障信息,給出聲音報警的同時系統自動彈出報警畫面,故障信息數據記入歷史數據庫中;系統能夠快速穩定的接收到每臺整流模塊的電壓、電流遙測信息,并與模塊自身顯示數值一致。

2) 模塊開關機控制試驗。根據負荷電流大小,當負荷小于模塊總輸出80%時,自動停止一臺模塊工作,當負荷大于80%時,模塊全部啟動;整組充電裝置中,其中1臺充電模塊出現故障時,模塊全部啟動;當蓄電池組均充條件達到時,模塊全部啟動;兩組充電裝置,其中一組充電裝置失電,聯絡開關閉合時,另一組充電裝置全部啟動。

3) 數據庫檢驗。用戶能夠通過人機交互界面的操作按鈕或者菜單快速方便地查看系統設備的運行數據(歷史數據和實時數據),操作方便快捷。

圖7　人機界面畫面顯示

4.2效益分析

經過實測,單臺整流模塊空載運行功耗約350 W,忽略模塊自帶散熱風扇能耗,采用休眠技術后兩臺整流模塊全年可節約電量6000 kW·h,經濟效益可觀。同時可以延長充電裝置整流模塊維護周期,降低運維成本。

5　結　語

隨著高頻開關電源技術的發展,整流模塊已具備現場通信接口,控制單元可以直接與整流模塊通訊,快速、可靠地完成對整流模塊的實時監控。在此基礎上,開發了整流模塊休眠系統,實現了蓄電池智能充電管理,提高了充電設備效率,解決了傳統充電裝置的弊端。現場運行實踐表明,休眠系統功能可靠,節能效益顯著,人機界面友好,可方便地接入綜合自動化系統,也可以組建基于WEB的智能監測系統,進一步提升變電站智能化水平。

[1] 宋守國,張少文.基站開關電源模塊休眠技術在節能降耗中的應用[J].電信技術2008(7):39-40.SONG Shouguo, ZHANG Shaowen. Application of sleep technology for base station switch power supply module in energy saving[J]. Telecommunications Technology, 2008(7):39-40.

[2] 王兆安,黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,2009

WANG Zhaoan, HUANG Jun. Power electronics[M]. Beijing: China Machine Press, 2009.

[3] 現代高頻開關電源技術及應用[M].北京:電子工業出版社,2008

Modern high-frequency switching power supply technology and its application[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2008.

[4] 李葉青,楊勝儀.S7-200 PLC在直流電源監控器中的應用[J].電工技術, 2008(4):31-32.LI Yeqing, YANG Shengyi. Application of S7-200 PLC in DC power supply monitor[J]. Electric Engineering, 2008(4):31-32.

[5] 何躍智.MODBUS RTU通訊協議在S7-200中的應用[J].可編程控制器與工廠自動化, 2006(3):58-60.

HE Yuezhi. Application of MODBUS RTU communication protocol in S7-200[J]. PLCFA, 2006(3):58-60.

[6] DL/T5044-2004.電力工程直流系統設計技術規程[S].北京:中國計劃出版社,2004.

DL/T5044-2004. Technical code for design of DC auxiliary power supply system for power engineering [S]. Beijing: China Planning Press, 2004.

(責任編輯侯世春)

Analysis and application of rectifier module dormant system in substation based on PLC control

ZHANG Zhen, XIN Yongsheng, ZHANG Ying, ZHANG Xiaojian, FAN Rong

(State Grid Huainan Power Supply Company, Huainan 232007, China)

The charging device of DC system in substation operates with paralleled multi-rectifier modules. There are some problems during normal operation such as the low efficiency of charging device,the failure of the single rectifier module in automatically switching and real-time monitoring, and so on. In order to solve the problems, this paper studied and analyzed the principle and structure of the intelligent rectifier module, and proposed the dormant system of intelligent rectifier module according to the central monitoring unit of DC system controlled by PLC and touch screen. It is a system that solves the problem of the traditional operation mode of charging device under the premise of the assurance of reliable dc power supply, realizes the module intelligent charge management and dormant control, improves charging device efficiency and saves energy. Through the onsite application, the dormant system can achieve the expected goals.

DC system; intelligent rectifier module; PLC; dormant system

2016-03-14;

2016-03-18。

張震(1988—),男,助理工程師,從事變電設計、運維工作。

TM631+.3

A

2095-6843(2016)04-0313-05