基于PLC的220 kV主變風冷電氣控制系統(tǒng)設計

陳韶光，陳炳森，唐正權(quán)，胡華麗

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧530023）

0 引言

在我國電力系統(tǒng)中，220 kV變電站屬于地區(qū)樞紐變電站，主要接受500 kV電網(wǎng)及本地區(qū)中型發(fā)電廠的電力并向地級市、縣級市及大用戶供電。近年來，南方電網(wǎng)廣西分公司考慮到各市縣地區(qū)負荷容量及地方經(jīng)濟發(fā)展趨勢，新建或改擴建的220 kV戶外變電站常選用配置采用ONAF冷卻方式（油浸風冷），電壓等級為220/110/35 kV或220/110/10 kV，容量為120/150/180MVA的油浸式三繞組電力變壓器（簡稱主變）。

使用ONAF方式的大中型主變，多采用配備DBF系列低噪聲變壓器專用風扇的散熱冷卻吹風系統(tǒng)（簡稱風冷系統(tǒng)），并根據(jù)主變所帶負荷大小、主變油溫的高低自動啟停[1]相應的風扇電動機（簡稱風機），以實現(xiàn)主變正常工作時的散熱冷卻。

由于主變對電力系統(tǒng)供電可靠性影響甚大，一旦出現(xiàn)故障，停電范圍大，時間長，會造成較大的經(jīng)濟損失，因此，主變對其風冷系統(tǒng)工作可靠性要求極高，一方面要選用優(yōu)質(zhì)的控制電器，另一方面要采用雙電源供電，確保主變風冷控制系統(tǒng)有較高的可靠性。

1 傳統(tǒng)主變風冷控制系統(tǒng)的存在問題

傳統(tǒng)的主變風冷控制系統(tǒng)采用繼電器—接觸器的硬接線邏輯控制，能滿足主變風冷控制的基本要求，但也存在風機啟動順序固定，主變投運前期所帶負荷不大時部分風機長期停轉(zhuǎn)，各風機工作時間難以平衡的問題；邏輯控制硬接線相對較為復雜，為簡化風機控制邏輯，風機普遍采用分組控制，一組對應2臺以上風機并使用時間繼電器延時分組啟動，難以實現(xiàn)對每臺風機運行狀態(tài)的精確監(jiān)控；雖然采用雙電源設計來保證供電可靠性，但雙電源不具備自動切換功能，需要現(xiàn)場人工切換，難以滿足220 kV變電站無人值守的要求。

PLC是近年來在自動控制領(lǐng)域廣泛應用的小型工業(yè)控制用計算機裝置，可靠性高，安裝及編程調(diào)試方便，如將其應用于主變風冷控制，可有效解決上述傳統(tǒng)控制的不足，還可以優(yōu)化控制邏輯，提升自動控制功能，簡化接線，借助其網(wǎng)絡通信功能可實現(xiàn)主變風機的遠程監(jiān)控，更好地實現(xiàn)220 kV變電站無人值守對主變風冷控制系統(tǒng)監(jiān)控的要求。

但是，PLC作為一種計算機裝置，避免不了死機或故障狀態(tài)出現(xiàn)，如何解決PLC死機或故障時對主變風冷系統(tǒng)控制的影響是必須要解決的問題。

2 主變風冷控制系統(tǒng)改進技術(shù)要點

根據(jù)傳統(tǒng)主變風冷電氣控制的基本要求，綜合考慮變電站無人值守對主變風冷控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，利用PLC改進主變風冷系統(tǒng)控制設計時應實現(xiàn)以下技術(shù)要點：

（1）雙電源設計。風機控制采用雙電源，正常情況下，一個電源工作，另一個電源在工作電源故障時自動投入。兩個電源可以自動切換[2]，任一個電源故障或消失時，應發(fā)出相應的故障報警信號。

（2）自動控制功能。當風冷控制系統(tǒng)置于“就地”位且各風機均置于“自動”位時，風機應根據(jù)變壓器油溫高低和負荷電流大小自動實現(xiàn)啟停控制，且為防止系統(tǒng)過于頻繁啟停風機，當啟動條件低于預設條件10 min就消失時，PLC將保持系統(tǒng)運行10 min后停止風扇工作。

（3）手動控制功能。當某臺風機置于“手動”位時，可不經(jīng)過油溫、負荷電流以及PLC控制而直接啟動相應的風機，當切至“停止”位時，則停止相應的風機，實現(xiàn)主變各臺風機的手動控制。

（4）根據(jù)主變工作狀況投退風冷系統(tǒng)。當主變風冷置于自投控制“工作”位時，只有主變高壓側(cè)斷路器處于合閘位風機才能運行，否則風機停止運行；當退出“工作”位時，主變風冷系統(tǒng)不受高壓側(cè)斷路器投退的控制。

（5）備用模式。對于主變風機應采用分組控制，一般分成兩組，相互間隔。設置“備用”模式控制開關(guān)，當投入備用模式時，從每一組中任設一臺風機作為備用風機，在其它風機出故障時投入運行，此備用風機每啟動一次進行輪換。當退出備用模式時，不再留備用風機待用。

（6）遠控模式。當主變風冷系統(tǒng)置于“遠控”模式時，風機將不受控制柜內(nèi)部邏輯控制，而由遠方的主變測控裝置輸出開關(guān)觸點對各臺風機進行遠程控制，相當于設置了一套備用風機控制器，在PLC故障等情況下可由遠方實現(xiàn)對風機的控制。

3 基本PLC的主變風冷控制系統(tǒng)設計

基于以上的控制技術(shù)要點，設計了一套以西門子S7-200PLC為控制器的220 kV、150 MVA三圈變風冷電氣控制系統(tǒng)，主電路如圖1所示。

圖1 主變風冷電氣控制主回路

3.1 主變風冷電氣控制主回路設計

變電站配有兩個站用380 V交流電源并分別接至Ⅰ段和Ⅱ段站用交流電源母線，正常運行情況下，兩個電源各帶一段母線負荷并作為另一個電源的備用，當各段母線工作電源故障時備用電源能自動投入。風機控制的雙電源分別取自站用交流電源母線的Ⅰ段和Ⅱ段，經(jīng)過電源空氣開關(guān)（簡稱空開）QF1、QF2和電源接觸器KM1、KM2后作為風機的電源；電源監(jiān)視及雙電源自動切換由右側(cè)控制回路實現(xiàn)。1QF、2QF為引自兩個電源的電源監(jiān)視及自動切換控制空開，KM1、KM2 為電源接觸器，KA1、KA2 為電源監(jiān)視用中間繼電器，KV1、KV2為具有相序和缺相檢測功能的三相電源控制繼電器，當三相電源相序正確且三相帶電時，其常開觸點接通，否則其常開觸點斷開，切斷相應電源接觸器控制回路，退出該電源。

SA1為兩路電源轉(zhuǎn)換開關(guān)，當切至“Ⅰ工作”時，其觸點1-2、5-6接通，Ⅰ段電源為工作電源，Ⅱ段電源為備用電源。當Ⅰ段電源因故消失，KV1復歸，KV1的16-18觸點斷開，電源監(jiān)視繼電器KA1線圈失電，KA1的13-14觸點斷開，KM1線圈失電主觸頭斷開，切斷Ⅰ段電源至風機的供電回路；KA1的51-52觸點接通，如果Ⅱ段電源正常，則KV2、KA2動作，KM2線圈得電，KM2主觸頭將Ⅱ段電源接至風機供電回路，實現(xiàn)了工作電源失電自動切至備用電源的轉(zhuǎn)換。當Ⅰ段作為工作電源恢復時，則會自動又切回至工作電源供電狀態(tài)。

當SA1切至“Ⅱ工作”時，Ⅱ段電源為工作電源，Ⅰ段電源為備用電源，電源的自動切換原理同上；當切至“0停止”時，兩段電源均退出。當任一電源故障（包括相序異常、缺相、失壓）時，KA1、KA2動作，其常閉觸點發(fā)出相應的電源故障信號給PLC。

每臺風機設一個電源空開QF、一個接觸器KM和一個熱繼電器FR實現(xiàn)對風機的啟停控制和保護，電氣控制回路中各轉(zhuǎn)換開關(guān)觸點分合情況見圖2.

圖2 各轉(zhuǎn)換開關(guān)觸點分合表

3.2 主變風冷控制PLC輸入輸出回路設計

主變風冷電氣控制用PLC選用S7-200系列CPU226（DI24/DO16）并擴展 EM223（DI16/DO16）模塊，共有40點輸入，32點輸出，具體輸入輸出回路接線見圖3～圖6.

“遠方/就地”控制風機啟停接線如圖3所示。3QF為PLC工作電源及風機控制回路電源空開，當3QF合上，PLC和遠控裝置即可控制各臺風機的啟停。SA5為“遠方/就地”轉(zhuǎn)換開關(guān)，當SA5置于“遠控”位時，其5-6觸點接通，此時遠控裝置（變電站主控室主變測控裝置）輸出開關(guān)觸點S1～S10接通，控制KM3～KM12動作，實現(xiàn)遠程控制M1～M10風機（見圖1）啟停。SA6～SA15為風機控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，當開關(guān)置于“手動”位時其1-2觸點接通，此時可直接啟動相應風機；當開關(guān)置于“停止”位時風機則僅由PLC或遠程裝置控制啟停。

圖3 “遠方/就地”控制風機啟停

自投控制風機啟停接線如圖4所示，當主變高壓側(cè)斷路器在分位（K6常開觸點接通，見圖5）或在合位但主變風冷自投控制開關(guān)SA3在“工作”位（SA3的1-2觸點接通）時，給PLC一個主變退出的信號，停止所有風機的自投控制。當任一路電源處于工作狀態(tài)時，相應的KM1或KM2動作，給PLC相應的電源運行信號。當任一路電源處于故障狀態(tài)（相序異常、缺相、失壓）時，其相應的KA動作，給PLC相應的電源故障信號。

圖4 自投控制風機啟停

當SA5置于“就地”位且各臺風機對應的風機控制開關(guān)SA6～SA15在“I自動”位時，由PLC根據(jù)主變負荷、油溫高低按程序啟停相應的風機。

當KM3～KM12全部常閉輔助觸點接通時，說明全部風機均停止，給PLC一個風機全停輸入信號（見圖 5）。

圖5 向PLC輸入風機故障信號的拓展模塊

圖5 中，從主變保護柜送來的反映主變負荷值（由主變運行規(guī)程值整定）的電流信號觸點LJ以及高壓側(cè)斷路器輔助觸點TW，從主變油面信號器發(fā)來的油面低溫觸點和高溫觸點信號OT分接控制K1～K6繼電器，再將其觸點信號輸入至PLC，作為風機啟停的控制依據(jù)（見圖4）。每臺風機的熱繼電器動作，其常開觸點控制KD20、KD21（見圖4）和KD22～KD29（見圖5）繼電器動作，向PLC輸入相應風機故障信號，由PLC停止該風機。

3.3 主變風冷電氣控制遠程信號設計

考慮到PLC故障或通信網(wǎng)絡故障時，無法通過通信方式上傳主變風冷控制系統(tǒng)的故障及運行狀態(tài)信號，為此，設計了一系列的遠程開關(guān)信號通過硬接線方式接至主控室的主變測控裝置，以實現(xiàn)主變風冷系統(tǒng)運行狀態(tài)的遠程監(jiān)視，如圖6所示。具體信號如下：

（1）電源短路故障信號。正常情況下，兩路電源空開QF均應在合位，當運行過程中空開跳開，其常閉輔助觸點接通，發(fā)出電源短路故障信號。

（2）電源斷相信號。當電源空開QF在合位，但電源監(jiān)視繼電器KA的21-22觸點在分位時，說明該電源失電、缺相或者電源相序異常，發(fā)出電源故障信號。

（3）電源投入運行信號。當兩路電源的KM動作即發(fā)出電源投入運行信號，由于有KM1、KM2互鎖功能設計，正常情況下最能只能有一路電源投入運行。

（4）備用風機故障信號。當PLC根據(jù)需要啟動備用風機，卻收到備用風機故障信號時，發(fā)出該信號。

（5）風機全停信號。當PLC收到全部風機停止（KM3～KM12均未動作）的輸入信號時控制KA16動作或兩路電源KM均未動作（如電源消失）時，判斷并發(fā)出風機全停信號。

（6）風機運行信號。當風機的電源空開QF合位且KM動作時，發(fā)出相應的風機運行信號。

（7）風機故障信號。當風機的熱繼電器FR動作引起相應繼電器KD動作后，利用KD觸點發(fā)出相應風機故障信號。

圖6 主變風冷系統(tǒng)運行狀態(tài)的遠程監(jiān)視

3.4 PLC故障導致風機全停的技術(shù)處理技巧

PLC可靠性高，平均無故障運行時間可長達10年，利用其控制主變風冷系統(tǒng)，具有很多優(yōu)點，但是，一旦PLC因受干擾或別的原因出現(xiàn)死機等故障，主變風冷系統(tǒng)突然失控，在無人值守變電站，雖遠程調(diào)度中心可通過主變測控裝置采集到圖6的信號分析到故障原因，但無法迅速趕到現(xiàn)場處理，可能會造成主變停電的嚴重事故，這也是技術(shù)人員最為擔心的問題。為此，在PLC內(nèi)部設計有一個看門狗（監(jiān)視定時器WDT），S7-200 PLC看門狗定時時間默認為500 ms[3]，其它類型PLC可根據(jù)需要設定。PLC是按程序循環(huán)掃描的工作方式運行的，在系統(tǒng)程序的控制下順序掃描各輸入點狀態(tài)、按用戶程序進行運算處理，然后順序向各輸出點發(fā)出相應控制信號[4]，從而完成一個工作循環(huán)，再周而復始工作，在每一次循環(huán)開始時復位看門狗。每一個循環(huán)的工作時間因輸入輸出點數(shù)多少、控制程序長短、運算復雜程序不同而有所差別，但一般不會超過500 ms，小于看門狗的設定時間，因此，正常運行情況下看門狗不會動作。

當運行過程中的PLC受到強烈外部干擾，出現(xiàn)程序“跑飛”現(xiàn)象或PLC控制程序存在缺陷，運行過程中進入了死循環(huán)狀態(tài)，此時均無法在看門狗設定時間內(nèi)掃描回到程序的開頭，看門狗動作將PLC由RUN（運行）模式切至STOP（停止）模式。

對于S7-200 PLC，輸出繼電器在STOP模式下的默認值為線圈失電狀態(tài)，即輸出為“0”狀態(tài)，但也可根據(jù)需要設定為“1”狀態(tài)。圖7是進入S7-200 PLC編程軟件，選中“項目→系統(tǒng)塊→輸出表”進入數(shù)字量輸出表，將各臺風機的PLC輸出繼電器Q0.2～Q1.3選上，當PLC從RUN模式切換至STOP模式時，Q0.2～Q1.3將全部動作，啟動全部風機運轉(zhuǎn)，解決了前述PLC故障時風機全停的問題，給運行維護人員爭取了故障處理時間。

圖7 PLC停止狀態(tài)開關(guān)量輸出狀態(tài)設置

4 設計應用效果

基于S7-200 PLC實現(xiàn)的220kV主變風冷電氣控制設計方案已在南方電網(wǎng)廣西分公司的無人值守變電站使用，在調(diào)試過程中，對前述的技術(shù)和功能要求進行了詳細的動作試驗，各控制邏輯動作正確，整定值動作準確，模擬PLC故障時能進入STOP模式并啟動全部風機運轉(zhuǎn)。投運多年后，系統(tǒng)使用效果良好，未發(fā)生異常狀態(tài)，可推廣應用到主變風冷系統(tǒng)中。