基于組態(tài)王的變電站運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

辛小燕

摘 要：針對當(dāng)前變電站監(jiān)控系統(tǒng)中存在的智能化、數(shù)字化程度低，不便遠(yuǎn)程控制，控制回路復(fù)雜、可靠性低、維護(hù)工作量大等問題，利用CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，提出基于組態(tài)王和PLC的變壓器監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施方案。

關(guān)鍵詞：變電站變壓器組態(tài)王CAN總線PLC在線監(jiān)控系統(tǒng)

一、組態(tài)軟件選取及監(jiān)控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前市面上常用的組態(tài)軟件有MCGS、組態(tài)王以及WinCC等，其中WinCC可以集中多種自動(dòng)化設(shè)備和控制軟件，具有控制靈活、功能齊全等優(yōu)點(diǎn)，可拓展性最強(qiáng)大。MCGS則是國內(nèi)組態(tài)軟件中可靠性較好的產(chǎn)品，具備現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、歷史實(shí)時(shí)曲線輸出、報(bào)表輸出以及動(dòng)畫顯示等特點(diǎn)。組態(tài)王經(jīng)9年的開發(fā)優(yōu)化，具備了實(shí)用、簡單、可靠的優(yōu)點(diǎn)。目前已成為國內(nèi)組態(tài)軟件用戶使用最多的軟件，特別在航天航空領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。本文選取了組態(tài)王作為上位機(jī)的監(jiān)控平臺。按照混合工藝流程要求，監(jiān)控軟件主要分為5塊：菜單窗口、主窗口、子窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫窗口以及運(yùn)行策略。

二、變電站電壓電流實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)計(jì)

以某變電站為例，其電氣主接線，采用內(nèi)橋式雙母線的主結(jié)線結(jié)構(gòu)。其運(yùn)行狀態(tài)及部分控制要求為：變電站電氣主接線Fig.1Thesubstationmainelectricalwiring初始狀態(tài)時(shí)，兩套電源G1、G2同時(shí)供電，分列運(yùn)行，斷路器QF1、QF2、QF4、QF5、QF7都處于合閘狀態(tài)，QF3、QF6處于斷開態(tài)。若電源G1、G2有一個(gè)掉電，則QF1或QF2跳閘，QF3閉合，實(shí)現(xiàn)兩路電源的相互備用。若K1短路，則QF7立即跳閘（速斷保護(hù)）;若K2短路，QF7經(jīng)2s延時(shí)跳閘（過流保護(hù)）。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控包括三相電源的電壓、電流、有功和無功功率信號、開關(guān)跳合、警鈴報(bào)警等。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

根據(jù)變電站監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求所設(shè)計(jì)的硬件基于CAN總線的變電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2ThebasedonCANbusStructureofsubstationmonitoringandcontrolsystem該系統(tǒng)是具有分布式數(shù)據(jù)采集控制的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，它的硬件由以下幾部分組成：

（1）工作站它具有較高的可靠性和集成的裝置結(jié)構(gòu)，PCL-841總線適配卡可以插人其中。

（2）PCL-841CAN總線適配卡PCL-841是一款特殊用途的通信卡，它能夠提供PC與控制器區(qū)域網(wǎng)（CAN）的連接。

（3）ADAM5000/CAN分布式數(shù)據(jù)采集控制器ADAM5000/CAN在控制應(yīng)用和數(shù)據(jù)采集上提供了多種功能。在結(jié)構(gòu)上內(nèi)含微處理器、CAN通信控制器、CAN數(shù)據(jù)收發(fā)器等接口電路，同時(shí)封裝了CAN2.0網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它受主電腦遠(yuǎn)距離控制，把本系列I/O輸入輸出卡傳來的信息加工分類、打包、緩存，然后通過CAN總線傳給工作站監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

（4）外圍設(shè)備包括電流互感器、電壓互感器、轉(zhuǎn)換器、中間繼電器以及其他電量檢測設(shè)備。

（5）I/O分配變電站監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)控制要求，有許多模擬和開關(guān)量參數(shù)需要測量和監(jiān)視，模擬和開關(guān)量的數(shù)量應(yīng)根據(jù)出口的數(shù)量和吸入管路的配電變壓器站，包括模擬來自各種各樣的轉(zhuǎn)換器，如電流、電壓和功率轉(zhuǎn)換器，繼電保護(hù)及二次電路的開關(guān)量或斷路器輔助節(jié)點(diǎn)等。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與組態(tài)

在啟動(dòng)組態(tài)王工程瀏覽器以后，進(jìn)行設(shè)備配置，設(shè)備配置的主要目的是進(jìn)行上下位機(jī)的通信，本系統(tǒng)主要配置PCL841以及智能模塊ADAM5000/CAN系列模塊。進(jìn)行圖形畫面的制作：組態(tài)王提供了類型豐富的繪圖工具，還提供按鈕、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、報(bào)警窗口等復(fù)雜的圖形對象。下一步需要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造，在Touchview運(yùn)行時(shí)，它含有全部數(shù)據(jù)變量的當(dāng)前值，變量在畫面開發(fā)系統(tǒng)定義時(shí)，要指定變量名和變量類型。進(jìn)行下一步動(dòng)畫鏈接的定義：動(dòng)畫鏈接是指在畫面的圖形對象與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)變量之間建立一種關(guān)系。在組態(tài)王軟件的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境Touchview中，運(yùn)行和調(diào)試在畫面制作系統(tǒng)中建立的動(dòng)畫圖形畫面。根據(jù)變電站監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)了下述功能：監(jiān)控畫面的動(dòng)畫顯示，可以看出主接線中各個(gè)電量的實(shí)時(shí)變化，電壓、電流輸出曲電壓、電流輸出曲線Fig.3Thevoltageandcurrentoutputcurve根據(jù)變電站監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)了下述功能：監(jiān)控畫面的動(dòng)畫顯示，可以看出主結(jié)線中各個(gè)電量的實(shí)時(shí)變化;實(shí)時(shí)顯示故障報(bào)警畫面、查詢歷史報(bào)警，并可以設(shè)置報(bào)警的極限值;可以進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線監(jiān)測和歷史曲線查詢;可生成系統(tǒng)實(shí)時(shí)報(bào)表和歷史報(bào)表，可以進(jìn)行定時(shí)打印;可對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫進(jìn)行方便的管理。

三、變壓器油質(zhì)氣體濃度含量的在線監(jiān)測

在變壓器中幾乎都是用油來進(jìn)行絕緣和散熱，變壓器油與油中的固體有機(jī)絕緣材料在運(yùn)行電壓下因電熱、氧化和局部電弧等多種因素作用會逐漸變質(zhì)，裂解成不同種類的低分子氣體，而每一種氣體最大產(chǎn)氣率都有一個(gè)特定的溫度范圍，故絕緣油在各不相同的故障性質(zhì)下產(chǎn)生不同成分、不同含量的氣體。由此可見，油中溶解氣體的組分和含量在一定程度上反映出變壓器絕緣老化或故障的程度。而油中溶解氣體的組分和含量必須通過氣體傳感器檢測出來。所以為了更精確的測出變壓器絕緣老化或故障的程度，就要求對氣體傳感器的靈敏度、線性度等性能有更高的要求。

3.1 油中氣體在線監(jiān)測工作原理

氣相色譜分析雖然具有選擇性好、分離性能高、分離時(shí)間快、靈敏度高和適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但其從取油樣到脫氣、到鑒定是一套較為龐大精密和復(fù)雜的檢測裝置，整個(gè)分析時(shí)間較長，而且油樣需從現(xiàn)場采集并運(yùn)送到試驗(yàn)室，采集、運(yùn)輸、保存過程中還會引起氣體組分的變化，更不能做到實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，為了達(dá)到在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，需從取油樣、脫氣、鑒定等方面著手，加以改進(jìn)，需采用的方法是“滲透膜脫氣法”。

3.2 油氣分離裝置的原理

油氣分離裝置包括不滲透油只滲透各種氣體的透氣膜，集存滲透氣體的測量管和裝在變壓器本體放油閥上變換氣流通過的六通閥以及電動(dòng)設(shè)備。Fig.9Theoilandgasseparationplantoffigure采用MGA2000-6e溶解氣體在變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括油氣分離裝置，控制裝置，氣體探測和診斷單元，包括石油和天然氣分離器、傳感器、控制電路板、背景和其他硬件設(shè)施和監(jiān)控、訪問、遠(yuǎn)程通信等軟件部分。安裝在變壓器油氣分離裝置、油氣分離裝置的核心部件是透氣膜。Fig.10Theprinciplediagramofthegasintransformeroilonlinemonitoring它有不滲油只滲透各種氣體的特點(diǎn)，氣體分子從油中向氣室的一側(cè)擴(kuò)散，一定時(shí)間后，膜兩側(cè)的氣體壓力趨于平衡，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了油氣的分離。分離后的混合氣體送至安裝在變壓器旁的氣體檢測單元，先通過色譜柱對六種氣體進(jìn)行分離，然后依次與傳感器接觸，將氣信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號傳輸至安裝在主控室的控制及檢測單元，經(jīng)過放大、變換，還原為各種氣體含量，再通過專家診斷系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，提出指導(dǎo)性處理意見，最終達(dá)到對變壓器油中溶解氣體進(jìn)行在線監(jiān)測的目的。

3.3 氣體檢測結(jié)果

由變壓器氣體成分分析可知，CH4和C2H2氣體檢測可以覆蓋所有的故障類型，能夠反映變壓器的設(shè)計(jì)應(yīng)用傳感器協(xié)調(diào)控制的硬件系統(tǒng)，利用滲透膜脫氣法，直接從油中將氣體分離出來，免去取油樣，注油和脫氣等工序，不僅節(jié)省了監(jiān)測時(shí)間，而且簡化了裝置，易于實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測的要求，完成了對變壓器油質(zhì)氣體含量的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的新成果，各部分間以通訊的方式建立聯(lián)系，簡化了控制器的硬件設(shè)計(jì)，提高了控制器的可靠性，降低了成本。各組成部分在功能上相對獨(dú)立，易于控制器的組成和擴(kuò)展，具有良好的應(yīng)用前景。主控單元選用了PLC技術(shù)，它具有極高的可靠性和抗干擾能力，簡單易學(xué)的編程語言和靈活的I/O擴(kuò)展能力及強(qiáng)大的通訊功能，既能夠滿足變電站對控制裝置性能的要求又有利于縮短開發(fā)周期，方便操作人員的使用。控制軟件功能完善，能夠自動(dòng)識別系統(tǒng)各種可能的運(yùn)行方式和各種調(diào)節(jié)設(shè)備的狀態(tài)，并能及時(shí)獲得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，控制命令的發(fā)出及時(shí)、準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

[1]宋藥.基于PLC的變電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究.知識經(jīng)濟(jì)，2011，（11）96-121.

[2]代艾妮.基于CAN總線的變電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012，09：14-16.

[3]王振，智能電網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.水利電力，2011.5，16-18.