基于PLC的直流大容量試驗控制系統設計＊

魏慧慧，緱劍，李濤，李勇

（甘肅電器科學研究院，甘肅 天水 741020）

直流開關電器是電力系統中進行電能分配、回路控制和電路保護的主要部件，由于未經試驗檢測的電器設備，其產品質量、安全性能難以保證，因此電器試驗檢測技術對于電器的發展至關重要。直流大容量試驗控制系統主要用于開展低壓斷路器、熔斷器、接觸器等低壓開關電器在短路和正常條件下的接通和分斷能力試驗、電壽命試驗及短時耐受電流試驗，是開關電器試驗檢測中最重要的考核項目。現有直流開關試驗使用的儀器儀表本身存在不足，且多種儀器配合使用，導致開關試驗在擴展性、靈活性、集成性方面受到限制。另外，多種儀表的使用需要更多的人工介入，不僅浪費了人力，而且增加了人為誤差，降低了整個試驗的精確性。因此，研制一套功能全，自動化程度高，靈活易用，誤差小，穩定可靠的直流大容量試驗控制系統十分必要。本文針對傳統開關試驗所使用的儀器儀表的不足，通過對試驗項目、試驗方法以及控制要求的研究，采用PLC控制試驗回路中所有斷路器、接觸器等開關電器的開合并將各個儀器的使用狀態顯示在控制系統面板上，實現了對整體回路的實時監控以及根據不同試驗隨意切換不同回路，大大提高了系統整體的靈活性及自動化程度。

1 直流大容量試驗系統功能要求

隨著社會的發展，電力設備的普及，直流系統憑借其傳輸效率高、損耗小等優點，必將成為未來發展的趨勢。但直流試驗系統基本以電網作為試驗電源，導致試驗系統存在容量小、時間短、次數少、試驗參數難調節等問題，所以開發直流大容量試驗控制系統的任務迫在眉睫。本試驗系統包含直流通斷能力試驗系統及電壽命試驗系統，滿足直流電器試驗。

1．1 直流通斷能力試驗

直流通斷能力試驗是研究或考核直流電器接通和分斷能力的試驗，它是模擬正常使用的直流電器在發生各種短路故障時，能否可靠地通斷故障電流的一種試驗方式。直流通斷能力試驗與交流通斷能力試驗的區別是試驗電源和部分試驗設備不同[2]。

當直流試驗回路發生各類故障時，根據故障原因和故障點的不同，需要開關設備通斷的故障電流大小也不同，因此將直流通斷能力試驗分為極限通斷能力試驗和臨界通斷能力試驗兩種。根據直流開關設備在故障回路中所處的位置不同及故障原因不同，通斷故障電流又分為“O”、“C”、“CO”三種。“O”表示直流開關設備只分斷故障電流，“C”表示直流開關設備只接通故障電流，由上一級或下一級保護開關負責分斷，“CO”表示直流開關設備既能接通又能分斷故障電流[3]。

1．2 電壽命試驗

電壽命試驗是研究直流電器在帶負載情況下接通與分斷正常工作電流的次數。電壽命試驗主要是測試直流開關設備觸頭與觸頭之間的電氣耐磨性，若沒有發生觸頭熔焊并能成功分斷電流，則視為合格的一種試驗方式。相較于通斷能力試驗測試的是通斷故障電流的能力，電壽命試驗則是測試通斷正常電流的次數要遠大于通斷能力試驗的次數。

2 直流大容量試驗系統整體設計

直流大容量試驗系統的設計中應通過減少試驗回路長度來減少回路中的阻抗，達到出力最大，成本最低的目的，因此試驗用變壓器、整流裝置、前級后級阻抗都應盡量圍繞短路工位以及通斷工位來建設。設計的控制系統應具備低壓直流通斷與電壽命試驗系統的電源回路，短路接通和分斷試驗，電壽命試驗的操作控制、狀態顯示與故障報警等功能，因此按相關標準的試驗要求，本項目通斷及電壽命試驗系統圖如圖1所示。

圖1 通斷及電壽命試驗系統圖

2．1 直流大容量控制系統設計

直流大容量控制系統是為直流大容量試驗站服務，該系統應能滿足直流大容量試驗站的各項功能需求及操作需求。該直流大容量試驗站要求能夠進行正常使用條件下的接通與分斷能力試驗及故障條件下的短路分斷能力試驗，需要監測采集的變量較多，自動化和可視化要求較高，綜合考慮后采取工控機加PLC（可編程邏輯控制器）的方案。

控制系統由上位機、PLC控制系統、監控系統組成。PLC系統中的I／O模塊和開關電器試驗裝置的各種信號相連，并和上位計算機之間通過通信交換信息，執行實際的控制操作。上位計算機采用高性能的工控機，提供良好的人機界面，對控制系統實施監控，同時代替編程器對PLC進行編程，將控制程序下裝到PLC中。

PLC控制系統是整個直流大容量控制系統的核心組成部分。整個系統的控制過程中包含了大量開關狀態信號，開關動作信號，傳感器狀態輸出信號以及其他執行器件的信號，這些信號之間又存在大量互鎖、平行、相斥等復雜的邏輯關系，對整個電路的設計和PLC控制器的選擇提出了更高的要求。通過對系統需求及控制對象的研究，采用S7－1500標準型CPU完成控制任務。S7－1500CPU處理器性能高，可達納秒級，處理速度和響應時間短。外觀上增加了LED顯示設計，在正常使用或發生故障時，不再單一靠指示燈判斷運行情況，還增加了前連接器、趨勢圖（TRACE）等設計。且S7－1500還支持更多的分布式I／O系統，最多可支持32個模塊。

綜上所述，S7－1500通過自身強大的自動化組態編程功能，可以將整套控制程序集成，通過PLC進行操作和控制，保證了模塊運行的高穩定性。為系統的運行過程提供更好的可追溯性，提高了建造和維護過程中的效率，極大地降低了運行和維護過程中的成本。

2．1．1 上位機控制系統設計

本設計上位機組態軟件主要試驗流程監控、操作與控制、報警及數據處理、用戶管理等，具體如下：

（1）試驗流程監控中需要展示電氣系統圖，各段工況，有重要關鍵的儀表參數顯示，關鍵設備能實現急停操作；

（2）在操作與控制中實現開關控制操作、設備控制參數設定、不同段運行模式選擇等功能；

（3）報警及數據處理功能通過數據的統計、判斷、曲線趨勢等方式表達；

（4）用戶管理通過不同用戶登陸獲得不同用戶權限，在不同權限下只能對系統進行部分或全部操作。

根據設計要求，上位機負責管理裝置的工作。上位機對裝置的啟動、自檢、試驗過程都要有全面的控制，方便使用的同時也提高了裝置的安全性能。

從使用的角度出發，上位機需要具有操控界面，能夠遠程控制裝置中的各類元件并通過信號反饋操作結果的功能。例如顯示斷路器的通斷情況，設備的帶點情況等等。

從數據記錄的角度出發，上位機需要通過采集卡顯示并記錄試驗數據。以便用戶分析處理。

2．1．2 控制系統組態

本系統選擇上位機來控制整個回路，可根據不同的試驗方式選擇不同的回路，精確控制試驗次數，通流時間等參數并結合配套的采集裝置采集試驗所需的各類參數。同時在整個試驗過程中，對試驗回路進行監測，能夠正確的反映出試驗回路中所有設備的運行狀態并在發現故障時發出警報。通過上述要求，設計了試驗進程圖如圖2所示。

圖2 試驗進程圖

本系統的控制方式主要是采用WinCC組件中的圖形模擬編輯器來完成。根據試驗需求，主要功能包括選擇試驗方式、顯示試驗回路、監視試驗回路各個設備的狀態以及試驗設備故障時發出警報等多種功能[4]。還可以根據不同試驗項目來選擇不同試驗回路，根據試驗的具體需求，自由切換試驗電源、試驗工位、合分閘、保護開關及各類試驗阻抗等。本系統采用的是內容提示向導的方式，通過編程讓試驗選擇變得更加清晰、方便、快捷。

3 模擬調試

本次模擬調試采用斷路器的通斷試驗來驗證試驗系統的各項功能，首先根據試驗要求調節好試驗所需的各項參數，然后將試品接入回路中，通過本試驗系統實現送電，控制斷路器合分完成調試試驗，本次調試試驗采集波形圖如圖3所示。

圖3 調試試驗采集波形圖

直流大容量試驗控制系統模擬調試結果表明，本系統達到了預期設計目標，通過高壓陪試品與低壓選項開關的組合，成功顯示出了短路電壓，同時可以根據試驗要求控制斷路器的合分閘時間以及試驗結束后安全快速地切斷回路供電。從調試試驗采集到的波形圖可以看出，斷路器通斷試驗中采用高電壓、大電流的試驗方式，證明本系統能夠滿足一般直流設備的大容量試驗要求。

4 結論

本文通過對直流大容量試驗系統的控制需求分析，使用S7－1500的控制方案，設計了直流大容量試驗控制系統。通過PLC與上位機的配合完成對回路的控制并對回路狀態實時監控，電流采集系統采用了電流互感器、霍爾傳感器以及分流器的組合，在滿足了繼電保護的同時又兼顧了在0－180kA直流電流大范圍的采集需要，保證精度的同時又合理控制了成本；還設計了特有的控制電源出口矩陣，保證一套電源系統滿足不同操作電壓同時進行試驗的需要。在低壓直流短路試驗系統中采用高壓陪試品與低壓選相合閘開關的組合，同時解決了低壓直流大容量試驗低壓開關容量不足和短路試驗電流不能顯示的問題。

通過聯合調試，采集波形圖，驗證了設備可以正常工作且能夠滿足大容量直流試驗系統所要求的功能全、自動化程度高、靈活易用等特點。