可编程控制器在110kV智能化气体绝缘金属全封闭开.docx
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可编程控制器在110kV智能化气体绝缘金属全封闭开
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本科生毕业论文（设计）
题目：
可编程控制器在110kV智能化气体绝缘金
属全封闭开关二次控制与检测中的应用研究
学习中心：
层次：
专科起点本科
专业：
电气工程及其自动化
年级：
学号：
学生：
指导教师：
完成日期：
内容摘要
110kV气体绝缘金属全封闭开关（简称GIS）由于组合电器元件多，电器元件间联锁逻辑复杂，运行过程需要监视信号多，给目前采用的电磁机械式二次装置带来了越来越复杂的布线要求，使得就地控制柜体积庞大，接线复杂，给现场调试安装带来极大不便。
同时由于数量庞大的二次元件故障给运行造成不必要的故障，甚至事故。
采用大型可编程控制器替代原有电磁机械式二次装置，即可保证运行可靠，又简化了设计，减少元件使用，方便现场安装，同时采用光纤通讯，确保在高电位条件下通讯可靠，防止误操作。
本文介绍了基于西门子S7-300的可编程控制器在GIS开关操作、远动、在线监测和自诊断等智能化改进中方案和应用,省去了传统的模拟控制板、光字牌和中间继电器等外设元件，它们都将以模拟或者数字信号的方式存在于PLC程序中或者直接显示于触摸屏。
其中中间继电器均以中间变量的形式存在于PLC程序中，而模拟控制板和光字牌则直接在触摸屏或计算机中以图形状态体现，同时与PLC程序中的对应变量相关联。
因此它不仅节省了元件成本，同时也提升了系统的安全性和稳定性。
关键词：
GIS；光纤通讯；可编程控制器；在线监测
目录
内容摘要I
1绪论1
1.1课题的背景及意义1
1.2国内外发展现状1
1.2.1国外智能GIS发展现状1
1.2.2我国智能GIS发展现状2
1.3本文的主要内容2
2可编程控制器简介4
2.1可编程控制器的定义和特点4
2.2可编程控制器的结构5
2.3可编程控制器的工作原理6
2.4当前流行的可编程控制器8
3基于可编程控制器的110kV智能化GIS二次控制系统设计与实现10
3.1系统控制要求10
3.1.1系统总体控制要求10
3.1.2系统的主要功能组成11
3.2可编程控制器的选型11
3.2.1系统的硬件配置和构成11
3.2.2PLC硬件配置14
3.3I/O点及地址分配14
3.4电气控制系统原理图15
4系统控制程序的设计18
4.1系统控制流程图18
4.2控制程序的设计19
5结论22
参考文献23
1绪论
1.1课题的背景及意义
气体绝缘金属全封闭组合电器（GIS）是指整个开关站设备包封在金属壳内并充以SF6气体作绝缘，这类设备具有尺寸小、占地面积小、可抵御苛酷环境条件、可靠性高等优点。
近几年，随着智能化电气的发展,特别是智能化开关[1]、光电式互感器等机电一体化设备的出现,以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用,使以GIS开关为原型的变电站信息的采集、传输实现全智能化处理提供了理论和物质基础。
随着可编程逻辑控制器（PLC）的发展，PLC的功能得到极大的提升，形成了各种规模的系列化产品，以适用于各种环境和规模的工业控制场合。
同时，随着电子技术的发展，PLC的硬件功能不断增强，除了提供逻辑处理功能以外，PLC还不断完善了数据运算能力，以便用于各种数字控制领域。
随着PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
在保留PLC功能的前提下，采用面向现场总线网络的体系结构，采用开放的通信接口，如以太网、高速串口等；同时，PLC采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路具备很强的抗干扰能力，一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间更长。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
因此，整个系统具有极高的可靠性，在变电站综合自动化中得到了广泛的应用。
1.2国内外发展现状
1.2.1国外智能GIS发展现状
当前，世界上大型高压开关制造公司竞相改革GIS的二次技术，尤其欧洲几大制造公司表现的更为突出。
1）西门子公司
最新型8DN9GIS采用了在线检测系统，利用计算机辅助的电子控制和监视单元进行连续控制和监测。
用电流和电压传感器取代传统电流电压互感器。
带间隔处理能力的数字间隔控制系统用于监测和记录所有基本运行参数，这样可以进行系统发展趋势分析，实现“状态检修”。
2）Alstom公司
在就地控制柜中安装计算机控制二次功能。
用密度计、光电传感器、电流传感器和局放测量传感器对GIS进行周期性或永久性的状态监测，用光纤或屏蔽电缆传送信号，数字技术和计算方法将所有信息不仅用于间隔的自动控制，也用于监测整个设备。
3）ABB公司
GIS产品分为EXK和ELK型，其产品很有特点。
ABB公司早在1984年就开始更新高压电器设备的二次系统控制技术，将一次和二次技术融合在一起，在二次技术上经历了3个发展阶段：
传统技术、现代技术和智能技术。
其中在EXK为智能化产品[2]有72.5、123KV电压等级，其中EXK-01型Smart-GIS中体现了智能技术应用，是先进的一次设备制造技术、新型传感器和现代计算机技术的整合。
1.2.2我国智能GIS发展现状
随着淮北110千伏桓谭变电站投运，我国已建成的智能变电站数量已经超过10座以上。
其中有北川110千伏智能变电站、220千伏西泾智能变电站以及500千伏兰溪变电站，特别是世界最高电压等级的智能变电站——750千伏延安变电站投运，标志着我国智能变电站试点工程不断取得进展。
这将拉开我国开始大规模建设智能变电站的序幕，同时对于我国建设坚强智能电网[4]也具有重要意义。
我国在淮北110千伏桓谭变电站的建设过程中，采用大量的新技术、新工艺、新设备来实现整个变电站的数字化、智能化。
工程建设中应用国内领先的纯光纤电子式电流互感器；断路器独立地执行其当地功能，一次开关实现智能化；应用国内领先光学电压互感器技术；应用统一的信息共享平台；将通过配置光伏发电系统，以实现变电站的“零损耗”；应用智能化告警与分析策略高级智能功能应用智能站用电源及辅助设备系统；应用变压器新型光纤光栅温度传感器在线监控系统应用；采用GOOSE网络，实现网络化、信息共享标准化；应用GIS组合电气采用SF6压力、微水在线监测系统等，采用数字化的监视和控制手段减少了设备停电检修的几率和时间，实现一次设备100%在线监控。
1.3本文的主要内容
本文研究的是可编程控制器在110kV智能化气体绝缘金属全封闭开关二次控制与检测中的应用。
全文共分为四章，各章内容简介如下：
第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；
第二章可编程控制器简介；
第三章基于可编程控制器的智能GIS开关系统设计与实现；
第四章系统控制程序的设计
本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。
2可编程控制器简介
2.1可编程控制器的定义和特点
根据1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做如下定义：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的操作指令，并通过数字式或模拟式的输入/输入控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
可编程控制器具有如下特点：
1）可靠性高，抗干扰能力强
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
为确保一些极其重要用户使用在极其苛刻条件下，部分PLC厂商采用硬件或软件冗余措施，使PLC的平均无故障工作时间更长。
同时，现有PLC通常都带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息，提供用户使用。
这样，整个系统具有极高的可靠性。
2）配套齐全，功能完善，适用性强
随着科学技术的进步和电子技术的发展，PLC厂商也大力发展PLC硬件和软件技术，形成了大、中、小各种规模的系列化产品，用于各种规模的工业控制场合。
不仅完善了逻辑处理功能，而且还有完善的数据运算能力，用于各种数字控制领域控制。
同时，随着PLC的功能单元大量完善，PLC可用于位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制场合中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，接口简单，编程语言易于为工程技术人员接受，其梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.2可编程控制器的结构
PLC主要由中央处理器CPU、存储器、输入/输出接口电路、电源、编程器组成，其系统结构如图2.1。
图2.1PLC的系统结构
1）中央处理器CPU（CPU芯片）
CPU是PLC系统的运算核心和控制核心。
功能主要是解释PLC指令以及处理软件中的数据。
它不断地采入输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。
响应外围设备（如编程器、打印机等）的请求。
2）存储器
PLC的存储器分为系统存储器和用户存储器。
系统存储器用来存放系统管理程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。
由只读存储器、ROM组成。
厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。
用户存储器用来存放用户编制的梯形图程序或用户数据，分为用户程序存储区和工作数据存储区。
一般由RAM、EPROM、E2PROM构成。
RAM是随机存取存储器，它工作速度高、价格低、改写方便，为了防止掉电时信息的丢失，常用高效的锂电池做后备电池。
EPROM、E2PROM是非易失性的，可以用编程器对它编程，它们兼有ROM的非易失性和RAM的随机存储的优点，但写入信息的时间比RAM长。
3）输入接口电路
输入接口电路是负责接收外部输入元件信号电路接口。
可用于输入开关量信号的数字输入接口模块和用于输入模拟量的模拟信号输入接口。
数字输入接口模块可以由光电耦合电路和微型计算机输入接口电路组成。
采用光电耦合电路与现场输入信号相连可防止现场的强电干扰信号进入PLC。
光电耦合器的抗干扰性能是：
由于输入和输出端是靠光信号耦合的，在电气上是完全隔离的，因此输出端信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰和其他串扰。
模拟信号输入接口输入的模拟量信号分2类4种量，2类分别是电压型和电流型。
电压型有0-10V和-10到10V。
电流型主要有4-20MA，0-20MA。
然后模块再通过A/D转换，把模拟量转换成+32767～-32768之间的数，然后参与PLC控制。
4）输出接口电路
输出接口电路是用于将PLC的运算结果转换后作用于控制对象上，以便达到控制目的。
输出接口电路分开关量信号输出的数字输出接口和模拟量输出的模拟信号输出接口。
数字输出接口有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应管，驱动交流负载的双向晶闸管以及既可以驱动交流负载也可以驱动直流负载的小型继电器。
负载电源可由外部现场提供。
由于输入/输出接口电路采用了光电耦合电路或继电器隔离电路，使得输入/输出电路与内部电路在电气上完全隔离，从而防止了现场隔离干扰，保证PLC能在恶劣的环境下可靠地工作。
模拟量输出模块是指PLC可以根据计算后的输出要求，在模拟量输出模块中进行相应精度的D/A转换，可根据现场要求输出一定精确度的模拟量信号，用于现场对象的控制。
5）电源
PLC的电源是指将外部输入的交流信号经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入/输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路。
为了减少电源间的相互干扰，输入/输出接口电路与内部电路间的电源彼此相互独立。
电源的好坏对PLC的可靠性至关重要。
大部分PLC都采用开关电源供电。
2.3可编程控制器的工作原理
图2.2PLC的扫描工作过程
当PLC投入运行后，整个PLC其工作过程一般分为三个阶段：
即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
PLC的扫描工作过程如图2.2所示。
1）输入采样阶段在PLC上电自检后进入输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有现场设备的输入状态和模拟量数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的锁存器单元内。
2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，CPU从第一条指令开始按指令步序号作周期性循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直到遇到结束。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
在输入采样、输出刷新的这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2.4当前流行的可编程控制器
从20世纪70年代初开始,在30多年的时间里,PLC的生产已发展成一个巨大的产业,曾出现PLC生产厂家众多、PLC品种繁多，而且与个人计算机（PC）相比，PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的，在硬件方面，各厂家的CPU模块和I/O模块互不通用，在软件方面，各厂家的PLC编程语言和指令系统的功能和表达方式也不一致，形成了互不兼容的现状。
纵观生产PLC的众多厂家中较有影响力的、在我国市场占有较大份额的公司及其产品主要情况如下：
1）美国A-B公司。
主推PLC-5系列大型PLC，其CPU模块主要有PLC-5/10、5/11、5/12、5/15、5/20、5/25、5/30、5/40、5/60、5/250等。
小型PLC主要是SLC-500。
2）德国西门子（SIEMENS）公司。
主要优势在大型机S5-115U、S5-135U、S5-155U；其中机型S-100U也是很好的产品。
历史上SIEMENS的产品素以优良的品质和高昂的价格著称，为了改变其形象，占领新的市场份额，近年来该公司相继推出了小型机S7-200和S7-300，已经给该公司带来了新的声誉。
3）美国的GEFANUC公司。
其有优势的产品是90系列PLC：
90-70、90-30、90-20和分布式I/O系统GeniusI/O等。
4）日本OMRON公司。
其产品主要有3个系列：
属于Micro机种的SP系列——SP10、SP16、SP20；低档机P系列——C20P、C28P、C40P、C60P和C20板式机；较P系列处理速度提高一个量级，有的还与上位机有通信联网能力的H系列机，如C20H、C28H、C40H、C60H、C200H、C1000H、C2000H。
到了20世纪90年代初期，OMRON公司又推出了全新的模块式CMQ1机。
5）日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI）。
主要是F系列和A系列两个系列。
F系列是整体式结构的小型机，较新的产品有F1、F2、FXO、FXON、FX2、FX2C，其中主推FX2。
A系列是模块组合式中大型PLC，又分3个小系列，主要包括A1N、A2N（S1）A3N；A1S（S1）、A2S（S1）、A2AS（S1）、A（S1）、A3A。
3基于可编程控制器的110kV智能化GIS二次控制系统设计与实现
3.1系统控制要求
3.1.1系统总体控制要求
传统的GIS控制系统主要是模拟控制板、多位控制开关、光字牌、辅助开关、中间继电器、接触器等构成，用户通过手动操作模拟控制台，通过一系列的中间继电器的联锁验证后，在满足主回路逻辑条件和内部电控元件的自锁保护条件下，对开关进行输出控制，光字牌则主要用来直接反映开关位置状态和其它报警信号。
其现场安装接线和调试工作量大，大量元件造成整个系统可靠性较低，容易拒动和误动作，而且，无法进行智能控制和在线监控功能。
本文提出的基于PLC系统的GIS二次智能化控制和监测系统，省去了模拟控制板、光字牌和中间继电器等外设元件，它们都将以模拟或者数字信号的方式存在于PLC程序中或者直接显示于触摸屏。
一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。
换言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。
其中中间继电器均以中间变量的形式存在于PLC程序中，而模拟控制板和光字牌则直接在触摸屏中以图形状态体现，同时与PLC程序中的对应变量相关联。
因此它不仅节省了元件成本，同时也提升了系统的安全性和稳定性。
同时，为监测GIS一次元件的正常运行，早日发现事故隐患，本系统根据GIS开关运行特性，除应满足电力系统要求的“五防”和“四遥”外，还增加了如下的智能化程序模块，以便用户能迅速判断开关的运行状况，更准确地确定开关的检修时间，使开关的状态检修更加有针对性，最终达到节约成本目的：
1）断路器、三工位隔离、接地开关、快速接地开关等操作元件的合分闸操作记录，用于监视各一次主要操作元件是否达到额定的机械寿命。
2）断路器事故分闸记录，记录开断电流的加权值，间接测量断路器弧触头的烧损情况[1]。
3）记录各元件气室的SF6气体密度变化情况，同时增加监视SF6气体的下降变化率，以便更准确地判断故障。
4）断路器、三工位隔离、接地开关、快速接地开关等操作元件的操作回路监视，包括常规的回路断线，电机回路故障等，还增加了电机操作电流监视，以判断机构有无卡涩等情况。
3.1.2系统的主要功能组成
整个系统由设备控制部分、在线监测部分和安全监控部分组成。
设备控制部分主要完成数据和状态信号采集、现场控制输出。
在线监测部分主要进行现场模拟量数据的收集、分析，并向用户提供状态检修意见和报警功能。
监控部分则通过比较经过CPU处理的数据，实时显示系统各元件的工作状态，并向设备控制层发出控制指令，实现“遥信、遥测、遥控、遥调”功能。
系统监控层通过西门子的软件STEP7和SIMATICWINCCFLEXIBLE操作屏组态软件进行编程，它承担了控制操作、状态显示、数据处理、操作记录等功能。
用户在就地操作时，可通过触摸屏了解整个系统的工作状态，查看报警信息、发出控制信号；用户在远方操作时，可通过WINCC组态后的画面，了解整个系统的工作状态，查看报警信息、发出控制信号。
此监控层实现的主要功能如下：
1）控制操作：
对系统内的所有被控断路器和辅助开关进行实时控制。
2）状态显示：
用图形实时地显示一次主接线图内主要元件的运行状态。
3）数据处理：
利用实时数据和历史数据，对系统内采集的各状态量进行逻辑判断。
4）操作记录：
实时地记录用户对本系统的每一个操作（包括日期、用户名、设备名、具体操作结果等）
5）报警功能：
当某一指定状态量发生变位时，直接通过触摸屏中的虚拟光字牌显示系统报警信号。
6）安全设置：
可以设置多级密码，按不同的操作权限分别加密，以特定管理员来限定用户级别，并记录其它用户信息；普通用户将无法创建其它用户或者查看其它用户信息；管理员和普通用户均须登录成功后方可进行控制操作或者查看操作记录。
3.2可编程控制器的选型
3.2.1系统的硬件配置和构成
GIS控制系统硬件配置与一次元件的构成是相互相存的，主要根据一次元件的内容来配置二次元件功能和配置，为了说明本文的主要功能，设计一次系统主接线如图3.1所示：
M
DSES11
DSES01
PT01
CB11
CT11
CT14
DSES23
PT11
LA11-13
FES1
图3.1一次系统主接线
其中CT11-CT14为电流互感器，用于测量一次系统电流，PT01为母线侧电压互感器，用于测量变电站母线电压，PT11为线路侧电压互感器，用于测量线路侧电压，CB11为线路断路器，DSES11为母线侧三工位开关，DSES13为线路侧三工位开关，FES1开关为线路侧快速接地开关。
通过分析比较国内外知名公司的工控产品并结合GIS智能控制系统的需求，选用了深圳鑫诺尔的HTS-2000VA正弦波逆变电源、西门子的SIMATICS7-300可编程控制器和TP277触摸屏来构成此智能控制系统。
系统硬件配置如图3.2所示:
中央控制部分
电源模块
输入部分
数字量输入模块
模拟量输入模块
输出部分
数字量输出模块
光纤通讯模块
显示接口（MPI）
逆变电源
输入接口
数字量输入口
线圈
元件状态信号
电机电流信号
输出接口
模拟量输入口
指示灯
SF6密度继电器
TP720触摸屏
远方控制中心RTU
图3.2系统硬件配置图
深圳鑫诺尔的HTS-2000VA正弦波逆变电源专门为通信系统、电力系统及工业自动化应用而设计的高品质逆变器，产品具有直流输入过欠压、输出过载保护、短路保护、直流输入与交流输出完全电气隔离等保护功能。
并可提供RS232数字通信口、输入与输出有或无的故障干接点，也可通过计算机进行监控逆变电源的工作状态及历史记录，同时可以通过LCD或LED显示逆变电源的工作状态。
SF6密度变送器采用秦川集团宝鸡仪表有限公司MSK—20型远传六氟化硫气体密度控制器，该仪器用于高压开关设备灭弧气体—六氟化硫（SF6）密度监测[3]的专用仪表，是该公司最新研制的机电一体化产品。
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