plc在变电站变压器自动化系统中的应用docx.docx
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plc在变电站变压器自动化系统中的应用docx
摘要
在变电站中，变压器是实现电能转换的最基本、最重要的设备，对供电可靠性有着重大的影响。
变压器在运行中是有损耗的，一种是空载损耗，它与负荷大小无关;另一种是负载损耗，与负载电流的平方成正比。
变压器运行中产生的损耗将转换为热量散发出来，使变压器绕组、铁芯和变压器油温上升。
变压器的温升影响它的带负荷能力，同时会加速变压器绕组和铁芯所采用绝缘材料的老化，影响它的使用寿命。
变压器运行中所带负荷随时都在发生变化，这将使变压器的损耗也随之发生变化，从而造成变压器油温的变化；同时不管是一年四季环境气温的变化，还是每天昼夜气温的变化，也都造成了变压器油温的变化。
为了保证变压器安全，稳定，经济的运行，要随时检测变压器的油温并由冷却控制装置控制冷却器组运行来控制变压器油温的变化，使其油温维持在一个固定的范围内。
但目前大型电力变压器的冷却控制仍然主要采用传统的继电式控制方式，这种控制方式存在许多弊端：
控制回路接线复杂、可靠性差、故障率较高、维护工作量大，造成冷却器运行不均衡，影响冷却器组使用寿命。
本课题针对存在的问题提出并研制了基于PLC的大型变压器冷却控制装置。
关键字：
变压器自动化；冷却控制装置；损耗；PLC
Abstract
Inthesubstationtransformeristoachieveenergyconversionofthemostbasicandimportantequipment,hasamajorimpactonthereliabilityofpowersupply.Transformersinoperationislossy,ano-loadloss,ithasnothingtodowiththeloadsize;anotherloadlossisproportionaltothesquare,andtheloadcurrent.Lossesarisingfromtheoperationofthetransformerisconvertedtoheatthatcomesout,thetransformerwindings,coreandtransformeroiltemperaturerise.Effectoftemperatureriseofthetransformerwithitsloadcapacity,anditwillacceleratetheagingofthetransformerwindingsandcoreofinsulatingmaterialused,affectitslife.
Transformerloadcarriedbyrunningallthetimechange,whichwillallowthetransformerlossesalsowillbechanged,resultinginthechangeoftransformeroil;simultaneouslythroughouttheyearregardlessofenvironmentaltemperaturechanges,orchangesintemperaturebetweendayandnighteveryday,alsocausedachangeinthetransformeroil.Inordertoensurethatthetransformersafe,stableandeconomicaloperation,thetransformeroiltobereadilydetectedbythecoolingcontroldevicetocontroltheoperationofthecontrolgroupcoolertransformeroilchanges,sothattheoiltemperatureismaintainedwithinafixedrange.Butthelargepowertransformercoolingcontrolisstillmainlytraditionalrelaycontrolmode,therearemanydrawbacksofthiscontrol:
controlcircuitwiringcomplexity,poorreliabilityThispaperfocusesontheproblemsproposedanddevelopedalargetransformercoolingcontrolbasedonPLCdevices.
Keywords:
Transformerautomation;Coolingcontroldevices;Losses;PLC
第1章绪论
目前，已经实际运行的综合自动控制系统有：
LAS系统、基于CAN/LON网的分散分布式变电站控制系统等，它们在实际应用中取得了较好的成效，但也存在着技术和经济上的各种缺点。
本文在研制智能型有载调压变压器监控系统的基础上，从变电站综合自动化发展的大方向（即从集中控制型向分散（层）网络型发展；从专用设备向平台发展，中小变电站综合自动化中的自动化设备有：
可编程自动化监控装置、可编程变压器自动化屏、可编程微机计量屏、可编程微机线路保护屏、可编程微机同期系统、可编程中央信号屏、可编程电容屏、可编程微机直流电源系统等均应用了PLC为其智能化单元，并且都能够挂网运行，方便地实现遥信、遥测、遥控功能，取代了传统的RTU。
众所周知电力变压器是发电厂和变电所的最重要设备之一。
随着电力系统规模的不断扩大和电压等级的提高，在电能输送过程中，电压转换层次有增多的趋势，要求系统中的变压器总量己由过去的5—7倍发电总容量，增加到9—10倍发电总容量。
因此，变压器能否正常运行对于电力系统的安全稳定运行起着至关重要的作用[1]。
变压器的效率虽然很高，但系统中每年变压器总的电能耗仍然是一个相当大的数目。
变压器的损耗主要是铜耗和铁耗，而这些损耗最终均转化为热量，从而使变压器的油温和铁心温度升高。
变压器的铜耗和铁耗产生的热量主要以传导和对流的方式向外扩散，变压器运行时，各部分的温度分布极不均匀。
分析与测试均表明，变压器产生的热量80%以上集中于绕组和铁心，它直接影响着变压器的出力。
通过计算以及运行实践证明，变压器最热点温度维持在98℃以下时，变压器能获得正常使用年限（20—30年）。
根据研究，变压器绕组每升高6℃，使用年限将缩短一半，此即所谓的绝缘老化6℃规则。
可见，温度对变压器的使用寿命有着至关重要的影响。
分析与计算表明，变压器损耗的增加与其额定容量的3/4次方成比例，而冷却表面的增加只与额定容量的1/2次方成比例。
可见，变压器的容量越大，其散热问题就越突出。
因此，如何使变压器最大限度地散热，是变压器生产厂家的重要课题，也是电力部门在生产运行中需要特别关注的问题。
因此要对变压器进行冷却控制。
第2章变压器冷却控制装置的功能和控制方法
2.1电力变压器运行规程中关于冷却控制的规定
在变压器冷却控制装置的设计中参考了电力变压器运行规程（DL/T572-95）中关于强迫油循环电力变压器冷却装置及运行条件的规定，规定如下：
2.1.1对变压器冷却装置的要求
1.要求油浸式变压器本体的冷却装置、温度测量装置等应符合GB6451的要求。
2.按制造厂的规定安装全部冷却装置。
3.强油循环的冷却系统必须有两个独立的工作电源并能自动切换。
当工作电源发生故障时，应自动投入备用电源并发出音响或灯光信号。
4.强油循环变压器，当切除故障冷却器时应发出音响或灯光信号，并自动（水冷的可手动）投入备用冷却器。
5.风扇、水泵及油泵的附属电动机应有过负荷、短路及断相保护；应有监视油泵电机旋转方向的装置。
6.强油循环冷却的变压器，应按温度和（或）负载控制冷却器的投切。
2.1.2变压器温度限值
强迫油循环变压器顶层油温一般不应超过表2.1的规定（制造厂有规定的按制造厂规定）。
当冷却介质温度较低时，顶层油温也相应降低[2]。
表2.1油浸式变压器顶层油温一般限值
冷却方式
冷却介质最高温度
最高顶层油温
强迫油循环
40
85
2.1.3强迫油循环冷却变压器的运行条件
1．强迫油循环冷却变压器运行时，必须投入冷却器。
空载和轻载时不应投入过多的冷却器（空载状态下允许短时不投）。
各种负载下投入冷却器的相应台数，应按制造厂的规定。
按温度和（或）负载投切冷却器的自动装置应保持正常。
2．强迫油循环变压器投运时应逐台投入冷却器,并按负载情况控制投入冷却器的台数。
3．强迫油循环风冷变压器，当冷却系统故障切除全部冷却器时，允许带额定负载运行20分钟[3]。
2.2变压器冷却自动控制装置功能模块设计
本文设计的变压器冷却控制装置的核心是PLC，装置的大多数功能通过可编程序控制器来实现，根据冷却控制装置的功能设计，以PLC为核心，整个控制装置主要设计4个功能模块组成，如图2-1所示
图2-1冷却控制装置功能块框图
变压器冷却控制装置的控制功能通过电源监视控制、冷却器投切保护、凝露温度监控、就地控制与显示、通讯、上位计算机监视六个功能模块实现，功能模块的实现方法和作用简要介绍如下：
1．电源监视控制模块。
模块通过小型电压继电器监视两路独立电源的状态（两路独立电源为冷却装置供电），判断电源是否缺相，由两个断路器控制电源的投切；将两路电源的故障信号和断路器辅助节点所反映的电源工作状态信号送入可编程序控制器，经可编程序控制器综合判断产生控制电源投切的控制命令，由断路器执行电源投切动作。
2．冷却器投切保护模块。
模块采用交流接触器控制冷却器的投入和切除，自动空气开关和电动机保护器配合实现对风扇和潜油泵电动机的短路、过载、堵转和缺相保护。
可编程序控制器采集变压器温度信号、运行状态信号、油流继电器反映的冷却器油流状态信号、反映电动机故障状态的空气开关状态信号和交流接触器状态信号，由可编程序控制器根据送入的这些信号进行电动机、油流和接触器故障的判断和定位并产生投切冷却器的控制命令，由交流接触器执行投切动作[4]。
3．凝露温度监控模块。
模块采用凝露温度监控器对环境的温度、湿度进行实时监控，当湿度达到设定值后其凝露负载输出接通，信号送到可编程序控制器，由控制器决策定时投运全部风冷却器；同时湿度达到设定值时控制装置能启动冷却控制装置箱体内的加热装置，为控制装置箱体除湿；温度达到设定值时启动装置箱体内风扇，给控制装置散热。
4．通讯模块。
通讯模块通过PLC上的RS485口经串口长线延长器与远方的上位计算机通信，定期的将变压器、冷却器和冷却控制装置的运行信息、故障信息通过串口传送到上位计算机。
第3章变压器冷却自动控制装置的硬件设计
变压器冷却器控制装置要用到诸如可编程序控制器、凝露温度监控器、接触器等电气元件，本章我们介绍冷却控制装置设计中用到的主要电气元件及其在控制装置中的应用，装置的电气连接。
3.1电气元件及在装置中的应用
3.1.1电动机保护器
变压器冷却控制装置采用GDH系列电动机保护器与自动空气开关组合实现对电动机的缺相、过负荷、堵转和短路保护。
GDH系列电动机保护器集缺相、过流、堵转保护为一体，具有工作灵敏可靠、安装方便、故障率低等优点，是替代热继电器实现电动机保护的理想换代产品。
3.1.2凝露温度监控器
凝露温度监控器是监视工作环境湿度、温度，当湿度、温度达到设定值能启动用户连接的凝露负载和控温负载的一种自动化工业仪器[10]。
我们设计的冷却控制装置采用LWK－D2（TH）型凝露温度监控器，它具有两个相对独立的工作单元：
凝露控制单元一个，温度控制单元一个。
可对环境的温度湿度进行实时控制，自动起动负载，保证温度指标符合工作标准，同时具有体积小、安全性高、外形美观、加热效率高、加热效果好、防潮、防凝露和低温加热性能优越的特点。
电气连接如图3.1所示：
图3.1凝露温度监控器电气图
安装方式：
（1）基座式：
将8芯继电器座固定在35mm导轨或通过安装螺孔直接固定在安装板上。
（2）嵌入式：
在安装面板上开具45＋0.5×45＋0.5mm2孔，通过安装支架将控制器固定在面板上
凝露温度监控器的端子1、2连接温度传感器，5、6连接凝露传感器，3、4连接控温负载，7、8连接凝露负载，11、12连接交流220V电源。
LWK－D2（TH）型凝露温度监控器的工作原理是：
监控器通过凝露传感器和温度传感器对工作环境的湿度、温度等指标长期自动检测、采样；当工作环境有凝露产生的可能时，能自动判断并瞬间启动凝露负载；工作环境温度高于设定温度值时，相应的控温负载也将开启；环境温湿度低于设定要求时才停止工作，重新进入监控状态，如此自动循环。
在冷却控制装置中凝露温度监控器监视环境的温度、湿度，有凝露产生的可能时，启动装置箱体内的加热装置，同时将“凝露”信号送到PLC用于判断启动冷却器；当温度超过设定值，将装置箱内风扇启动，为控制装置散热[5]。
3.1.3开关器件
变压器冷却控制装置中要用到断路器、接触器、空气开关、转换开关等。
这些器件主要选用施奈德公司的产品，施奈德公司的产品功能卓越、具有较高的安全稳定性和电气统一性。
装置选用继电器和开关的名称和型号规格如下：
（1）断路器，型号：
NS-100,3P,AC380V
（2）接触器，型号：
CA2-DN22Q5C
（3）接触器，型号：
LC1,32A,AC220V
（4）空气开关，型号：
GV2-M20,13-18A,400V
（5）空气开关分励线圈,型号：
AS225,AC220V
（6）空气开关辅助节点，型号：
LA1-DN22
（7）小型继电器，型号：
MAX7A,AC250V
（8）信号继电器，型号：
DX－8，0.025A
（9）中间继电器，型号：
MAXDC220V
（10）转换开关，型号：
LW5-15D7612/9
（11）熔断器，型号：
RT18-32,32A
由于所用继电器和开关器件种类和型号较多，在此不一一介绍。
在本章“冷却控制装置电气接线”一节中，结合具体实现电路介绍其在变压器冷却控制装置中的使用和作用。
3.2可编程序控制器
在以可编程序控制器为核心的变压器冷却控制装置中，输入、输出通过可编程序控制器连接起来，构成完整的控制系统。
输入为可编程序控制器提供完成控制功能所必须的数字量、模拟量；可编程序控制器采样输入，执行编制的程序，根据程序设计对所采集信息进行综合分析、判断并作出决策，产生数字量、模拟量输出，驱动执行器件，完成控制功能[6]。
3.2.1可编程序控制器的输入输出
根据变压器冷却控制装置的功能设计和结构设计，同时结合冷却控制装置的设备选型，可以确定可编程序控制器输入/输出的来源或者去向及输入/输出的性质和数量。
表3.1中给出了可编程序控制器的输入/输出名称，输入来源和输出去向以及输入/输出的性质及数量，从表可知可编程序控制器共有36路数字量输入和23路数字量输出。
输入/输出性质及点数的确定非常重要，成为可编程序控制器选型的一项重要指标，可编程序控制器连同其输入/输出模块必须满足输入/输出点数的要求。
表3.1可编程序控制器的输入输出
输入/输出名称
来源/去向
性质及数量
“自动”工作状态
转换开关
1路数字输入
“手动”工作状态
转换开关
1路数字输入
“主/辅”电源选择
拨码开关
1路数字输入
Ⅰ、Ⅱ电源正常
电源检测继电器
2路数字输入
Ⅰ、Ⅱ路电源投入
断路器辅助触点
2路数字输入
输
三侧开关状态
三侧开关辅助触点
1路数字输入
入
切除冷却器温度
温度继电器
1路数字输入
投入冷却器温度
温度继电器
1路数字输入
报警温度
温度继电器
1路数字输入
凝露状态
凝露温度继电器
1路数字输入
油流状态
油流继电器
8路数字输入
电动机状态
自动空气开关
8路数字输入
风冷却器的投入状态
控制风冷却器接触器
8路数字输入
合计
36路数字输入
冷却器的投入信号
控制风冷却器接触器
8路数字输出
输
冷却器故障信号
指示装置
8路数字输出
出
冷却器故障类型
指示装置
3路数字输出
电源分信号
控制电源断路器分输入
1路数字输出
电源合信号
控制电源断路器合输入
2路数字输出
掉三侧开关信号
变压器控制屏
1路数字输出
合计
23路数字输出
3.2.2可编程序控制器的选择
根据变压器冷却控制装置对可编程序控制器控制功能、输入/输出性质及点数，存储容量的要求，综合考虑性能、可靠性、价格等方面的因素，我们选用西门子S7－200型PLC作为冷却控制装置的控制器。
可编程序控制器的选型，主要从以下几个方面考虑:
1．控制功能。
所选择PLC能最大限度的满足控制系统的控制功能是选择PLC时首先考虑的问题。
S7-200型PLC代替了很多定时器、计数器、继电器所实现的功能，该PLC具有位逻辑、计数、定时、移位循环、比较、数字运算等指令，同时支持子程序和中断，能通过串口完成通讯，在控制功能方面，S7-200型PLC能满足冷却控制装置的功能需求[37]。
2．输入/输出性质及点数要求。
我们选用CPU224（14数字输入/10继电器输出），CPU有内部电源可以为CPU自身，扩展模块和其他用电设备提供5V和24V直流电源。
同时采用如下扩展模块，EM221（16路数字输入），EM222（8继电器输出），EM223（8数字输入/8继电器输出），共38路数字量输入和26路输出。
扩展模块通过与CPU连接的总线连接电缆取得5V直流电源。
不同规格的CPU提供的电源容量不同，需要根据实际应用就电源容量进行规划计算，如表3.2所示：
表3.2PLC电源计算
CPU电源预算
5V直流
24V直流
CPU224AC/DC继电器
660mA
280mA
减去以下电源需求
减去以下电源需求
系统要求
5V直流
24直流
EM221,5V电源需求
70mA
EM222,5V电源需求
40mA
EM223,5V电源需求
80mA
CPU224,14输入
14*4=56mA
CPU224,10继电器线圈
10*9=90mA
EM221,16输入
16*4=64mA
EM222,8继电器线圈
8*9=72mA
EM223,8输入
8*4=32mA
EM223,8继电器线圈
8*9=72mA
总需求
190mA
386mA
总电压差额
剩470mA
缺106mA
3．从表中电源计算可以看出，装置需要额外提供24V直流电源，需加装直流电源后系统才能正常工作。
在输入/输出性质及点数要求方面，采用上面提到的CPU和扩展模块能满足装置的要求[7]。
4．存储容量。
CPU224具有8192字节的程序存储器和5120字节的数据存储区，能满足程序编写对存储容量的要求。
5．从电源和带负载能力方面考虑。
S7－200型PLC适合运行于额定电压为120～220V交流电源的场合，在变电站能提供220V交流电源；输出为继电器输出，继电器触点的电位对电源和输入是隔离的，可以将各种不同的负载连接到继电器输出。
S7－200型PLC满足了电源和带负载能力的要求。
6．安全可靠性方面。
变压器冷却控制装置安装地点电磁环境复杂，对设备的安全可靠性提出了更高的要求。
所选择的PLC在满足前文所述指标的前提下，安全可靠性问题是我们最关注的，因为冷却控制装置能否可靠运行将直接影响变压器的可靠运行。
西门子S7-200型PLC具有较强的抗振性，及很强的电磁兼容性（EMC），并完全符合各项工业标准，能够应用于各种气候条件。
使用简单方便，并且模块不需要太多的附件和放置空间，使得控制柜的体积变得更小；不易于磨损，节省维护费用；编程十分简单，此外S7－200型PLC价格相对较低，降低了控制装置的成本。
我们综合考虑控制功能、存储容量和输入/输出点数、电源和带负载能力、安全可靠性方面及安装使用等各个方面，选用S7－200型PLC作为控制装置的控制器，能从各个方面满足我们的控制要求[8]。
3.3装置电气连接
3.3.1电源监控和凝露温度监控部分电气接线
冷却系统由两路电源供电，可以通过开关选择一路为“主”电源，一路为“辅”电源，电源监视控制部分的作用是，监视两路电源的状态，并将电源状态信号送入可编程序控制器；同时接受可编程序控制器的控制命令，通过断路器动作选择一路电源为装置供电。
凝露温度监控器可以实时监视环境的温度、湿度，条件达到时可以启动凝露负载、温度负载，对可能产生的凝露、超温情况采取应对措施。
电源监控和凝露温度监控部分电气接线原理如图3.2所示：
在图3.2所示线路中，小型电压继电器1YJ、2YJ、3YJ的线圈分别连接电源1的三相X1、X2和X3负责监视电源1的状态，三个电压继电器的常开触点串联后连接中间继电器1ZJ的励磁线圈。
电源各相均正常时小型继电器1YJ、2YJ和3YJ的常开触点都闭合，中间继电器1ZJ的线圈励磁，1ZJ常开触点闭合；1ZJ的常开触点连接可编程序控制的输入端，送入电源状态信号。
小型电压继电器4YJ、5YJ、6YJ和中间继电器2ZJ的配合实现对电源2的监视，接线和工作原理与电源1的监视电路类似。
图3.2电源监视控制接线图
中间继电器1ZJ的触点负责为断路器和凝露温度监控器提供电源，当电源1正常时，1ZJ的常开触点闭合，常闭触点打开，由电源1为断路器和凝露温度监控器的工作提供电源；当电源1非正常时，1ZJ的常开触点打开，常闭触点闭合，由电源2为断路器和凝露温度监控器供电。
断路器可执行可编程序控制器输出的电源选择控制指令，为冷却器组及控制装置选择一路电源。
接触器的A4为“分闸”输入，A2为“合闸”输入，“分闸”输入具有更高的优先级，即两输入端都为有效状态时，断路器优先执行“分闸”动作。
接触器的主触头分别连接两电源和变压器冷却装置的电源进线，输入端连接可编程序控制器的输出和断路器常闭辅助触点的组合。
图中Q3.4为控制2JC的“合闸”信号，Q3.5为控制1JC的“合闸”信号，Q3.6为控制1JC和2JC的“分闸”信号。
2JC的常闭辅助触点和Q3.4串联接入1JC的“合”输入端可以防止两电源同时投入，因为2JC处于“合闸”状态时，电源2供电，其常闭辅助触点打开，1JC的“合闸”输入端处于无信号的状态，电源2不能投入。
同理1JC的常闭辅助触点和Q3.5串联接入2JC的“合闸”输入端可以防止电源同时投入的情况发生。
凝露温监控器的工作原理已经介绍过。
图中ch11为温度传感器，ch12为湿度传感器；WCG为冷却控制装置箱体内的加热装置。
3ZJ为中间继电器的励磁线圈，WCG和3ZJ连接到凝露温度监控器的“凝露负载”输出；D为风冷控制装置箱体内的风扇电动机，连接到凝露温度监控器的“温度负载”输出；id为冷却控制装置箱体的照明装置，一端连冷却控制装置的电源，N连接控制装置电源的中线。
中间继电器3ZJ的励磁线圈连接到凝露监控器的“凝露负载”输出，当环境湿度达
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