基于PLC的站用电源备自投装置的设计.docx
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基于PLC的站用电源备自投装置的设计
摘要
随着国民经济的增长的需要，我国电网覆盖面积日益扩大，于此同时，对供电系统的稳定性要求也日益提高，备自投作为提高稳定性的自动投入装置已成为研究的重要课题。
针对此类问题，本设计采用智能可编程控制器（PLC）来解决。
该文以屏边倮姑水电站为例进行设计，主要对此类小型电站的站用电源备自投的设计。
该设计论述了课题研究的目的、意义即在设计过程中遇到的问题和解决方法与措施。
该文详细介绍了针对倮姑水电站站用电源备自投的总体实现方案设计，重点是缺相检测和运用PLC解决交流继电器的逻辑控制设计。
通过缺相检测方案的设计，解决了PLC输入采样问题，为PLC动作提供逻辑输入，根据继电器控制要求设计PLC的控制模块。
设计主要成果有三相电源缺相检测回路及设备选取，控制模块中有主电路图设计、I/O分配表、PLC控制接线图、梯形图及程序及PLC的选型。
本文设计备自投系统性能良好、实现自动控制要求、动作灵活、操作方便、故障率较低、维护简单方便，实时解决了倮姑水电站站用电源备自投空缺问题，并满足了控制稳定性要求。
关键词：
可编程控制器（PLC）；备自投；自动控制
ABSTRACT
Summarywiththegrowthneedsofthenationaleconomy,China'spowergridcoveringanareaofgrowing,atthesametime,increasingdemandsonstabilityofpowersupplysystem,winequipmentasinputstoimprovethestabilityofautomaticdeviceshavebecomeanimportantresearchtopic.
Forthistypeofproblem,thisdesignusesintelligentprogrammablecontroller（PLC）asasolution.ThecasestudyofpingbianCountyKouhydropowerstationdesign,intendedforsuchsmallpowerplantspowerautomaticbustransferstationdesign.Thedesignaddressesthepurpose,meaningthatresearchproblemsandsolutionsencounteredduringthedesignprocessandmeasures.WhichprovidesadetaileddescriptionofKouhydropowerstationwithpowerintotheoverallsolutiondesign,focusingonthemissingphasedetectionandapplicationofPLCaddressACrelaylogiccontroldesign.Throughthedesignofphasedetectionscheme,solvethePLCinputsamplingissues,providelogicforthePLCinput,accordingtotheblack-whitecontroldesignofPLCcontrolmodule.Mainresultshaveathree-phasepowersupplymissingphasedetectioncircuitdesignandequipmentselection,designofmaincircuitdiagraminthecontrolmodule,I/Oallocationtable,PLCcontrolwiringdiagram,andPLCladderdiagramandprocedureselection.Thisgoodperformance,toachieveautomaticcontroldesignofautomaticbustransfersystemrequirements,flexibility,easeofoperation,lowfailurerate,maintenanceissimpleandconvenient,realtimeKouhydropowerstationwithpowerautomaticbustransfervacanciesandcontrolstabilityrequirementsaremet.
Keywords:
programmablelogiccontrollers（PLC）;automaticbustransfer;automaticcontrol
第一章绪论
1.1课题研究的目的和意
在经济社会和科学技术飞速发展的今天，电力俨然已经成为社会发展和人民生活中不可或缺的重要组成部分，工业用电和居民生活用电不断攀升，从而用户对供电质量和供电的可靠性要求也越来越高，尤其是部分重要用电单位，如工厂、医院、机场、以及发电站站用电等。
它们具有用电量大、要求严格、自动化水平高等特点。
在其用电过程中如果发生突然停电即便是很短的时间，也会使整个生产线停滞，如果不能在短时间内恢复，将会给企业造成巨大的经济损失，，会给人民生活带来极大的不便，使国民经济蒙受巨大的损失，影响国家经济的发展。
例如，2003年8月，在北美东部所发生的特大停电事故之中，有10多个发电站和几十条高压输电线停运，停电面积达24000k㎡，时长29小时之久，损失负荷达61.8GW，受影响的人口约5000万人，经济损失接近300亿美元。
由此可知，在停电的瞬间迅速恢复正常供电是十分必要的，也是刻不容缓的。
因此，电力系统运行中发生故障时，采取相应的措施十分必要，对于供电可靠性的提高具有极大的意义。
我国是一个能源消耗大国，用电量巨大，保证供电的可靠性就显得尤其重要，它不仅关乎人民日常生活的方方面面，更与国家的经济建设与发展紧密相关，是社会经济发展的基础与保证。
因此，对供电可靠性的研究就显得尤为重要，现在俨然成为电力系统研究的重点和热点。
发电站作为供电系统首当其冲的重要角色，其供电可靠性直接关系整个供电系统，为了确保供电系统的可靠性，不管在何种运行方式下都必须保证足够的站用电源，同时为了不造成运行的复杂化，减小反应时间并加快反应速度就必须采用备自投装置来自动切换备用电源。
因此，它的研究具有很强的理论意义和实用价值。
1.2备自投的研究现状
随着微机技术的日益发展与完善，备自投技术正向网络化、自动化、智能化、测量、保护、控制和数据通讯一体化的趋势发展。
备自投作为电力系统中的安全自动装置，它的发展经过了电磁式、整流型、晶体管、集成电路发展和微机型等几个阶段。
从20世纪70年代末开始，国外已经出现了自动控制、电力系统保护等方面的有关研究和试验工作。
我国的综合自动化研究开始于80年代中期，现今国内备自投装置主要有以下三种：
电磁型继电器组屏、微机型装置和软件编程（PLC）备自投。
初期应用最多的是电磁型备自投，而目前在大中型供电系统中主要运用微机型备自投。
基于PLC或其他控制方式控制的备自投主要用于中小型系统，其主要是将装置的各种大量的输入、输出模拟量、开关量，通过虚拟逻辑编程，进行图形化直观式编程和整定，利用软件设计出保护的自动装置逻辑图，利用可编程控制器代替实际的开关和其他设备，在事故是自动判断并投入使用。
而且以其运行的可靠性和稳定性、很高的性价比受到很多电站的青睐，在低压配电系统中得到广泛的应用。
随着经济的发展，现代电网的改造，电力系统的规模也逐渐扩大，结构越来越复杂，性能要求越来越高，备自投装置的逻辑关系因电网结构的变化而改变。
传统的备用电源自动投入装置已经很难满足用户要求，因为传统的备自投一般是靠继电器的逻辑控制来完成，普遍采用慢速切换方式，存在切换时间长、冲击电流大、可能扩大事故等缺点。
为保证发电机组的正常、安全稳定运行，提高供电可靠性，利用PLC所具有的高可靠性、抗干扰能力强、可实现结构的模块化、检修方便、易于改造等诸多优点来实现电站的备自投功能。
运用PLC实现的备自投功能，改变了控制方式，提高了控制速度，在软件控制和扩展方面有了较大提高。
采用软件编程代替传统硬件接线，在控制逻辑改变后只需重新设计软件编程，而不必改变硬件接线。
1.3本设计主要内容
随着社会经济的飞速发展，现代电力技术行业不断发展，电网规模逐渐扩大，这就对供电系统的连续性和可靠性有更高的要求。
为了适应这一需求，保障正常供电，需要安装各种自动装置以保障电力系统可靠、安全、稳定运行，备用电源自动投入装置（备自投）的可靠与否就是其中的关键问题之一。
本文主要针对屏边倮姑水电站站用电源备自投进行研究和设计，以提高此电站供电的可靠性。
主要内容安排如下：
第二章讲述备自投的分类、基本动作原则、工作原理，基本功能以及投入方式，并阐述备自投使用时注意的问题。
第三章结合倮姑水电站的实际电网情况，分析、设计站用电源备自投系统。
主要有备自投系统设计方案的提出、控制流程图的设计、三相缺相检测设计和选型，以及控制模块的设计，控制模块设计包括：
PLC主电路图、I/O分配表、PLC接线图、梯形图和程序以及PLC的选型。
备自投在运行中存在的主要问题等。
第二章备自投概述
2.1备自投装置简介
电力系统中，因故障或其他原因工作电源断开后，将备用电源、备用设备或其他电源自动迅速地投入工作，让用电系统能尽快恢复供电的自动装置，简称备自投装置（BZT装置,英文缩写为ATS）。
备自投装置由于自身接线较简单、实用经济和自投成功率较高等因素，因而在电力系统中应用广泛。
在变电站中，变电站的分段母线可以由彼此无联系的线路或变压器供电。
在发电站中，备自投用于投入站用电备用变压器、备用线路及重要机械的电动机的自动投入中。
利用备自投，在主电源失电后，可以转由备用电源供电，重新恢复供电。
备自投可以有效的提高供电系统的可靠性，而且本身的原理简单，费用较低，易于维护，所以在变电站和发电站及配电网络中得到了广泛的应用。
这是提高对用电客户不间断供电的经济有效的重要措施之一。
2.2备自投的工作原理
备自投装置广泛用于供电系统中。
其接线方式主要有三种：
母线分段断路器自动投入；桥断路器自动投入；线路备用自动投入。
备自投不仅可以用于发电站内部，还可以实现较远距离的两个电站之间的备自投。
备自投装置须校验备用电源和备用设备投入是过负荷的情况以及电动机自启动情况，比如过负荷超过允许限度，或不能保障电动机自启动时，应有自动投入装置动作于自动减负荷。
常规的备自投原理是：
按照运行线路的接线方式来确定好装置动作时的逻辑，设定特定的工作程序，即备自投装置检测进线和母线的各项模拟量以及断路器的开关量，当工作电源出现故障时装置切断故障线路并将备用电源投入运行。
2.3备自投的基本功能
当电源发生故障时启用快速切换装置，即在用电母线失去电源供电后的电压衰减动态过程中，寻找合适的时机将备用电源投上去，以保证电力系统正常运行；当然，在正常情况下，还要实现供电电源和备用电源的快速切换。
在供电电源电源故障时，是单向切换操作的，只能由供电源向备用电源切换；而正常情况下是双向操作的，既可以由供电源切换到备用电源，也可以由备用电源切换到供电源。
备自投可以有效提高供电系统的可靠性，并且可使环网系统开环运行，变压器也可解列运行，从而简化继电保护。
在发电站中，如果采用变压器裂解运行或环网开环运行，能有效减小故障短路电流，提高供电母线残余电压，对保护电气设备，提高供电稳定性有巨大意义。
由于其本身实现原理简单，安装、维护费用较低，因此在发电站和变电站及配电网中得到广泛应用。
然而，当启用备自投时，往往由于电力系统运行中发生了永久性故障、工作人员误操作或者是一二次设备误动等情况造成。
在此情况下，备自投若不能可靠动作，必将导致停电事故及停电范围的扩大，供电可靠性降低。
因此，在备自投设计和逻辑编程中，应设计足够的启动量，完善检查量，以提高可靠性，并适当简化闭锁量，降低启动量整定值，一提高灵敏度。
在一味追求灵敏度及可靠动作时，也应考虑防止装置误动。
在整定计算时尽量弥补。
为防止系统在非永久性故障备自投装置的误动，在整定时间上，可以在允许的范围内适当延长。
虽然备自投可以有效提高供电系统的稳定性，但如果设计安装不当，将导致严重后果，轻者备自投投入不成功，断电设备不能稳定运行，严重者还将导致备用电源电网一起崩溃，造成严重后果和经济损失。
2.4备自投的投入方式
备自投装置课有效提高供电系统可靠性，对提高多电源供电的可靠性，保证发电站站用电源可靠性及连续供电有重要作用。
在发电站中，为了提高站用电的可靠性，一般采用环网供电或两台变压器并联运行的供电方式。
备自投是电网中的重要装置，其动作原理较复杂，方式较多。
主要有以下几种：
（1）低压母联备自投
如图2.4.1所示，备自投控制的开关关联的是变压器低压侧的母线。
母线A、B相互为备用，即当母线A失电压时，通过备自投动作自动将B投入电网使用。
也就相当于母线A所带负荷全部转移到B母线上，母线B为母线A的备用。
同理可得，母线A也是母线B的备用。
此外，低压母联备自投将负荷均分。
假设母线A失压，备自投开关1、2都动作后，母线B提供母线A电源，而母线C不再由原变压器供电，而是通过备自投开关2在母线D处获得电源，此后，原来带母线B、C的变压器改为带母线A、B，原来带母线D的变压器改为带母线C、D，使负荷在两变压器之间实现了均分。
（2）高压母联备自投
如图2.4.2所示其原理和低压母联备自投类似，与低压母联备自投不同的是其关联的母线是变压器高压母线。
（3）
线路备自投
线路备自投关联的是两条线路，如图2.4.3所示，线路b作为线路a的备用，即当线路a因故障或其他原因断开后，母线A失电，线路备自投动作，自动使线路b给母线供电。
2．5备自投的操作要求
备用电源自动投入装置是保障电力系统安全运行和不间断供电的重要技术手段，也是电力用户和电力系统的最后一道安全屏障与依靠。
根据《继电保护和安全自动装置技术规程》的相关规定自动投入装置应符合下列要求：
（1）发电站备用电源应快速切换，其余情况均应保证工作电源断开后投入备用电源。
（2）正常工作电压消失，除有闭锁信号，否则备自投均应动作。
（3）在检修之类切除工作电源时，备自投不需要投入，需手动跳开闭锁。
（4）因BZT的备用对象故障，保护动作时应闭锁BZT。
（5）备自投只能动作一次。
（6）应考虑全站的电源分布情况，为防止BZT动作造成非同期合闸等故障，应在BZT装置动作时切除相关小电源。
（7）当自动投入装置动作时，如果备用电源投入故障，应有保护加速跳闸。
（8）BZT动作前可检查备用电源是否有电压。
第三章对倮姑水电站站用电源备自投的研究与设计
3.1倮姑水电站简介
倮姑电站位于屏边县湾潭乡红河流域一级支流南溪河上，距县城59公里占地18813平方米。
发源于蒙自市芷村水库下游。
按五级梯级电站规划，属径流式水电站，于2001年12月开工，至2003年3月竣工投产。
电站属于引水式径流电站，引水隧洞长2425.4米，压力管道全长782.771米，内径1.2米，支管内径0.55米，电站设计水头为403米，最大水头413米，最小水头为400米，设计流量为4.18立方米/秒，设计多年平均发电量6883万千瓦时，年利用5925小时，保证出力8020千瓦，高程720米。
电站由两台机端电压6.3KV，容量6500KW冲击式机组，经一台两圈变压器升压至110KV；机组屏每台两面，两台机组共四面；主变压器一面；110线路及厂变两面；公用部分一面，电度表一面，采用单网络双机版，后台共三台，通过交换机数据共享。
倮姑电站有三回出线即110KV岔倮线，110KV冲倮线，110KV倮屏线。
且在冲庄、倮姑、岔河三电站中，倮姑电站处于中间枢纽地位。
冲庄、岔河电站的电能通过110KV线路送到倮姑电站汇流到110KV母线后，在通过110KV倮屏线送到屏边110KV零开变电站完成电能输送并入电网运行。
主接线图如下图3.1.1所示
图3.1.1
3.2倮姑水电站站用备自投现状分析
由图可知：
发电站共有两台6500KW机组负责发电，发电后并网入6.3KV母线，并网后由20000KVA的主变负责升压后再与岔倮线和冲倮线并入110KV母线中，最后由倮屏线输送到屏边用电区域。
如图中所示，电站站用电源主要由两台发电机组和一条外来电源提供，正常情况下两发电机组分别对部分站用负载供电，同时外来进线电源作为明备用，当发电机组失电后由此线路负责供电。
因此，倮姑电站站用电源共有三条，且两条正常供电，互为暗备用，外来进线作为明备用。
但电站的备用电源投入时都需手动操作，未采取任何自动投入装置，所以，为了提高倮姑水电站供电的可靠性，本设计将基于PLC自行设计一套站用电源备自投装置，用以满足站用电需要、供电可靠性及自动控制的要求。
设计要点即为采用三菱公司生产的可编程控制器（PLC）将个三个站用电源通过合理设计使其实现自动投入功能，满足供电可靠性并解决电站站用备自投空缺问题。
3.3备自投方案的提出
根据倮姑水电站的电气接线图和备自投的实际情况，供电系统方案如下图3.3.1所示，该方案为三电源进线备自投供电方案。
3.3.1设计思路
传统的站用电源备自投装置大多采用各种继电器、开关、接触器及触电设计，按特定的逻辑关系来实现其转换和控制功能。
其特点是：
结构过于复杂，安装和维修不便，工作量大，安全性太差，逻辑关系既定后更改困难。
采用可编程智能控制器（PLC）解决这类问题有其独特的优势，在电气控制方面具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。
特别在中小型水电站控制中有其独特的优势：
其体积较小，集成度高，运用软件编程来代替传统接线及逻辑，同时具有数字化运算，数据处理和数据通讯功能。
设计采用PLC对三电源的自动切换进行控制，用PLC控制来代替逻辑控制电路。
主要采取的技术方案是：
（1）运用三相缺相检测信号器对进线的三路电源进行检测，并将检测结果作为PLC的输入信号，从而控制PLC的输入。
（2）对电路设计有短路、过载保护和失压保护功能，能自动进行三相电路的缺相检测、三相电流显示。
在三路进线中当任意一路电源发生故障时能自动投入另一路电源对负载进行供电，并发出警报。
当故障电源恢复正常后，能进行反切换，自行恢复，并显示。
（3）选择合适的可编程控制器，设计PLC的程序及相关内容，实现控制功能。
该控制系统能独立自动完成控制功能，具有功能完备、可靠性高、电路结构简单、接线交容易、制造成本较低等优点。
控制流程图如下图3.3.1.1所示：
3..3.1.1控制流程图
3.4系统设计及选型
主要包括进线电源三相缺相检测回路设计及选型和PLC主电路、I/O分配表、主接线图、程序的设计，以及PLC的选型。
3.4.1进线电源三相缺相检测设计
众多的用电系统，常因超负荷供电、维修人员粗心、供电设备故障、电线老化、自然灾害、认为破坏等原因，导致电压突然升高、缺相/断相等，严重影响供电系统稳定性，使很多电气设备被烧坏，同时也因没法及时恢复供电，给国民经济带来巨大损失。
在备自投中同样存在此类问题，因各种原因导致备自投的拒动也有很多。
因此，需设计三相电源的缺相检测。
3.4.1.1三相电源的缺相检测回路的设计
在此设计中，分别对每条进线的三相电源进行检测，设计思路如下：
在进线的3条三相电源主回路中，各相分别连接一个中间继电器，分别为KA1—KA9并与零线构成单相检测回路，分别检测各路进线是否缺相，以进线U2为例，其检测的三个中间继电器分别为KA4、KA5、KA6，在此期间三相电源任意一相电源缺相，其相应的继电器将断开，同时将此继电器的动作信号传入PLC作为备自投动作的输入条件，同理，进线电源U1的检测回路动作原理也如此。
设计缺相检测采样回路如下图3.4.1.1所示：
图3.4.1.1缺相检测采样回路
3.4.2PLC控制模块的设计
本文设计的是站用电源备自投装置，其自动选择投入功能可由小型可编程控制器（PLC）来实现，例如，日本三菱公司的FX2N系列，FX2N系列是三菱PLC是FX家族中最先进的系列。
具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
3.4.2.1电气原理接线图的设计
根据备自投要求，需要对三路进线电源进行控制，电气原理接线路图如下图3.4.2.1所示：
图3.4.2.1电气原理接线图
主回路中输入供电电源有三路U1、U2和U3，其输出负载有两路,负载W1和负载W2.电源U1通过交流接触器KM1主触点的闭合控制其通断，以提供负载W1；电源U2通过交流接触器KM2主触点的闭合控制其通断，以提供负载W2;电源U3通过交流接触器KM3主触点的闭合控制其通断，作为备用电源。
同时，进线电源U1和进线电源U2通过交流接触器KM4连接，当任意一进线故障时自动闭合KM4的主触点，从而将故障回路的负载自动切换到正常电源中，由正常的供电电源继续对故障相进行供电，以提高供电可靠性。
外来电源进线U3的投入使用，将其设定为当进线电源U1和进线电源U2同时失电时才投入使用，即当两工作电源均故障时才投入使用。
QF1、QF2和QF3分别为三个电源主回路输入端的自动开关，也能提供过载保护和短路保护，配合三相交流智能保护器工作。
QK1、QK2、QK3为手动应急处理，当进线电源故障时，备自投若不能正常启动，则启动此手动应急处理。
3.4.3PLCI/O分配表
由PLC的主电路图可确定其I/O分配表，如下表一所示：
表一备自投PLCI/O分配表
外接电路
输入量
外接电路
输出量
U1缺A相检测中间继电器KA1
X000
U1工作接触器KM1闭合
Y000
U1缺B相检测中间继电器KA2
X001
U2工作接触器KM2闭合
Y001
U1缺C相检测中间继电器KA3
X002
U3工作接触器KM3闭合
Y002
U2缺A相检测中间继电器KA4
X003
自动切换接触器KM4闭合
Y003
U2缺B相检测中间继电器KA5
X004
自动切换接触器KM5闭合
Y004
U2缺C相检测中间继电器KA6
X005
U1正常工作指示
Y005
U3缺A相检测中间继电器KA7
X006
U2正常工作指示
Y006
U3缺A相检测中间继电器KA8
X007
U3正常工作指示
Y007
U3缺A相检测中间继电器KA9
X010
U1故障指示
Y010
U1工作/停止
X011
U2故障指示
Y011
U2工作/停止
X012
U3故障指示
Y012
U3工作/停止
X013
自动切换投入KM4显示
Y013
KM4手动切换/停止
X014
自动切换投入KM5显示
Y014
KM5手动切换/停止
X015
故障报警
Y015
3.4.4Plc的选型
由PLC的I/O分配表可知，PLC共有14个输入和11个输出。
因此可选择三菱公司的FX2N-32MR-001,其控制点数为16至
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