基于PLC的220 kV主變風冷電氣控制系統(tǒng)設計

陳韶光，陳炳森，唐正權，胡華麗

（廣西水利電力職業(yè)技術學院，廣西 南寧530023）

0 引言

在我國電力系統(tǒng)中，220 kV變電站屬于地區(qū)樞紐變電站，主要接受500 kV電網(wǎng)及本地區(qū)中型發(fā)電廠的電力并向地級市、縣級市及大用戶供電。近年來，南方電網(wǎng)廣西分公司考慮到各市縣地區(qū)負荷容量及地方經(jīng)濟發(fā)展趨勢，新建或改擴建的220 kV戶外變電站常選用配置采用ONAF冷卻方式（油浸風冷），電壓等級為220/110/35 kV或220/110/10 kV，容量為120/150/180MVA的油浸式三繞組電力變壓器（簡稱主變）。

使用ONAF方式的大中型主變，多采用配備DBF系列低噪聲變壓器專用風扇的散熱冷卻吹風系統(tǒng)（簡稱風冷系統(tǒng)），并根據(jù)主變所帶負荷大小、主變油溫的高低自動啟停[1]相應的風扇電動機（簡稱風機），以實現(xiàn)主變正常工作時的散熱冷卻。

由于主變對電力系統(tǒng)供電可靠性影響甚大，一旦出現(xiàn)故障，停電范圍大，時間長，會造成較大的經(jīng)濟損失，因此，主變對其風冷系統(tǒng)工作可靠性要求極高，一方面要選用優(yōu)質(zhì)的控制電器，另一方面要采用雙電源供電，確保主變風冷控制系統(tǒng)有較高的可靠性。

1 傳統(tǒng)主變風冷控制系統(tǒng)的存在問題

傳統(tǒng)的主變風冷控制系統(tǒng)采用繼電器—接觸器的硬接線邏輯控制，能滿足主變風冷控制的基本要求，但也存在風機啟動順序固定，主變投運前期所帶負荷不大時部分風機長期停轉(zhuǎn)，各風機工作時間難以平衡的問題；邏輯控制硬接線相對較為復雜，為簡化風機控制邏輯，風機普遍采用分組控制，一組對應2臺以上風機并使用時間繼電器延時分組啟動，難以實現(xiàn)對每臺風機運行狀態(tài)的精確監(jiān)控；雖然采用雙電源設計來保證供電可靠性，但雙電源不具備自動切換功能，需要現(xiàn)場人工切換，難以滿足220 kV變電站無人值守的要求。

PLC是近年來在自動控制領域廣泛應用的小型工業(yè)控制用計算機裝置，可靠性高，安裝及編程調(diào)試方便，如將其應用于主變風冷控制，可有效解決上述傳統(tǒng)控制的不足，還可以優(yōu)化控制邏輯，提升自動控制功能，簡化接線，借助其網(wǎng)絡通信功能可實現(xiàn)主變風機的遠程監(jiān)控，更好地實現(xiàn)220 kV變電站無人值守對主變風冷控制系統(tǒng)監(jiān)控的要求。

但是，PLC作為一種計算機裝置，避免不了死機或故障狀態(tài)出現(xiàn)，如何解決PLC死機或故障時對主變風冷系統(tǒng)控制的影響是必須要解決的問題。

2 主變風冷控制系統(tǒng)改進技術要點

根據(jù)傳統(tǒng)主變風冷電氣控制的基本要求，綜合考慮變電站無人值守對主變風冷控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，利用PLC改進主變風冷系統(tǒng)控制設計時應實現(xiàn)以下技術要點：

（1）雙電源設計。風機控制采用雙電源，正常情況下，一個電源工作，另一個電源在工作電源故障時自動投入。兩個電源可以自動切換[2]，任一個電源故障或消失時，應發(fā)出相應的故障報警信號。

（2）自動控制功能。當風冷控制系統(tǒng)置于“就地”位且各風機均置于“自動”位時，風機應根據(jù)變壓器油溫高低和負荷電流大小自動實現(xiàn)啟停控制，且為防止系統(tǒng)過于頻繁啟停風機，當啟動條件低于預設條件10 min就消失時，PLC將保持系統(tǒng)運行10 min后停止風扇工作。

（3）手動控制功能。當某臺風機置于“手動”位時，可不經(jīng)過油溫、負荷電流以及PLC控制而直接啟動相應的風機，當切至“停止”位時，則停止相應的風機，實現(xiàn)主變各臺風機的手動控制。

（4）根據(jù)主變工作狀況投退風冷系統(tǒng)。當主變風冷置于自投控制“工作”位時，只有主變高壓側(cè)斷路器處于合閘位風機才能運行，否則風機停止運行；當退出“工作”位時，主變風冷系統(tǒng)不受高壓側(cè)斷路器投退的控制。

（5）備用模式。對于主變風機應采用分組控制，一般分成兩組，相互間隔。設置“備用”模式控制開關，當投入備用模式時，從每一組中任設一臺風機作為備用風機，在其它風機出故障時投入運行，此備用風機每啟動一次進行輪換。當退出備用模式時，不再留備用風機待用。

（6）遠控模式。當主變風冷系統(tǒng)置于“遠控”模式時，風機將不受控制柜內(nèi)部邏輯控制，而由遠方的主變測控裝置輸出開關觸點對各臺風機進行遠程控制，相當于設置了一套備用風機控制器，在PLC故障等情況下可由遠方實現(xiàn)對風機的控制。

3 基本PLC的主變風冷控制系統(tǒng)設計

基于以上的控制技術要點，設計了一套以西門子S7-200PLC為控制器的220 kV、150 MVA三圈變風冷電氣控制系統(tǒng)，主電路如圖1所示。

圖1 主變風冷電氣控制主回路

3.1 主變風冷電氣控制主回路設計

變電站配有兩個站用380 V交流電源并分別接至Ⅰ段和Ⅱ段站用交流電源母線，正常運行情況下，兩個電源各帶一段母線負荷并作為另一個電源的備用，當各段母線工作電源故障時備用電源能自動投入。風機控制的雙電源分別取自站用交流電源母線的Ⅰ段和Ⅱ段，經(jīng)過電源空氣開關（簡稱空開）QF1、QF2和電源接觸器KM1、KM2后作為風機的電源；電源監(jiān)視及雙電源自動切換由右側(cè)控制回路實現(xiàn)。1QF、2QF為引自兩個電源的電源監(jiān)視及自動切換控制空開，KM1、KM2 為電源接觸器，KA1、KA2 為電源監(jiān)視用中間繼電器，KV1、KV2為具有相序和缺相檢測功能的三相電源控制繼電器，當三相電源相序正確且三相帶電時，其常開觸點接通，否則其常開觸點斷開，切斷相應電源接觸器控制回路，退出該電源。

SA1為兩路電源轉(zhuǎn)換開關，當切至“Ⅰ工作”時，其觸點1-2、5-6接通，Ⅰ段電源為工作電源，Ⅱ段電源為備用電源。當Ⅰ段電源因故消失，KV1復歸，KV1的16-18觸點斷開，電源監(jiān)視繼電器KA1線圈失電，KA1的13-14觸點斷開，KM1線圈失電主觸頭斷開，切斷Ⅰ段電源至風機的供電回路；KA1的51-52觸點接通，如果Ⅱ段電源正常，則KV2、KA2動作，KM2線圈得電，KM2主觸頭將Ⅱ段電源接至風機供電回路，實現(xiàn)了工作電源失電自動切至備用電源的轉(zhuǎn)換。當Ⅰ段作為工作電源恢復時，則會自動又切回至工作電源供電狀態(tài)。

當SA1切至“Ⅱ工作”時，Ⅱ段電源為工作電源，Ⅰ段電源為備用電源，電源的自動切換原理同上；當切至“0停止”時，兩段電源均退出。當任一電源故障（包括相序異常、缺相、失壓）時，KA1、KA2動作，其常閉觸點發(fā)出相應的電源故障信號給PLC。

每臺風機設一個電源空開QF、一個接觸器KM和一個熱繼電器FR實現(xiàn)對風機的啟?？刂坪捅Ｗo，電氣控制回路中各轉(zhuǎn)換開關觸點分合情況見圖2.

圖2 各轉(zhuǎn)換開關觸點分合表

3.2 主變風冷控制PLC輸入輸出回路設計

主變風冷電氣控制用PLC選用S7-200系列CPU226（DI24/DO16）并擴展 EM223（DI16/DO16）模塊，共有40點輸入，32點輸出，具體輸入輸出回路接線見圖3～圖6.

“遠方/就地”控制風機啟停接線如圖3所示。3QF為PLC工作電源及風機控制回路電源空開，當3QF合上，PLC和遠控裝置即可控制各臺風機的啟停。SA5為“遠方/就地”轉(zhuǎn)換開關，當SA5置于“遠控”位時，其5-6觸點接通，此時遠控裝置（變電站主控室主變測控裝置）輸出開關觸點S1～S10接通，控制KM3～KM12動作，實現(xiàn)遠程控制M1～M10風機（見圖1）啟停。SA6～SA15為風機控制轉(zhuǎn)換開關，當開關置于“手動”位時其1-2觸點接通，此時可直接啟動相應風機；當開關置于“停止”位時風機則僅由PLC或遠程裝置控制啟停。

圖3 “遠方/就地”控制風機啟停

自投控制風機啟停接線如圖4所示，當主變高壓側(cè)斷路器在分位（K6常開觸點接通，見圖5）或在合位但主變風冷自投控制開關SA3在“工作”位（SA3的1-2觸點接通）時，給PLC一個主變退出的信號，停止所有風機的自投控制。當任一路電源處于工作狀態(tài)時，相應的KM1或KM2動作，給PLC相應的電源運行信號。當任一路電源處于故障狀態(tài)（相序異常、缺相、失壓）時，其相應的KA動作，給PLC相應的電源故障信號。

圖4 自投控制風機啟停

當SA5置于“就地”位且各臺風機對應的風機控制開關SA6～SA15在“I自動”位時，由PLC根據(jù)主變負荷、油溫高低按程序啟停相應的風機。

當KM3～KM12全部常閉輔助觸點接通時，說明全部風機均停止，給PLC一個風機全停輸入信號（見圖 5）。

圖5 向PLC輸入風機故障信號的拓展模塊

圖5 中，從主變保護柜送來的反映主變負荷值（由主變運行規(guī)程值整定）的電流信號觸點LJ以及高壓側(cè)斷路器輔助觸點TW，從主變油面信號器發(fā)來的油面低溫觸點和高溫觸點信號OT分接控制K1～K6繼電器，再將其觸點信號輸入至PLC，作為風機啟停的控制依據(jù)（見圖4）。每臺風機的熱繼電器動作，其常開觸點控制KD20、KD21（見圖4）和KD22～KD29（見圖5）繼電器動作，向PLC輸入相應風機故障信號，由PLC停止該風機。

3.3 主變風冷電氣控制遠程信號設計

考慮到PLC故障或通信網(wǎng)絡故障時，無法通過通信方式上傳主變風冷控制系統(tǒng)的故障及運行狀態(tài)信號，為此，設計了一系列的遠程開關信號通過硬接線方式接至主控室的主變測控裝置，以實現(xiàn)主變風冷系統(tǒng)運行狀態(tài)的遠程監(jiān)視，如圖6所示。具體信號如下：

（1）電源短路故障信號。正常情況下，兩路電源空開QF均應在合位，當運行過程中空開跳開，其常閉輔助觸點接通，發(fā)出電源短路故障信號。

（2）電源斷相信號。當電源空開QF在合位，但電源監(jiān)視繼電器KA的21-22觸點在分位時，說明該電源失電、缺相或者電源相序異常，發(fā)出電源故障信號。

（3）電源投入運行信號。當兩路電源的KM動作即發(fā)出電源投入運行信號，由于有KM1、KM2互鎖功能設計，正常情況下最能只能有一路電源投入運行。

（4）備用風機故障信號。當PLC根據(jù)需要啟動備用風機，卻收到備用風機故障信號時，發(fā)出該信號。

（5）風機全停信號。當PLC收到全部風機停止（KM3～KM12均未動作）的輸入信號時控制KA16動作或兩路電源KM均未動作（如電源消失）時，判斷并發(fā)出風機全停信號。

（6）風機運行信號。當風機的電源空開QF合位且KM動作時，發(fā)出相應的風機運行信號。

（7）風機故障信號。當風機的熱繼電器FR動作引起相應繼電器KD動作后，利用KD觸點發(fā)出相應風機故障信號。

圖6 主變風冷系統(tǒng)運行狀態(tài)的遠程監(jiān)視

3.4 PLC故障導致風機全停的技術處理技巧

PLC可靠性高，平均無故障運行時間可長達10年，利用其控制主變風冷系統(tǒng)，具有很多優(yōu)點，但是，一旦PLC因受干擾或別的原因出現(xiàn)死機等故障，主變風冷系統(tǒng)突然失控，在無人值守變電站，雖遠程調(diào)度中心可通過主變測控裝置采集到圖6的信號分析到故障原因，但無法迅速趕到現(xiàn)場處理，可能會造成主變停電的嚴重事故，這也是技術人員最為擔心的問題。為此，在PLC內(nèi)部設計有一個看門狗（監(jiān)視定時器WDT），S7-200 PLC看門狗定時時間默認為500 ms[3]，其它類型PLC可根據(jù)需要設定。PLC是按程序循環(huán)掃描的工作方式運行的，在系統(tǒng)程序的控制下順序掃描各輸入點狀態(tài)、按用戶程序進行運算處理，然后順序向各輸出點發(fā)出相應控制信號[4]，從而完成一個工作循環(huán)，再周而復始工作，在每一次循環(huán)開始時復位看門狗。每一個循環(huán)的工作時間因輸入輸出點數(shù)多少、控制程序長短、運算復雜程序不同而有所差別，但一般不會超過500 ms，小于看門狗的設定時間，因此，正常運行情況下看門狗不會動作。

當運行過程中的PLC受到強烈外部干擾，出現(xiàn)程序“跑飛”現(xiàn)象或PLC控制程序存在缺陷，運行過程中進入了死循環(huán)狀態(tài)，此時均無法在看門狗設定時間內(nèi)掃描回到程序的開頭，看門狗動作將PLC由RUN（運行）模式切至STOP（停止）模式。

對于S7-200 PLC，輸出繼電器在STOP模式下的默認值為線圈失電狀態(tài)，即輸出為“0”狀態(tài)，但也可根據(jù)需要設定為“1”狀態(tài)。圖7是進入S7-200 PLC編程軟件，選中“項目→系統(tǒng)塊→輸出表”進入數(shù)字量輸出表，將各臺風機的PLC輸出繼電器Q0.2～Q1.3選上，當PLC從RUN模式切換至STOP模式時，Q0.2～Q1.3將全部動作，啟動全部風機運轉(zhuǎn)，解決了前述PLC故障時風機全停的問題，給運行維護人員爭取了故障處理時間。

圖7 PLC停止狀態(tài)開關量輸出狀態(tài)設置

4 設計應用效果

基于S7-200 PLC實現(xiàn)的220kV主變風冷電氣控制設計方案已在南方電網(wǎng)廣西分公司的無人值守變電站使用，在調(diào)試過程中，對前述的技術和功能要求進行了詳細的動作試驗，各控制邏輯動作正確，整定值動作準確，模擬PLC故障時能進入STOP模式并啟動全部風機運轉(zhuǎn)。投運多年后，系統(tǒng)使用效果良好，未發(fā)生異常狀態(tài)，可推廣應用到主變風冷系統(tǒng)中。