1、大連海事大學 裝訂線畢 業(yè) 論 文 裝訂線二一五年六月 電力系統(tǒng)自動重合閘環(huán)節(jié)的設計與實現(xiàn)緒論課題研究的背景及意義1.1.1 自動重合閘現(xiàn)代電力系統(tǒng)結構越來越復雜，供配電線路電壓等級越來越高，供配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障、事故的幾率也是越來越高，所以，需要提出更多的的解決方案來保障供配電系統(tǒng)的安全，并盡可能的使供配電線路出現(xiàn)事故時所造成的損失降低，繼電保護是電力系統(tǒng)各種安全保護措施中功能最全，效率最高的一種。在高壓供配電系統(tǒng)中自動重合閘功能作為其繼電保護設備中功能最重要的構成部分。它在保證供配電系統(tǒng)安全、可靠和經(jīng)濟運行方面有著不可替代的作用。運行經(jīng)驗表明，供配電線路特別是架空線路上的短路故障有一大部分是

2、暫時性的，在其對應的斷路器跳閘斷開后大部分故障都可以自行恢復正常。所以通常采用自動重合閘裝置（Automatic Reclosing Device，ARD），其功能是讓斷路器按一定要求自動重新合閘，從而達到快速恢復系統(tǒng)供電的效果。即，當供配電線路（一般為架空線路）出現(xiàn)問題時，首先繼電保護裝置動作使斷路器跳閘將線路開斷，同時啟動自動重合閘裝置，經(jīng)過預置的時間后自動重合閘裝置使斷路器重新合閘使線路的供電恢復。如果線路上的故障是永久性的，這種情況下保護裝置會再次使斷路器跳閘斷開線路，這時自動重合閘裝置不應該使斷路器再次合閘。根據(jù)我國相關法律法規(guī)的要求，供配電系統(tǒng)中電壓在1KV以上而且包含有架空線走線

3、的線路，該線路中使用的斷路器通常應該具有自動重合閘功能1-3。1.1.2 基于PLC和MCGS的自動重合閘當今在我國應用最為廣泛的自動重合閘裝置還是電磁式的，電磁式ARD的功能實現(xiàn)主要靠繼電器-接觸器完成，但是因為繼電器運行過程中可能會因為種種原因導致出現(xiàn)拒動、誤動情況，而且繼電器也可能因為環(huán)境或者保養(yǎng)不善導致其觸點氧化或因為電弧問題引起熔焊而出現(xiàn)觸點粘連情況，這些現(xiàn)象都可能致使自動重合閘故障，影響供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。同時，電磁式ARD其定時單元精確度低且調整麻煩，與繼電保護裝置配合較難。電磁式ARD功能擴展相對復雜且可靠性低，不利于實現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動化控制，并且其體積大，安裝調試復雜

4、 噪音大不環(huán)保，各繼電器-接觸器之間的物理線路接線繁復需要大量時間和精力進行維修、保養(yǎng)工作，這些嚴重限制了電磁式ARD的發(fā)展。而使用PLC來實現(xiàn)自動重合閘功能，可以大幅減少傳統(tǒng)電磁式ARD的物理連線，因為PLC可以通過編程取代一些非必要繼電器的存在。在解決傳統(tǒng)繼電器可靠性問題的基礎上還有利于功能的擴展。同時 PLC所具有的通信功能對實現(xiàn)電力系統(tǒng)綜合自動化有著重要意義，運行經(jīng)驗告訴我們利用PLC在自動重合閘裝置中作為控制核心是一種簡單可靠，性價比高的方法，使供配電線路的穩(wěn)定性有了非常大地提高，其實際運行效果十分顯著4。現(xiàn)如今可編程邏輯控制器(PLC)技術正在不斷地發(fā)展進步過程中，因為PLC具有非

5、常高的可靠性、對各種各樣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應性和優(yōu)良的擴展性能，PLC在各種工業(yè)現(xiàn)場特別是控制過程中的應用越來越多，尤其是其在電力系統(tǒng)中的應用領域更為廣泛。目前，伴隨著可編程邏輯控制器的廣泛使用，其為原來在工控場合存在的諸多問題提供了解決方案。 以PLC為自動控制的核心部件，發(fā)揮其強大的功能可以實現(xiàn)邏輯控制、過程控制和運動控制這三種控制有機的結合在一起，可簡單、輕松地裝配成滿足不同規(guī)制和不同標準的控制系統(tǒng)，可以深入貫徹現(xiàn)代多功能自動控制理念。組態(tài)軟件MCGS( Monitor and Control Generated System)是由北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司研制開發(fā)的，是一款應用

6、在Windows操作系統(tǒng)上，用來快速搭建生成上位機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，其主要有動畫演示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、處理及記錄、參數(shù)設置、網(wǎng)絡通信等功能，在工程領域有著廣泛的應用。本文自動重合閘的課題研究中以PLC控制為核心，通過嵌入式觸摸屏TPC1062KX作為顯示，采用MCGS進行上位機組態(tài)，操作簡便，可以使過程直觀明確的顯示出來。實現(xiàn)了上位機（TPC1062KX）和下位機（西門子200系列PLC CPU226）的通信，實現(xiàn)了對現(xiàn)場設備的實時監(jiān)視，遠程控制，數(shù)據(jù)存盤等功能，對自動重合閘裝置的進一步研究有深遠影響。自動重合閘2.1 自動重合閘的簡述自動重合閘是大部分使用在包含有架空線路走線的供配

7、電系統(tǒng)中，一種有效的反事故手段，是一種可以將因某種原因跳閘的斷路器自動按一定要求重新合閘的裝置。供配電線路采用自動重合閘裝置，可以十分顯著地提升輸送電環(huán)節(jié)的可靠性與穩(wěn)定性，減少因為斷電而造成的損失，并且提高了電力系統(tǒng)的可靠容量。供配電系統(tǒng)運行經(jīng)驗表明，架空線路上絕大部分故障是暫時性的，例如:（1）雷擊使線路電壓過高導致絕緣子絕緣能力降低。（2）線路敷設不合理致使風吹時可能相間碰線。（3）通過樹枝或其他空中漂浮物引起相間短路。以上情況出現(xiàn)時，斷路器動作跳閘使電弧熄滅，若此時故障消除，線路絕緣性能能夠得到恢復，再次重合閘就可以成功恢復系統(tǒng)供電。這時采用自動重合閘裝置就可以自動的完成這些操作不用人為

8、干預，十分方便快捷。電力系統(tǒng)中架空線路上出現(xiàn)的故障很大一部分是“暫時性”的故障，在繼電保護裝置動作斷路器跳閘分斷線路后，故障問題出現(xiàn)的位置的絕緣性能可以自行恢復到正常狀態(tài)，這時故障解除。此時，如果把斷路器重新合閘接通剛剛開斷的線路，就可以使供配電線路繼續(xù)正常供電。自動重合閘裝置對供配電系統(tǒng)中出線的暫時性故障，可以自動快速地恢復系統(tǒng)正常供電，從而十分有效地提升供配電系統(tǒng)的的可靠性與穩(wěn)定性，降低供配電系統(tǒng)的停電可能性。將ARD應用在高壓供配電系統(tǒng)中，還可以非常有效地對高壓電力系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性進一步提升，并且可以提高高壓供電系統(tǒng)的傳輸容量。而且應用ARD還可以克服傳統(tǒng)繼電器的誤動、據(jù)動現(xiàn)象，提高

9、供配電環(huán)節(jié)的可靠性。在我國的電力系統(tǒng)相關法律法規(guī)中也有明確規(guī)定電壓等級為1KV及以上電壓且包含有架空線路走線的供配電線路上的斷路器，一般要求具有自動重合閘功能，以確保供電環(huán)節(jié)的可靠。除了暫時性故障外，電力系統(tǒng)供電線路中也存在“永久性”故障，“永久性”故障在斷路器跳閘開斷線路后，依然存在，不會像暫時性故障那樣自動解除，這種情況下就算是重新使斷路器合閘接通線路，也是不可以恢復正常供電的。但是，就目前來說自動重合閘裝置自身還不具有判斷線路故障是暫時性的，還是永久性的這種功能。所以當線路為永久性故障時進行重新合閘，將會帶來一些負方面的問題，比如:（1）使供配電系統(tǒng)多一次承受故障電流、電壓的沖擊。（2）

10、使斷路器的工作條件惡化，絕緣強度降低（多一次開斷故障）3,5,14。2.2 自動重合閘的基本概念2.2.1 自動重合閘的要求ARD不應該動作的情況有兩種：人工分閘（手動和遙控任何一種情況下手動分閘不可以重合閘）人工合閘時如果供電線路永久性故障沒有排除，繼電保護裝置動作使斷路器跳閘，這時不可以重合閘。正常工作情況下線路出現(xiàn)故障繼電保護動作或因誤動等其他情況斷路器跳閘時，ARD應該動作嘗試使斷路器重新合閘。ARD的動作次數(shù)應與預定次數(shù)相符。一般情況下，ARD重合閘動作只設 1次， 即當斷路器重新合上后， 在一定時間內(nèi)（預先設置）繼電保護又一次動作使斷路器跳閘時， 不再進行重合閘操作。ARD應與繼電

11、保護裝置配合工作，按實際需要實現(xiàn)重合閘前加速或重合閘后加速保護， 加速故障切除，減輕故障危害。ARD動作于線路暫時性故障時， 斷路器重新合閘成功后， 通常要求具有自動延時恢復功能（個別也可以手動）。雙側電源供電的線路重合閘時要考慮同期問題，提高供電線路并列運行的穩(wěn)定性。ARD動作于永久性故障時，重合閘后由于線路故障依然存在，繼電保護又一次使斷路器跳閘時重合閘功能要自動閉鎖， 直到排除故障后手動（遙控）復位。斷路器處于不正常狀態(tài)時（操作機構故障如液壓、氣壓不足等），ARD應閉鎖6。2.2.2 ARD整定時間繼電保護動作使斷路器跳閘后，斷路器延時合閘的延時整定時間為0.5s-5s，經(jīng)驗表明取0.7

12、s左右比較合適，時間過短，供配電線路的絕緣水平來不及恢復到正常水平，而且恢復斷路器的開斷、關合能力需要一定的時間。延時時間過長，供電線路的開斷時間過長，不利于供配電系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性運行。ARD動作自動重合閘成功后，一般需要自動延時復歸。即，當供配電線路為暫時性故障時，ARD動作成功恢復電力系統(tǒng)的供電后，經(jīng)一定延時ARD要準備好下一次電路出現(xiàn)問題時進行重合閘操作，考慮到斷路器恢復其額定的開斷能力也需要一定時間，一般取20s-25s3,7。2.2.3 自動重合閘的分類及應用三相重合閘方式一般主要在電壓為110 KV及以下的供配電環(huán)節(jié)中使用，對于供配電線路跳閘后不進行重合閘也能穩(wěn)定運行的大型環(huán)網(wǎng)

13、型密集線路的效果尤為顯著。一般也應用在單側電源供電的線路。一般不會在大容量機組的出口處使用。單相重合閘方式和綜合重合閘方式適宜使用在電壓等級為220KV及以上的供配電線路中，尤其適用于當某種意外導致電線某一根斷開接地的情況。因為這種情況下如果使用三相重合閘可能致使某地區(qū)大面積斷電或者導致某一級負荷斷電，嚴重影響企業(yè)和人民的生產(chǎn)生活。為了提高電力系統(tǒng)中供配電環(huán)節(jié)的可靠性和穩(wěn)定性，在使用三相重合閘的輸送電線路中，若加裝單相重合閘環(huán)節(jié)更有利于異常時系統(tǒng)供電快速恢復時選用。同期重合閘方式適用于輸送電線路兩端都有電源（發(fā)電機組）的線路以及不允許非同期合閘的供配電線路（線路有重要負載不允許失步）。非同期重

14、合閘方式非同期重合閘時產(chǎn)生的沖擊沒有超過我國法律法規(guī)規(guī)定的的允許值，或在線路重要負荷的可接受范圍內(nèi)時。非同期自動重合閘后電力系統(tǒng)整步能力強，可以很快自整步恢復正常同期運行時56-12。2.2.4 ARD裝置與繼電保護的配合為了利用充分利用ARD所提供的條件，縮短故障切除時間，減少故障所造成的損失，ARD與繼電保護的配合方式有兩種：重合閘前加速保護及重合閘后加速保護15。重合閘前加速保護：一般簡稱“前加速”，多用于單端電源供電（發(fā)電機組在線路一端）的干線式分布的輸送電線路中，如圖2-1所示。每段線路均裝設過流繼電保護裝置，由于保護要求有選擇性，動作時限要求按階梯原則配合，靠近電源保護1處的時限較

15、長，為了加速故障切除，在保護1處加自動重合閘裝置。圖2-1重合閘前加速保護示意圖當線路的任何一處出現(xiàn)問題時，保護1都無選擇地迅速動作跳閘，然后ARD動作，使斷路器1重合閘。如果是暫時性故障，則自動重合閘成功，恢復線路的正常供電，加快了故障切除時間；如果發(fā)生永久性故障，則各處保護再次啟動（比如圖中所示3處發(fā)生永久性故障則3處斷路器跳閘），并按選擇要求，使相應斷路器跳閘。重合閘前加速保護的特點是有利于迅速消除故障，如果為暫時性問題使其不會因為時間長而成為永久性故障，提高ARD成功率，而且前加速只需要在電源一側安裝ARD裝置（如圖2-2的1處），維護保養(yǎng)方便，經(jīng)濟性高。其缺點是增加了裝設ARD裝置的

16、斷路器動作次數(shù)，而且一旦該斷路器因為某種原因跳閘后拒絕重合閘時將會擴大事故的停電范圍，多用于35KV以下的系統(tǒng)中。重合閘后加速保護：一般簡稱“后加速”。如圖2-2所示。當線路某處出現(xiàn)問題時，繼電保護按照選擇性要求的方式動作，有選擇地使斷路器跳閘，然后進行重合閘。如果重合閘在永久性故障上，則加速保護動作，縮短故障切除時間，降低故障造成的損失，不考慮保護裝置自身具有的時限。圖2-2自動重合閘后加速示意圖后加速與繼電保護配合的方式，因為首次保護動作具有選擇性而防止造成大范圍斷電事故，保證了永久性故障的快速切除，并仍具有選擇性，一般來說是有利而無害的，各級電壓送電線路均可使用。其缺點是首次保護動作可能

17、有延時，而且由于每一個斷路器均要求配備ARD裝置，同前加速相比費用較高。一般應用于35KV以上的系統(tǒng)512-14,8。第3章 可編程邏輯控制器與組態(tài)軟件3.1 PLC特點及應用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC，是新一代的工業(yè)自動控設備，其最重要的功能是實現(xiàn)邏輯控制，取代傳統(tǒng)的繼電器。PLC是一種歷經(jīng)40多年發(fā)展起來的通用的工業(yè)自動控制裝置，以微處理器為核心，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術。它因具有非常的高可靠性而且對工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應能力強，深受工業(yè)控制行業(yè)的喜愛。PLC還具有非常豐富的適用領域在冶金、交通、電力等方面應用十分

18、廣泛，是現(xiàn)代工業(yè)控制的重要組成元素之一。3.1.1 PLC的特點抗干擾能力極強，高可靠性非常高通用性強適合各種環(huán)境，適應能力十分優(yōu)秀編程直觀簡單易學豐富的I/O接口模塊，接口能力強采用模塊化結構，占地小、質量輕、能耗低設計、安裝簡單和維修方便，使用時只要將PLC的I/O端和設備相連即可，且采用模塊化結構，易于維修更換9。3.1.2 PLC的應用領域伴隨著社會的發(fā)展進步，工控場合的需求PLC應用范圍日趨廣泛，其應用基本涉及到了工業(yè)行業(yè)的各方各面。PLC的應用大致分為以下幾種：邏輯控制。PLC最基本、最廣泛的應用。運動控制。PLC使用專用的運動控制模塊，將順序控制、運動控制有機結合。閉環(huán)過程控制。

19、PLC通過模擬量的IO模塊可實現(xiàn)模擬量的PID控制。數(shù)據(jù)處理。PLC能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理功能。通信聯(lián)網(wǎng)。PLC的通信可以實現(xiàn)信息交換功能，可用來搭建“集中管理，分散控制”的分布系統(tǒng)104?？傊?，PLC是一種在工業(yè)自動控制環(huán)境中不斷發(fā)展進步的專用計算機，它具有驅動能力強大且豐富的輸入、輸出接口，在工控領域使用極為廣泛9,10。3.2 PLC的組成及工作原理3.2.1 PLC的組成PLC由CPU模塊（主機系統(tǒng)）、輸入輸出（IO）擴展環(huán)節(jié)及外部設備組成。其中CPU模塊主要包括CPU、存儲器、輸入輸出（IO）接口、電源等，如圖3-1所示1010-14。圖3-1PLC系統(tǒng)結構中央處理器（CPU）CP

20、U是PLC的核心組成元件，主要完成邏輯或算數(shù)運算任務。早期的CPU內(nèi)核是8位的現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到32位。每個PLC至少一個CPU。電源為PLC內(nèi)部各模塊的集成電路供電，作為內(nèi)部工作電源。一般不提供給外圍IO電路。PLC對交流電源的輸入電壓范圍要求不是很高，范圍很寬，抗干擾能力強。有些PLC還配有UPS用來數(shù)據(jù)的停電后保持。外部設備PLC的外部設備主要包括：編程器、人機界面、打印機等。編程器是最基本的設備，在使用、維護、管理PLC時都需要用到，但目前通常用戶接觸較多的是人機界面。輸入接口單元對信號進行隔離、濾波、電平轉換等。最終把輸入信號對應的邏輯值傳遞到PLC內(nèi)部。輸出接口單元把用戶程序的邏輯運算

21、結果輸出到PLC的外部端子。具有隔離PLC內(nèi)部電路和外部執(zhí)行元件的作用，為了提高驅動能力有的還具有功率放大的作用。存儲單元PLC的存儲芯片包括：RAM（隨機存取存儲器，斷電后數(shù)據(jù)丟失）和EEPROM（點可擦除只讀存儲器，斷電后數(shù)據(jù)不會丟失）及中大型PLC采用的大容量MMC（多媒體存儲卡，斷電后數(shù)據(jù)不會丟失）存儲單元一部分給系統(tǒng)用，另一部分用戶使用。系統(tǒng)程序存儲區(qū)由制造商將其固化在EEPROM中，不對用戶開放，不可更改。系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲區(qū)采用RAM存儲芯片。用戶可以訪問。操作系統(tǒng)的管理、監(jiān)控系統(tǒng)以及程序執(zhí)行時的一些結果、故障狀態(tài)，存在這里。用戶程序存儲區(qū)存放用戶編寫的程序，可以讀寫。PLC型號不同大

22、小也不同。用戶數(shù)據(jù)存儲區(qū)系統(tǒng)用戶共同使用，主要存儲輸入輸出狀態(tài)、計數(shù)、計時、全局變量、局部變量?？梢宰x寫，可采用備用電源（蓄電池等）保護數(shù)據(jù)。3.2.2 PLC的工作原理PLC采用循環(huán)掃描工作方式。一個掃描周期分為三個階段：輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。PLC以一定的掃描速度重復執(zhí)行掃描周期。如圖3-2所示。輸入采樣PLC按次序讀入所有物理輸入點的狀態(tài)，同時將其存入用戶程序存儲區(qū)中的專用區(qū)域IO區(qū)。輸入采樣完成后，自動進入下一階段執(zhí)行，這時即使外部輸入端子上的狀態(tài)發(fā)生變化，IO區(qū)相應存儲單元狀態(tài)也不變。用戶程序執(zhí)行PLC按由上到下，由左到右的順序有次序地掃描用戶程序。并將運算的最終結果輸出

23、到用戶程序存儲區(qū)的IO區(qū)，但是并沒有送到實際的物理輸出點，那是輸出刷新的工作。輸出刷新PLC按照IO區(qū)對應的存儲單元的狀態(tài)刷新全部的輸出鎖存電路，最后由輸出電路驅動外部設備。PLC在輸入輸出處理方面遵循以下幾點：輸入過程映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于本掃描周期的第一階段“輸入采樣（刷新）”時輸入端子的實際物理狀態(tài)，且一直維持到下一個周期的輸入采樣階段。輸出端子驅動外設的狀態(tài)由輸出鎖存器確定1014-16。圖3-2PLC執(zhí)行程序的過程3.3 組態(tài)軟件概述及特點MCGS(Monitor and Control Generated System)是由北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司研發(fā)推出的，是一款用于方

24、便靈活地組建上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。它應用在Windows操作系統(tǒng)上，為使用者提供現(xiàn)實工程問題的切實解決方案和創(chuàng)造環(huán)境，可以實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、處理、報警功能，以及流程控制、動畫顯示、曲線或報表輸出進一步的還可以實現(xiàn)企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡功能。MCGS可以將搭建好的系統(tǒng)下載入TPC1062KX觸摸屏，通過觸摸屏與其他相關的硬件設備有機組合，可以方便、輕松地實現(xiàn)對各種實際工業(yè)現(xiàn)場的參數(shù)采集、處理和控制114。3.3.1 組態(tài)軟件的特點目前在我國MCGS是使用人數(shù)最多的中文組態(tài)軟件之一，其主要特點如下：可視化操作界面組態(tài)操作方便輕松。良好的并行處理性能。具有多種多樣、全面生動的多媒體畫面。采用開放式

25、結構，數(shù)據(jù)獲取、處理功能十分強大。完善的安全機制。強大的網(wǎng)絡功能。支持TCP/IP、MODEN、RS-458/RS-422/RS-232等多種網(wǎng)絡體系結構。多樣化報警功能。添加實時數(shù)據(jù)庫充分為用戶方便使用做考慮。MCGS支持各種各樣硬件，但系統(tǒng)組態(tài)不用考慮硬件區(qū)別。方便控制復雜的運行流程。通過“策略組態(tài)”可準確地控制操作過程。良好的可維護性和可擴充性。MCGS系統(tǒng)不同的構件各自的獨立。還提供了一套開放的可擴充接口。采用實時數(shù)據(jù)庫來管理數(shù)據(jù)，最大程度的提高上位機監(jiān)控系統(tǒng)的安全性，穩(wěn)定性。搭建對象元件庫，用戶組態(tài)時可直接選用，組態(tài)輕松快捷。MCGS合理應用目前工業(yè)控制領域發(fā)展迅速的DCCW(Dis

26、tributed Computer Cooperator Work，分布式計算機協(xié)同工作方式)技術，可以達成對工控系統(tǒng)不同區(qū)域的分布式控制和管理的目的114-6。3.4 MCGS組態(tài)軟件構成MCGS系統(tǒng)包含組態(tài)環(huán)境以及運行環(huán)境兩部分。其關系如圖3-3所示。組態(tài)環(huán)境是用戶用來搭建構造系統(tǒng)的的，其主要功能是為構造系統(tǒng)提供各種工具。使用者完成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組建后會生成數(shù)據(jù)庫文件（區(qū)別于其他軟件），稱為組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫。運行環(huán)境是一個獨立的運行系統(tǒng)，其主要功能是根據(jù)用戶組建系統(tǒng)后生成的組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫進行各種（包括數(shù)據(jù)和動畫等）處理，最終完成使用者通過組態(tài)構建的系統(tǒng)的的功能。運行環(huán)境自身沒有意義，只有和

27、組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫有機的結合在一起時，才可以組建為用戶應用系統(tǒng)。使用者在組態(tài)環(huán)境完成系統(tǒng)構造后，運行環(huán)境和組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫就可以運行在觸摸屏（上位機）上，而不再需要組態(tài)環(huán)境。圖3-3組態(tài)環(huán)境向運行環(huán)境的過渡由MCGS組態(tài)軟件創(chuàng)建的工程由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五部分構成，如圖3-4所示。圖3-4MCGS組態(tài)環(huán)境結構主控窗口主控窗口是MCGS工程的主窗口，也是用戶應用系統(tǒng)的主窗口。主要用來編輯用戶菜單，管理窗口，處理用戶操作。設備窗口設備窗口負責連接和驅動MCGS外部元件，讀寫外部設備的運行狀態(tài)。本課題中，就在此窗口設置串口通信參數(shù)，使TPC1062KX觸摸屏和PLC能夠通信

28、。用戶窗口用戶窗口主要用于構造人機交互的界面。構建上位機監(jiān)控界面，即觸摸屏的圖形顯示界面。實時數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)庫是工程各部分數(shù)據(jù)交換處理的核心，將工程各個部分有機的結合在一起。在這里對工程所有的參數(shù)變量進行定義。運行策略運行策略包含的是對MCGS工程中操作過程進行控制的要求和措施，可以通過程序或功能構件對系統(tǒng)實現(xiàn)某些功能的操作按要求進行控制116-7。第4章 斷路器4.1 斷路器斷路器（Circuit-Breaker）是一種不但能夠接通、承載及關斷正常電路中流過的電流，還能夠在要求時間范圍內(nèi)承載、開斷不正常電流（比如短路電流）的開關電器。根據(jù)斷路器所在電路電壓等級的不同，可分為高壓、低壓斷路器，

29、通常情況下將工作電壓在大于等于3KV中的稱之為高壓斷路器，高壓斷路器是供配電環(huán)節(jié)中首要的一種控制保護器件。本次課題中主要介紹實驗室已有的ZN63A-12型高壓斷路器。低壓斷路器一般也稱為空氣開關，它在生活中很常見，是一種既可以人為操作來接通和關斷，也可以在線路出現(xiàn)故障時自動關斷對負載進行快速保護的電器。斷路器的主要功能有分配電能、不頻繁地起動電機、對線路負載進行保護等。高壓斷路器應用廣、種類多，根據(jù)控制保護對象不同有：發(fā)電機斷路器，其特點是電流大，關斷后不需要自動重合閘功能。輸、配電斷路器，通常情況下輸配電線路為確保安全可靠，一般要求裝設ARD?？刂茢嗦菲?，需要有高的機械、電氣壽命，因為控制電

30、器一般工作頻繁。高壓斷路器為了可靠關斷，防止電弧造成傷害，一般裝有滅弧裝置，所以也可以根據(jù)滅弧裝置工作原理的的差異將其分為有油斷路器、真空斷路器、六氟化硫斷路器等。雖然從各個角度看六氟化硫斷路器的性能都好于其他幾種，但是發(fā)展原因現(xiàn)在國內(nèi)高壓供配電領域少油斷路器、真空斷路器仍然使用較多，我國正在逐步推進斷路器的更新?lián)Q代。圖4-1所示為典型斷路器結構圖。圖中開斷元件一般包括觸頭系統(tǒng)，滅弧環(huán)節(jié)等，是斷路器執(zhí)行元件。圖中操動機構通常情況下動力來源有氣壓、液壓、電磁力等，帶動傳動桿最終使觸頭動作。圖4-1典型斷路器結構高壓斷路器在線路中作控制保護時要符合如下條件：能夠開斷短路故障快速開斷能夠關合短路故障

31、快速自動重合閘操作可以接通、斷開各種空載、帶載線路372-754.2 實驗室ZN63A-12型高壓真空斷路器簡介ZN型高壓真空斷路器結構如圖4-2所示，其特點如下：配用陶瓷真空滅弧室，觸頭結構為杯狀。將操作環(huán)節(jié)和滅弧環(huán)節(jié)布置成一個在前、一個在后的形式，ZN63A-12系列就是將操動環(huán)節(jié)與真空滅弧裝置一前一后的布置，使操動系統(tǒng)的性能與滅弧裝置更加匹配，而且省掉了過渡機構，節(jié)能經(jīng)濟同時噪聲減小，使其性能越發(fā)穩(wěn)定。主導電環(huán)節(jié)運用三相落地式結構。操動系統(tǒng)具有人工和自動兩種儲能方式。具有壽命長、維修保養(yǎng)省時省力、無污染（包括噪音污染）、無易燃易爆品使用更加安全等優(yōu)點，適應于操作頻繁、工作環(huán)境惡劣的場合。

32、圖4-2 ZN63A-12型真空斷路器結構圖ZN63A-12型真空高壓斷路器主要有以下兩個功能：控制功能：按照電力系統(tǒng)工作時負載情況的不同，可以通過斷路器控制線路的接通和關斷，實現(xiàn)將某一部分或所有的電氣設備加入系統(tǒng)，或從系統(tǒng)中去除。保護功能：當電力系統(tǒng)運行中出現(xiàn)問題時，真空斷路器、繼電保護裝置、ARD、綜合保裝置協(xié)同工作，可實現(xiàn)將問題部分快速從系統(tǒng)中切除，防止事故擴大，縮小停電范圍，這樣就可以保護系統(tǒng)中各類電氣設備不受損壞，保證系統(tǒng)正常部分穩(wěn)定運行。ZN63A系列真空斷路器參數(shù)如表4-1所示12。表4-1ZN63A型系列真空斷路器主要技術參數(shù)序號參數(shù)名稱單位數(shù)據(jù)1額定電壓kV122額定絕緣水平

33、1min工頻耐壓kV42（極間、對地）；48（斷口）額定雷電沖擊耐壓kV75（極間、對地）；85（斷口）ZN63A型系列真空斷路器主要技術參數(shù) 表4-1（續(xù)表）3額定電流A6301000125016002000250031504額定短路開斷電流額定熱穩(wěn)定電流（有效值）kA2020202525252531.531.531.531.531.54040404040505額定短路關合斷電流額定動穩(wěn)定電流（峰值）KA5050506363636380808080801001001001001001256額定短路開斷電流開斷次數(shù)次30（31.5KA）/20（40KA）/12（50KA）7額定動穩(wěn)定時間s48

34、額定操作順序分-0.3s-合分-180s-合分 9機械壽命次2000010額定單個電容器組開斷電流A63011額定背對背電容器組開斷電流A400注：當額定短路開斷電流為40kA時，額定操作順序為：分-180s-合分-180s-合分第5章 基于PLC和MCGS的自動重合閘設計5.1 設計思想PLC控制器，性能可靠而且對工業(yè)現(xiàn)場條件的適應性強，平均無故障時間可以達到5 104h 以上。實現(xiàn)基于PLC的自動重合閘控制，不僅可以最大程度的克服傳統(tǒng)繼電器的種種弊端（因為減少了繼電器的使用），還可以從根本上完成物理電路連接的簡化。同時上位機采用MCGS進行組態(tài)，利用TPC1062KX型觸摸屏作為顯示可以實

35、現(xiàn)對現(xiàn)場的遠程實時監(jiān)控，動畫顯示，報警記錄。由此，即實現(xiàn)了基于PLC和MCGS的自動重合閘控制，還順應了自動控制技術的發(fā)展，實現(xiàn)了上位機和下位機的有機結合。其控制框圖如圖5-1所示。上位機監(jiān)控界面上位機監(jiān)控界面MCGS起動重合閘起動重合閘PLC程序發(fā)出重合閘信號PLC程序發(fā)出重合閘信號斷路器跳閘圖5-1基于PLC和MCGS的ARD框圖5.2 硬件選擇PLC的選擇根據(jù)ARD控制需要，可以選用西門子S7-200系列PLC，SIMATIC S7-200系列PLC常見的有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226、CPU226XM，其特性差別如表5-1所示，本次選用指導教師提供的CPU22

36、61018。表5-1S7-200 CPU技術指標特性CPU221CPU222CPU224CPU226CPU226XM用戶程序區(qū)4KB4KB8KB8KB16KB數(shù)據(jù)存儲區(qū)2KB2KB5KB5KBl OKB主機數(shù)字量輸入/輸出點數(shù)6/48/614/1024/1624/16模擬量輸入/輸出點數(shù)無16/1632/3232/3232/32S7-200 CPU技術指標 表5-1（續(xù)表）最大輸入/輸出點數(shù)256256256256256位存儲區(qū)256256256256256定時器256256256256256計數(shù)器256256256256256允許最大的擴展模塊無2模塊7模塊7模塊7模塊數(shù)字量輸入濾波標準標準

37、標準標準標準模擬量輸入濾波無標準標準標準標準高速計數(shù)器4個30KHz4個30KHz6個30KHz6個30KHz6個30KHz脈沖輸出2個20KHz2個20KHz2個20KHz2個20KHZ2個20KHz通信口1xRS4851xRS4851 xRS4852xRS4852xRS485昆侖通態(tài)TPC1062KX型觸摸屏TPC1062KX昆侖通態(tài)觸摸屏（如圖5-2所示）是以綠色節(jié)能的嵌入式CPU為核心（ARM CPU，工作頻率400MHz）的嵌入式觸摸屏，采用一體化結構設計，使用方便，性能卓越。屏幕尺寸為10英寸，分辨率為800480，TFT液晶顯示，為四線電阻式單點觸控的觸摸屏（分辨率1024102

38、4），使用24V直流電源供電。配合MCGS 7.7版本的嵌入式組態(tài)軟件進行系統(tǒng)組態(tài)和下載，可以完成自動重合閘的狀態(tài)在觸摸屏上的顯示和控制。圖5-2TPC1062KX觸摸屏5.3 功能實現(xiàn)5.3.1 PLC軟件設計PLC的I/O端子分配及外部接線由ARD的功能及要求可以得到，系統(tǒng)輸入信號有：繼電保護信號（供電環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時，繼電保護動作）、ARD投入選擇信號、加速方式選擇信號、重合閘閉鎖復位信號、手動合閘信號、手動分閘信號。輸出信號有：合閘信號、分閘信號、報警信號（自動重合閘失敗時報警）、分閘狀態(tài)信號、合閘狀態(tài)信號。以上10個信號（6個輸入信號，4個輸出信號）均為開關量信號（1或0），所以得到P

39、LC的I/O接口端子分配表5-2及PLC的外部接線圖5-3。表5-2PLC 226的I/O端子分配表輸入輸出元件端口地址解釋元件端口地址解釋ZCHI0.0繼電保護信號（線路出現(xiàn)故障時接通）HZQQ0.0合閘線圈（接通時斷路器合閘）ARDI0.1ARD投入退出選擇（接通時ARD投入）FZQQ0.1分閘線圈（接通時斷路器分閘）JSI0.2加速方式選擇（接通時為前加速，否則為后加速）BJQ0.2報警指示（自動重合閘失敗顯示報警）FWI0.3重合閘閉鎖復位（接通時復位）FZLQ0.3斷路器分閘狀態(tài)顯示FZI0.4手動分閘（接通時分閘）HZLQ0.4斷路器合閘狀態(tài)顯示HZI0.5手動合閘（接通時合閘）圖

40、5-3PLC 226外部接線圖控制流程圖ARD控制流程圖如圖5-4所示。自動重合閘自動重合閘啟動前加速嗎？故障延時跳閘故障加速跳閘延時合閘延時合閘重合閘成功？重合閘成功？重合閘成功信號故障延時跳閘故障加速跳閘重合閘閉鎖報警線路發(fā)生故障，繼電保護動作YNYYNN圖5-4ARD控制流程圖PLC梯形圖如圖5-5所示。圖5-5（1）梯形圖圖5-5（2）梯形圖工作原理分析ARD投入狀態(tài)，即ZCH（I0.1）接通，且ARD與繼電保護裝置配合方式為重合閘前加速保護時，即JS（I0.2）保持接通狀態(tài)。當線路出現(xiàn)故障時，繼電保護動作，JDB（I0.0）常開觸點接通，T37定時器開始計時。同時電流經(jīng)過I0.2常開

41、觸點M0.2常閉觸點I0.0常開觸點Q0.3常閉觸點Q0.1分閘線圈，分閘線圈得電，斷路器跳閘。與此同時，電流經(jīng)過Q0.1常開觸點Q0.0常閉觸點Q0.3線圈，使Q0.3經(jīng)過Q0.1常閉觸點自鎖，電路分閘狀態(tài)指示燈亮。通過I0.1常開觸點Q0.3常開觸點M0.1常閉觸點M0.2常閉觸點，T38開始計時，T38計時時間到，接通Q0.0線圈，斷路器重合閘，在此期間線圈Q0.1早就因為Q0.3常閉觸點而斷電。Q0.0常開觸點Q0.1常閉觸點Q0.4線圈得電，并通過Q0.1常閉觸點自鎖，電路合閘狀態(tài)指示燈亮。電流經(jīng)過Q0.0常閉觸點T39常閉觸點M0.2線圈，M0.2通過T39常閉觸點自鎖，在下一個掃

42、描周期Q0.0常閉觸點斷開，Q0.3失電，分閘指示燈滅，同時M0.2常閉觸點斷開，T38能流斷開，自動重合閘鎖閉，Q0.0線圈失電，這時T39經(jīng)過Q0.0常閉觸點接通，開始計時，經(jīng)一定延時T39常開觸點閉合，M0.2失電，自動重合閘功能自動恢復。若線路為暫時性故障，I0.0常開觸點接通后很快斷開，Q0.1線圈不再得電，重合閘成功，并經(jīng)過T39定時，自動為下一次動作準備好；若線路為永久性故障，I0.0常開觸點保持接通，雖然M0.2常閉觸點斷開，但是T37已接通，電流經(jīng)過T37常開觸點I0.0常開觸點Q0.3常閉觸點使Q0.1得電，線路再次分閘，這是因為M0.2常閉觸點斷開，T38不能得電，不會再

43、次重合閘，同時經(jīng)過M0.2常開觸點Q0.0常開觸點I0.3常閉觸點M0.1線圈得電，并通過I0.3常閉觸點自鎖，再一次保證不會自動重合閘，同時使報警指示Q0.2得電，系統(tǒng)發(fā)出自動重合閘失敗報警。ARD投入狀態(tài)，即ZCH（I0.1）接通，且為重合閘后加速保護時，JS（I0.2）斷開。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，因為I0.2斷開，只有當T37延時時間到時，才有電流經(jīng)過T37常開觸點I0.0常開觸點Q0.3常閉觸點使Q0.1線圈得電，接下來分析過程同上面前加速時相同，這里就不再贅述。當為后加速保護時，因為第一次斷路器跳閘要等到T37延時時間到，實現(xiàn)了有選擇性的動作。當電路為手動操作狀態(tài)時，ARD退出，即ZCH

44、（I0.1）斷開。此時電路出現(xiàn)問題，斷路器在繼電保護的作用下跳閘后不會進行自動重合閘操作。當為手動分閘時，電流經(jīng)過I0.4常開觸點I0.1常閉觸點I0.5常閉觸點Q0.1線圈，使分閘線圈得電，斷路器跳閘。同時使Q0.3線圈得電自鎖，線路分閘狀態(tài)指示燈亮并且在程序下一次掃描時斷開Q0.1線圈，防止再次動作；當進行手動合閘操作時，電流經(jīng)過I0.5常開觸點Q0.4常閉觸點I0.1常閉觸點I0.4常閉觸點Q0.0線圈，使合閘線圈得電，斷路器合閘，并使Q0.4得電合閘狀態(tài)指示燈亮，并關斷Q0.0通電電路，防止不可靠動作。當重合閘失敗閉鎖后，系統(tǒng)會鎖閉ARD功能并報警，當消除線路故障后，要進行手動復位，當

45、接通FW（I0.3）后，其對應常閉觸點斷開，切斷M0.1線圈的自鎖回路，M0.1線圈失電，Q0.2線圈失電，報警指示解除，閉鎖解除，ARD功能恢復。5.3.2 MCGS組態(tài)自動重合閘系統(tǒng)數(shù)據(jù)變量的定義打開組態(tài)軟件，在菜單欄“文件”中新建工程，并命名為“自動重合閘系統(tǒng)”。在新建工程設置中選擇TPC類型為1062KX，如圖5-6。圖5-6新建工程設置圖在工程工作臺實時數(shù)據(jù)庫窗口中，通過新增對象定義數(shù)據(jù)變量，并設置參數(shù)屬性（如圖5-7），寫好注釋，方便通道連接。數(shù)據(jù)變量如圖5-8所示。圖5-7變量參數(shù)設置圖5-8數(shù)據(jù)變量設置圖通道連接在工作臺設備窗口選項卡中，進行設備組態(tài)（只有在計算機連接有外部設備

46、時，才可以組態(tài)）。本次課題使用串口設備中的西門子S7-200PPI。如圖5-9所示。圖5-9設備選擇在“通用串口父設備0”屬性設置中，“串口端口號”選擇“0-COM1”，因為PLC對應的就是COM1口，其他參數(shù)默認即可，如圖5-10。圖5-10串口屬性設置在的屬性設置中，可以通過增加或者刪除通道來找到對應PLC端口所需要的通道。在增加通道的過程中發(fā)現(xiàn)，輸入寄存器I寄存器默認只能選擇為“只讀”，所以，本系統(tǒng)主要作用是進行監(jiān)控。設置好所有通道后如圖5-11所示13,16。圖5-11通道連接示意圖人機界面的創(chuàng)建單擊工程控制臺的用戶窗口，使用新建窗口來增加窗口，同時設置窗口屬性，之后我們就可進行窗口組

47、態(tài)，在組態(tài)時要注意將所有組件布置在黑線框內(nèi)，因為這部分才是在TPC1062KX觸摸屏中可以顯示的地方。組態(tài)時可以在對象元件庫調用已有的對象，選出需要組件并合理安排位置后，需要對每一個組件進行動畫屬性設置，以其中“故障指示標簽”為例，如圖5-12，其他的均可參照這個設計。雙擊組件后，彈出屬性設置窗口，在“屬性設置”標簽下，可以對其靜態(tài)屬性（如字體、顏色）設置，還可以根據(jù)需要選擇所需的動畫連接（如顏色變化，位置、大小改變）。選擇動畫連接后，會出現(xiàn)對應動畫標簽，需要在其中對動畫進行詳細設置（如表達式，動畫效果）。圖5-12組件屬性設置根據(jù)需要，在用戶窗口界面建立三個頁面如圖5-13所示，分別為“AR

48、D”如圖5-14，“報警記錄”如圖5-15和“封面”如圖5-16。其中“封面”是在主控窗口的系統(tǒng)屬性中調用，如圖5-17所示，封面顯示時間為0，表示不自動進入系統(tǒng)，單擊任意位置進入系統(tǒng)，“ARD”為自動運行窗口，和“報警記錄”通過按鈕相互調用。圖5-13 用戶窗口圖5-14ARD窗口圖5-15報警記錄窗口圖5-16封面圖5-17主控窗口屬性設置工程下載完成自動重合閘系統(tǒng)的組態(tài)后，要對其進行組態(tài)檢查，當檢查沒有問題時，就可以進行組態(tài)下載，將系統(tǒng)下載到TPC觸摸屏。使用USB連接觸摸屏和PC，就可以通過USB通訊進行聯(lián)機下載，如圖5-18所示。當完成系統(tǒng)下載后，TPC觸摸屏就可以斷開和PC的USB

49、連接單獨工作，不再需要組態(tài)環(huán)境。再次進行修改工程時要重新下載。圖5-18工程下載設置5.3.3 聯(lián)機運行首先，將PLC和TPC觸摸屏的工作電源接好，均為24V直流電壓源。然后將PC和PLC通過PC/PPI線連接，并調整波特率為9.6KHZ，之后通過STEP-7 Micro/WIN軟件設置通信參數(shù)后將梯形圖下載到PLC中，設置PLC為RUN模式。其次，將MCGS組態(tài)的自動重合系統(tǒng)通過USB通信下載到TPC 1062KX觸摸屏。最后用TPC/PLC200通信線連接PLC和TPC觸摸屏，這樣就可以實現(xiàn)基于PLC和MCGS的自動重合閘系統(tǒng)。PC、PLC和TPC的連接如圖5-19所示。經(jīng)測試可以順利完成

50、控制功能，也實現(xiàn)了實時顯示、聲光報警等功能。圖5-19聯(lián)機示意圖結論本次畢業(yè)設計研究的是“電力系統(tǒng)自動重合閘環(huán)節(jié)的設計與實現(xiàn)”，通過對本課題的研究，我對自動重合閘有了更深一層的理解，并且實現(xiàn)了基于PLC和MCGS設計的自動重合閘系統(tǒng)。自動重合閘是電力系統(tǒng)必不可缺的一個環(huán)節(jié)，它十分有效的提高了供配電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，無論在政治上還是經(jīng)濟上都具有非常顯著的積極影響。自動重合的設計通常情況下有兩種形式，一種是采用傳統(tǒng)的繼電器/接觸器來實現(xiàn)其功能，但是傳統(tǒng)的電磁式裝置有很多缺陷，不符合當下對自動重合閘功能的要求，另一種方法就是基于PLC來實現(xiàn)功能，PLC性能卓越，是21世紀各國主要研究的工業(yè)自動化核心產(chǎn)品，所以本文就采用了這種方法。本文使用西門子S7-200系列的CPU226作為核心來實現(xiàn)自動重合閘功能，同時采