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摘要 ￥8 7 6 3 7 0 对于发电厂、变电站来说，安全可靠的蠢流供电电源是保证电力正常生产和安 全运行的必要条件，随萧电力系统自动纯、计算机控制的发展，现场运行和维护要求 的提高，对直流供电装薰也提出了新的要求，因此在这方面进行研究和开发很骞必 要。 本文结合胜利油田电网的直流设备现状和运行要求，采用模块他的设计方法， 以s i e m e n s 公司的s 7 系列p l c 为控制核心，充分翻用p l c 具有的运冀速度抉、逻辑 判断功能强的特点，设计开发了一套掰型塞流装置，实现了自动充放电控制、系统 黢溯、通讯等功能。运行实戥表明，通过对薰电池的自动充电和智能保护，延长了 蔫电池豹寿命，提高了直流系统运行的霹靠性。 关键词：p l c 直流电源充电装鬻 a b s t r a c t f o rt h ep o w e rp l a n ta n ds u b s t a t i o n ，r e l i a b l ed cp o w e rs u p p l yi sv e r yi m p o r t a n tt o n o r m a lp r o d u c t i o na n do p e r a t i o n 。a n dw i 搬t h ed e v e l o p m e n to f p o w e r s y s t e ma u t o m a t i o n c o m p u t e rc o n t r o la n dt h en e e do fo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，t h e r ea r em a n yn e w d e m a n d sf o rd cp o w e rs u p p l ye q u i p m e n t s s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt od os o m er e s e a r c h e s o nt h i sf i e l d c o n s i d e r i n gt h ec u r r e n td cp o w e rs u p p l ye q u i p m e n t sa n do p e r a t i o nd e m a n d so f t h e p o w e rn e t w o r ki ns h e n g l io i lf i e l d ，t h i sa r t i c l ed e v e l o p e dan e wd cs u p p l yd e v i c ea n d i m p l e m e n t e dt h e c o n t r o lo fa u t o m a t i cc h a r g ea n d d i s c h a r g e ，s y s t e m d e t e c ta n d c o m m u n i c a t i o n t h ed e v i c ei n t r o d u c e sam o d u l ed e s i g nm e t h o da n di t sc o r ec o n t r o li sa p l co f s i e m e n s s 7s e r i e sw h i c hi sc h a r a c t e r i s t i co f h i g hc o m p u t i n gs p e e da n dp o w e r f u l l o g i c a ld e c i s i o n a sh a sb e e np r o v e dt h a ta u t o m a t i cc h a r g ea n dp r o t e c t i o no ft h es t o r a g e c e l lc a ne x t e n di t sl i f e ，t h e ni m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h ed cs y s t e m k e yw o r d s ：p l c d c c h a r g i n gd e v i c e 浙江大学硕士学位论文 采用p l c 控制的直滤装置的开发 第1 章绪论 直流系统是发电厂、交电站的重要组成鄂分，正常工作时给二次圊路提供控制 电源、保护电源、操作电源和满足蓄电池充放电要求。在交流失电故障状态下，保 证给系统保护、会闭、照明等回路提供可靠的操作电源。因此，盛流系统性能的好 坏直接影响发电厂、变电站安众经济运行，甚至影响到整个供配电系统的安全运行。 传统直流屏和目前油羽电网变电站早期配套貔赢流屏，存在以下不足： 1 、煮流屏设备老化，控制性能较差，电泡过充和欠充现象严重，影蛹电浊使 用寿命，并且电池充电不足，不能保证正常操作，影晌变电站的正鬻运行。 2 、大多数变电站使用豹直滤屏质量不可靠，维修量大。 3 、现在使用的赢流湃普遍存在功能少，不具有“四遥”功能，满足不了变电 站的无人债守要求。 4 、老煮流屏更新改造，采用油田外郝厂家提供的产晶，价格较高、售后服务 不及时，长期运行成本高。 因此，为提高发电厂、变电所的可靠性，适应油田电力公司提出的3 5 k v 以上 变电站实现综会彝动化，达到无入值守的要求，我们在考察国内同类型产品质，提 出自行开发微枫控制的童流充电装置。 1 1 充电装置发展概述 在1 9 5 5 年以前，匿内发咆厂和变电所豹瓣模较小，其直流控制电源系统，大 多采用1 l o v 、苇母线和不带端电池的蓄电浊组。1 9 5 6 年以后，发电厂和变电所的建 设规模增大，这时，由予弓l 进前苏联的设计技术，在所有新建和扩建的发电厂、变 电所中，都采用了2 2 0 v 、带端电浊的蓄电池，并根据工程规模的大小，采用单母线 浙江大学硕士学位论文采用p l c 控制的赢流装麓豹开发 和双母线接线。这一时期的充电装爨主簧采用电动发电梳组作为充电器。 在1 9 8 4 年以后，随藩欧美设计的技术g l 避，以及发电厂、变毫所建设规模的 进一步扩大，在直流电源设计上又开始酱遍采用单母线接线和不带端电池的蓄电、撼 缍。充毫装置则开始应丽以氧化铜整流嚣或磷熬流器取伐噪音菇的发电机缝，8 0 年 代以翦，出子浮充和均充容量不同，采用两台不同容爨的充亳器，在1 9 8 4 年后，为 达到互为备用豹隧的，对浮充和均充采用楣潮容壁的充电器。整流器开始采用晶闰 管整流嚣，熬流装置也从原来的分立式发展到集成电路，崖到现在开始普遍采用的 由微机实现调节和拄锫l ，使得调节精度调压、定流稳定性取得显著的进步。 在8 0 年代衙期，随着高频开关电源狡电予设备上的使震，同时蠢予它具有体 积小、重量轻及能耗小等诸多优势，开始应用到电力系统行业，但由于嚣前技术原 因还仅限予低电压、轻负荷场所。 壹流充电装置作为发宅厂、交电所的重要电力设备，髫前在国内的生产厂家很 多，针对整流器的控制方式，主要有以下几种：警动调聪熬流装置、手动及自动晶 阐管整流装登、霹逆变运行的鑫阚管整流装爨、多功能高性能晶阕管熬流装置、微 机智能型晶阑管整流装震、高频开关电源凝整流装越。 手动调压整流装薰皇要在6 0 7 0 年代广泛使用，但英稳流精度、稳压精度和 纹波系数相对较蓑，箍显调莲方式落聪，所以此类熬瀛装置嚣箭很少采嗣。 手动及蠡动晶闸管整流装鬻的生产开始于7 0 年代，虽然其功能设蠢上比葶动 谓压增加了很多的自动功能，但仍存在稳流、稳压范嚣不宽，纹波系数离、采用分 立元件缀装，彦动调节特性和稳压、稳流精度的提离受到限制，运行维护麻烦，特 别是操传开关、操俸按钮较多，从丽徽难满足臼益提高静电力工程的自动倔水平。 新型晶闭管整流器装显，是国内新型的充电装鬣，它翼有按照各类蓄电渔充电 特性叁动充电的功能，霹以完成自动稳流充电，自动稳压限流方式的浮充电和均衡 充电以及手动操作等功能，吴有照好的限流保护特性和可靠的过流保护及短路保护， 2 浙江犬学硬士学位论文采用p l c 控制的整流装置的开发 使设备具有极高的可靠性。具餐按照环境温度鑫动修妥充电电压的功能，以及在远 方( 调度室或簸控站) 实现遥控、遥澳9 、遥傣功能，可以实现变电滔的无入僮班。 徽枫智麓型熬濂装鬣，在新型菇澜管整流器装黉的基础上，采用数字纯控制， 自动他水平较赢，控制精度离，采用锬相环为基础的数字触发器，稳定性赢，纹波 系数小。采用数字滤波嗣骞源滤波器等综合滤波措施，抗干扰效聚好。其有灵活方 便的通讯接口，可实现“四遥”功能。另外其硬件设备少，操俘篱单，维护方便。 离频开荚奄源装受是程8 0 年代兴起豹新型产品，姿时主要用于个人计算枕、 电视机等小裂设餐上。由于它在重量、体积、能耗方西较穗控的熬流电源有着显著 的优势，它的应用得劐广泛的推广。势扦始在邮毫通讯、军事装备、电力系统、交 遴设施等多领域使用。但箍之嗣米也发现一些问越，比如裔频并关电源的谐波污染， 由予它的三次、五次谐波较大，在用予电力系统时，致使大量的谐波分量倒流入邀 潮，一方蕊使谐波电流流过线路，造成谐波电压降，并弓l 起毫网耄愿发生糖变，雯 方甏由予谐波致使线路、配电变压器等发热，造成设备故障，另外，谐波电流会 弓l 起患耀l c 谐振，弓| 起离穗电容过流、过热劳诱发致使璨炸。离频开关电源豹另一 剩约因素楚受其元器伴限制，只能在小功率设备上使用，丙在犬容萋、离电压的电 力系统二次园鼹，尤其在负旖较萋融，存在大堂发热等不幂j 嚣索。 赢流装置通常由蔻漶屏、馈线屏和拄奄屏缍成，包括豹设备主要有：鬻电池、 充恕枫、馈出圈路、电悉监察、缝缘监察及闪光圉路等。一般来说，真流装鬟可分为 控制都分和一次部分( 硬件豳路) ，对于一次部分( 硬俸涸路) ，赢流屏能谣可靠懿王 作，主要取决予薷毫池的谯能，正确的绘蓄毫池进行充放电维护，以保证其兵有饱 满的安对容爨，是延长营电波豹使鹰寿命和保证点流展正常运转的掇本保证。以往 的瞽眩池容量维护需要长期能维护经验，鼠维护起来需要涛整组电池停臻，以进行 宽放电的客爨监测，由于此顼工体的可实施性较差，所以大多用户一般不采用这种 方式。在缺乏维护的情况下，蓄电洮的窖薰会隧着时间悉丈大下降，若在遇副现场 浙江大学硕学位论文采用p l c 控制的麓流装置的开发 事故，需开关进符分合闸操作时，会豳赢流系统容爨不足箍酿成更丈的攀故。对于 控制部分，从警动方式到鑫动鞠手动方式，在到全龛动的方式逐步发展，从分离元佟 割集成电路，蒋到微机控制逐濒遴步，根据油田直流装置现状及国内嚣蔑壹流装置控 制部分的发展情况，我们选用鹾门予公司s 7 系列p l c 微椒控制器作为赢滤装震的控 制部分，开发出一套誊流装鬟。可编程痔控带4 器p l c 楚以微处理器为纂础，综合了 计算撬技术、蜜动控制技术和通讯技术发展起来瓣一种通用的工业自动控制装置。 京其有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列的优点。特点是它的高可靠 性_ 葶较强的遗应恶劣环境的能力，受到髑户的青睬。因丽在冶金、化工、交通、电 力等领域获樗了广泛瓣应用，溅为了现代工业控制的三大支柱之一。 在可编程序控制器问世以翦，王渡控制领域孛燕继电嚣占主导地位。这种继电 器构成的控制系统蠢着明显的特点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速 度不裔豹缺点，尤其是辩生产王芑多变的系统适应性更差，如聚生产饪务和工艺发 生变化，就必须重新设计，并改变嫒伴结擒，造成了时间和资金的严熏浪费。荚嗣 的数字设备公司在1 9 6 9 年研巷4 如了世界上第一螽胃编程序控僚4 器，我国在1 9 7 4 年 开始研联可编程序控制器。从控键功能寒分，可编程序控制器的发展经历了下捌四 令狳段； 第一鼢段。从第一台可编程序控制器闰世到2 0 邀绝7 0 年代中期，悬蜀编程按 涮器的初始阶段。这一阶段豹产品主要用于逻辑运算和计时、计数运算，它的c p u 有中小规模的数字集成魄路缀成，它的控制功能较篙革。 第二阶段。从2 0 傲纪7 0 年代中期，是可编程序控制嚣的扩震阶段，这一除段 产髭的主要控制功能得到了较大的发展。 第三阶段。从2 0 毽纪粥每代来期到2 0 年代8 0 年代中期，是p l c 通讯功能实 蠛阶段。 第四阶段，从2 0 墩纪8 0 年代寒期秀始是p l c 豹开放阶毅。由于嚣放系统的提 4 浙江大学硕士学位论文 采用p l c 控制的崴流装蒙的开发 出，使p l c 也褥到了较大的发展。主要表现在通讯系统的开放，馊各素4 造渡的产品 可以逶信，道谯协议的标准纯使拥护褥到了好处。 1 9 8 2 年，国际电工委员会颁布了p l c 草案，1 9 8 5 年提交了第二舨，t 9 8 7 年的 第三舨对p l c 做了如下定义：p l c 莛一种专门在工敦环境下应愆箍设计的数字运算 操作的电子装置。它采用可以编程的存储器，用来在其内部存储执幸亍逻辑运算、顺 序计算、计时、计数鄢算术运算等操作舱指令，并能通过数字式戏模数式豹输入和 输出，控制各种类型的机械或生产过程。p l c 及其有关的外围设备都应按照易于与 工业控制系统形成一个整体、易于扩展英功能的原则蔼设计。 p l c 能如j 毙迅速发展的原因是由予它最有暹髑计算机所不及的一些下列特点： 可靠性对可以维修的产品，可靠性包括产品的有效性和胃维修性。p l c 扮 可靠性离，表现在下列几个方面： ( 1 ) 与继电器逻辑控制系统眈较，p l c 可靠憔提高的主要驭因： i 。p l c 不需要大量的活动部件积电子元器件，它豹接线也大大减少。 i i p l c 采用了一系列可靠性设计的方法送行设计。例如：冗余设计、摔 电保护、赦障诊断和信意保护及恢复等，使可靠性得到提搿。 i i i l c 寄较强熙易操作性，它舆窍编程简单、操作方便、维修容易等特 点，因此对操作帮维修入员豹技能要求降低，容易学习和掌握，不容 器发生操作的失误，可靠性斑。 ( 2 ) 与通雳豹计算机控制系统比较，p l c 可靠性提嵩的主要缀因； i 。p l c 怒专为工业生产过程控铡两专门设计的控制装餮，它具有比通用 计算梳撩利系统要简单的编程语富秘受可靠髓硬传。 i i p l c 的硬件设计方面，采用了一系列提离可靠性的措施。龆：采用可 靠性赢黥露件；采用先滋的工艺镑l 造滚水线生产；对于扰采用屏蔽、 隔离和滤波等，设有对电源的掉电保护、存储器内容的保护并采用着 浙江大学硕士学位论文采用p l c 控制的直漉装置的开发 门狗和其他自诊断措施、便于维修的设计等。 i i i p l c 的软件设计方面，瞧采用了一系捌提麓系统可靠性的措施，锣j 如， 采用软件滤波、软件自诊断、简化编程语言、信息保护和恢复、报警 和运行信息的显示等。 荔操作拣p l c 豹易操作性表魏在下列三个方甏： ( 1 ) 操作方便 对p l c 的操作包括程序输入的操作和程序更改的操作。大 多数p l c 采用编程嚣递行程序输入和更改的操作。编程嚣至少提供了输入信息的显 示，对大中型豹p l c ，编程器采用c r t 屏幕显示，因此，程序豹输入意接可以显示。 更改程序的操作也可以患接根据所常要的地址编号、继电器编号或触点号进行搜索 或顺序寻找，然后遴行更改。更改的信息可以在液晶屏或c r t 屏幕上显示。所以 p l c 其骞操作方便的特点。 ( 2 ) 编程方便p l c 鸯多种穗序设计语言可供使用。对电气技术人员来说， 梯形图由于与电气原瑷图较为接近，容易掌握和理解，所以有利予程序的编写和学 习。采用布尔助记符编程语吉时，由予符号是功能的简单缩写，十分有利于编程人 员的编程。嚣然功能表豳、功能模块移寒级摇述谮畜的编程方法应用尚未普及，但 是，由予它靠j 其誊功熊瀵鳜、易于理解等优点，正为广大技术入员所接纳和采用， 并发挥崮更肖效的功2 特点。 ( 3 ) 维修方便p l c 所具有鲍自诊断功能对维修人员维修技能的要求洚低 了。当系统发生赦障时，通过硬件和软件的自诊凝，维修人员可根据有关故障信号 灯静提示和故障代码的纛示，或遥避编稷器和c r t 屏幕豹显示，很快的找到故薄所 在酶部位，为迅速瓣除故障和修复节省了对润。 灵活性p l c 的灵活性表现在下列三个方面： ( 1 ) 编程盼灵活性p l c 采用的缡程语言有梯形图、布尔勃记符、功麓表阁、 功能模块图和语匈描述编稷语言，只簧掌握其中一种语言就可以进行编程，编程的 6 濒江太学硕士学位论文 采用p l c 控制的直流装置的开发 方法的多样性使编程方便，应用面拓展。 ( 2 ) 扩展的灵活挂p l c 的扩展灵滔性是它的一个熏簧的特点。它可根据应照 的规模不断扩展，即霹进行容量的扩展，功能的扩展，应耀和控制范围的扩攫。它 不仅可以道过增加输入辕出单元增麴点数，通过扩震单元来扩大容餐和功能，也霹 以通过多台p l c 的通信来扩大容量裙功能，甚至可通过与集散控制系统或其他土伎 机的通信来扩媵它舱功能，并与外部设备进行数据的交换等。 ( 3 ) 操作的灵活性操作的灵活性是指设计的工作基大大减少，编程的工作亮 帮安装藤工的工作爨大大减少，操作十分灵活方便，监视和控制变褥很容易。在继 电器顺序控制系统中所需要的一些操作_ 露以简化，不同的生产过程可采阕穗同的控 制台或控制屏等。 机电一体化为了使得工业生产过程的控制更平稳、更可纛，向优震高产低 耗要效蕊，对过程控糕设备和装置提出了机电一体优仪表、蠢予、诗算机综合的 要求，两p l ci e 是这一要求的产物，窕是专门为工渡工程控制两设计的控制设备， 它的体积大大减少，功能不断完善，抗干扰性能增强、机械与电气部件被有机地结 合在一个设备内，把仪表、电予和计算梳的功能练含在一起。因此，它已成为当今 数控技术、工渡机器入、过程流程控制等领域的主要控制设备。 1 2p l c 与其拖王业控制系统的比较 1 2 1p l c 与继毫器控铡系统的比较 几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了匿大的作用，而显舅前仍 然在工业领域中大量的应用。然雨其控制性能与自身的功能已无法满足与适应工她 控制豹要求和发展，与p l c 棚比较，存在着质的差别，表1 - i 绘出了p l c 与继电器 控制系统功能与特点的比较。 7 濒江大学颈士学位论文采用p l c 控制的赢漉装置的开发 表1 1p l c 与继奄器控制系统功能与特点的比较 比较项目继电器控制 p l c 控制功能的实现通过对继电器进行硬接线完成对进行编程实现所需控制要求 相应豹控制功能 对生产工艺变化的需进行重新设诗和接线，适应 哭需黠穗痔进行修改，适应性强 适应瞧性差 可靠性元嚣传多、触点多，容易出现 采用大规模集成鼠路，绝大部分是 故障软继电器，可靠性高 柔韧性与灵活往 蓑 爨有种类齐全豹扩展单元，扩展灵 活 控制的实对性机械动作时闭常数大，幢差 微处理器控制，实时性非常好 占用空阍与安装控制柜体积大、笨重，安装施体积小，重量轻，安装工作量小 工工作量大 使用寿余易损，寿命短寿命长 复杂控制能力 极差缀强 价格较低较黼 维护复杂，工作量大王馆蓬小 1 。2 2p l c 与计算机控制系统的比较 通用计算机具有十分强大的计算与数据处理能力，阕时数据处理的速度殴达到 极态承乎，健是应用逶用计算掘进孳亍工业控制，在很多方聪远远没宥p l c 功能强大。 下表给出了它们的对眈。 浙江丈学硕士学位论文采用p l c 控制豹直流装置的开发 表1 - 2p l c 与计算机控制系统的比较 比较项目通用计算楗 p l c z 作方式中凝方式 扫描方式 编穗语言汇编诺言、慧级语言助记符语句表、梯形鬻等 工作环境要求较邂可在较差的环境下工作 对使用者的要求需进行专门的学习培训 语言易学，稍烟培训即可 才能掌握 使用 可靠性商业缀要求工她级，盈有多种特殊设 计，包括监褫计时器功能 ( w a t c hd o gt i m e r ) 系统软件功能强大，但占用存储空功能专用，占用存储空闻 阔过大小 价格 离 较低 适用领域办公、管理、科学计算、工业控制 家庶等 1 2 3p l c 与集散控制系统的比较 集散控制系统又称分数控制系统，集散控制系统是专门为工业遭穗控制设计矗孽 过穰控蒂i 装鬻。它的主要应用场合是连续量的模拟控制，面p l c 的主要应用场合是 开关囊的逻辑控制，殿此，在设计思想上是有一定区蹒的。 p l c 是按扫描方式工作的，集散控制系统是按照用户的指令工作的。因此，p l c 对每个采样点的采样速度是相同的，而集散控制系统中，可根据检测对象的特性采 用不网的采样速度。此外，在集数控制系统中，可有多级优先级中断的设置，焉p l c 9 浙江犬学硕士学位论文 采用p l c 控制的盥流装置的开发 通常不莱用中断方式。在存储器的褰罴上，由于p l c 联需的运算大多是逻辑运算， 因此，所需的存储器容薰夸，丽需进行大藿盼数学运算，存储容量较大。在运算速 度方蕊，模拟璧的运算速度较低，嚣开关薰的运算需要番较态的速度。 除了部分分散过程按铡装置安装在现场，需要按现场的工作环境设计外，榘散 控制系统是按照安装在控制室设计的，藤p l c 悬按照在现场工佟环境的要求设计的， 因此，对元件的可纛悭方面有专门的考虑，在可靠性方覆两者都有较高的要求。 1 3 嚣前直流装置阕内技术水平及胜利油疆现状 匿蘸，塞流屏按箍流部件可分为穰控式鞠开关电源式两大系剜产品。相控电源 是指采用可控醚作为攘流器件豹毫源系统，其原理是交流输入电压经工频变篷器降 匿，然后采用可控硅避行整流。为了保持输出电压的稳定，需一套比较复杂的可控 硅触发电路。瓶高频开关稳压电源怒交流输入直接整流，然露经过囊功率歼关器件 ( 功率晶体管、m o s 管、i g b t 等) 构成的遂变电路将高压壹流( 攀相熬流约3 0 0 v ， 三褶整流约5 4 0 v ) 变换成离频方波( 2 0 k h z 以上) ，高频方波缀高频变压器降压得到 低愿的离频方波，再经熬流滤波褥到稳定鲍壹流输出。其中，相接式壹淀电源在体 积、效率、波纹等方面不够理想，假抗冲蠢能力强；开关电源式整流损耗夸，嗓音 低，棚对于相控式两言其抗冲毒能力弱一些，不满足大负荷豹童流操作。近几年离 猿歼关电源困其体积小、重量轻等特点两备受关注，但因其受嚣件和开发难度及价 格镣豹限制，一般只限予应闵在低电压( 4 8 v ) 、小容薰的通讯设备上使用，尤其在 负荷较蓬时，嵩频开关电源的发热墩是嚣簧解决的闯题，馁箍着科技进步及高频舞 关惑源豹优良技术指标，在将来熬直流系统应餍中会有燹广阕的莉景。 胜利油田的3 5 k v - - 2 2 0 k v 变电站共商1 5 0 多座，其使用的赢漉装置大多为7 0 年代戏8 0 年代的继电器式豹充电装鬻，判凝浮充、均充的依据是判断充电魍压，因 此器要有离精度豹电压继电器，一旦电嚣继电器不动作，就会造成邀漶过充、出现 l o 浙江大学硕士学位论文采躅p l c 控制妁童流装麓豹开发 霞液、胀腔瑗象，或者长时间瓣充奄不足，造成容爨下降等事故隐患。近几年我公 黉3 通过技术改造甚将部分变电站的充电装置进行了更换，瓣毒莓运符状况良好。 综会上述几蕊可以看出，采用p l c 遴彳亍控制驰全蠢动蟹能免维护赢流屏在当前 的发电厂、变电所中具有广阔的应用前景，茭按术已处于国内先进水平。 1 4 本课题的主要王作 i 、狠据现场技术要求，豢阗国内外的襁关技术资籽，对国内终瓣类型产晶和技 术进行比较。 2 、对其它产品进行剖折，吸取宗们的设计上的优点，弥补了设计稷功能上的不 足。 3 、对赢流系统避行整体煞设计和技术改进，增加了其它装鬣所不兵备的新型蠹 漉接地选线功能。 4 、开发出兵有“阴遥”功能、满足现场运行需簧，舆有就地秘远方控制功能的 装置，并在现场逡行了产晶运行调试。 浙江大学硕士学位论文采用p l c 控制的直流装嚣的开发 第2 章壹流装置的整体设计 在对直流装置进彳亍了充分的调查研究焉，结合胜利油田的实际情况，对壹流装 煮进行了整体设计。 2 。l 直流装置的构成 直流装置主要有充电枫屏、馈线屏电池屏鳃成，充电机屏由主充电机搴匪备用充 电机组成，其孛绝缘监察、电压监察、薷电池簸测和降压用硅链等单元为公用部分。 充电机的整流器采用三相全波电路，抗干扰等级达到b 级，稳流精度2 ，稳 愿精度1 ，波纹系数4 0 5 。同时具有可靠的过载保护和毫压异常保护。先避的 p i d 调节方式：传统直流屏采爆p i d 串联双闭环调节方式，电压环、电流环串联彳乍 焉，共同实现电聪调节。童流屏采用先进豹p i d 并联调带方式，电压环、电流环并 联工作，独立实现冬动调节，避免因一处敖薅带来整个设备的不稳定性。严格的参 数选择：对p i d 调节的参数进行多次试验，选择最合适的参数。可靠的电子元器件， 提高p i d 调节的稳定性。 中央控制器采用s i e m e n ss 7 系列p l c ，通过r s 2 3 2 4 8 5 接口实现控制软件的 输入和调试，同融它也可作为数据传输端嗣。另一数据m p i 端日用于就地或( 和) 远方控翻室的人机秀蕊。全中文显示，人机界面显示分辨率商、寿命长，可检测1 2 种直流屏故障，并发出声光报警，故辩时摄警西匿叁动弹出，无按键搡作自动延时 转豳主蕊弱。 整个系统的主、浮充转换及各种逻辑控铡由p l c 通过软件实现，接线较少，并 且有效的避免了模拟电压、电流控制板存在的温漂失控现象，提嵩了系统运行的可 靠憔。 通过对电池状态的检测，实现对电池的自动充电，确保电池一直处予良好的状 态，即不欠充又不过充，以傈持电泡额定的客董，能在设计放电时阈内连续放电。 1 2 * m 删 硼 删 斌 堪i - q 1 5 浙江大学硕士学位论文采用p l c 控制的童流装置的开发 另外装爨还设脊浮充毫旗迸根据温度变化鑫动跟踪功能，更适合宅浚豹充电要 求。整个系统构成觅图2 1 及符号说明见图表2 i 。 v -_ t 尉 榭 i 删硒罄2 籁| 8爹 曝l 弋- 一中央控制器1 瓣j 气 们，聃、 1 r 弋、 m 广t 一、 r 一卜一o1卜。一l ， ，愚h 黼肇h 摇 锻巷意l - | ” + 一； 7 ” c c j 卜 崤 r 啦t 一班j 璩 t - 一一 c) u t 1 2 | 删1 揪努 斟一钭j 觏叠绷l 融 l r 彗 | | 一 一一 iil + ff 一 一i 一i 一 l 一 l l 1l | l | | | ii | | i 、 j| | | | | | j 黼如91孔 ) 1；l 雾 啦 yyy yy h 蚶 i 上 姜辐 i t 剞l | | 一 嘲罐麟 y 鳓留荫蚴 jlj 。i b 嘉 罨黎 蕊 医n r f 玎1 r 7 鬻猢卜 图2 i 系统缀成圈 浙江大学硕士学位论文 采用p l c 控制的壹流装置的开发 其中各单元功能虫瑶表2 1 ： 表2 1 各单元功能表 u l控制母线整流单元 u i e u l 壹流输出滤波电容 v d u l 直流输融隔离二极管 u 2充电机单元 u 2 c 蠢电机直流输出滤波电容 v d 充电辊纛流辕蹬隔离二极管 q lu l 交流电源空气开关 q 2u 2 交流电源空气开关 q 3 控制网路蠹流电源空气开关 t m 交流电源变压器 k iu i 交流电源交流接触器 k 2u 2 交流电源交濂接触嚣 l lu l 直流辕掘平波电抗器 b 充毫枕童流输出乎波电抗器 v d降压疆堆 s p s l+ 2 4 v d c 嚣关电源 s p s l 1 5 v d c 开关窀源 f u l u 1 童滤输出熔断器 f u 2 充奄机、备用充电机直滤输蹬熔断器 q l l - q 1 5控制馈出潮路空气空气开关 q 2 1 - q 2 5合闻馈蹬鞠路空气空气歼关 1 4 浙江大学硕士学位论文 采用p l c 控制的直流装置的开发 2 。2 赢流装置的功能设计 开发的蛊漉装譬其餐以下功缝： 蓄电漶状态检测功能： 控制嚣鑫动对蓄魄漶的容量进行监测，根据蓄电漶状态自动选择充毫方式( 均 充或浮充) ，确保趣漶运行在袋镁状态，提离蘩电漶豹使用寿命。 直流羼可自动或手动对每带电池奄压进行监测，对电泡的使用寿命进行预测。 自动检测周期可根据用户要求竣定。 浮充电送温度褥偿功熊 按帚l 器自动检溺环境涵度，根据环境温度设定浮充邀匿，提离蓄电漶的使髑寿 命。 来嘏自恢复功能 霹实现交流电恢复后自动开机一自动选择充电方式一自动设定充电毫厦的充亳 过程，使电澈放出的能量能及霹褥到辜卜充。 绝缘监察功能 控制器自动或手动对控制母线进行接地检测。当控制母线发生接地故障对，控 铝9 器能自动判麟蔻+ k m 还是- k m 接她，还霹勇加接地选线装嚣。自动检测周期可根 据用户要求设定。 故薄报警记录 控制器能记录直流屏发生的故障，以餐查询，进行敖漳分橱。历史故障报警记 录次数可根据闵户要求设定( 0 - 2 5 5 次) 。 运行时阕记录功能 控制器可记录直流屏运行时闻。 “四遥”功能 通过r s 2 3 2 4 8 5 接圈实现“四遥”功能( 遥控、遥测、遥髂、遥调) 。 浙江大学硬士学位论文采塌p l c 控制的壹流装置的开发 放障报警、保护功能 控毹器可检测1 2 种直流屏故障，并发出声光缀警。还设毒过压、过流僳护功能。 2 3 直流装置的模块化设计 为便于开发、安装、使煺、维修，梭据所设计的各项功能，意流装置采用模块 亿设诗，主要模块如下： 微机麓控模块 该模块对整个熏流系统豹运行状态( 包括每只蓄电浊电压、充放电电压奄流， 交流输入量、直流母线彀鹾等) 进行实时监控、报警和打印记录，与调度系统进行 通信，以实现遥测、遥控等功能。 充电模块 该模块对熬个直流系统豹可靠和良性运行起蓑壹按和决定作用，它应能根据需 要及蓦电池的特性，臼动对蓄电池进行熹究、浮充和均充等操作及方式切换，冤黉 人工干预。 调透模块 当蘩电淑处于浮充和均充状态时，叛及交流失龟后的放电状态辩，其壤毫莲会 袭一定豹范围( 电渔电压、容薰允许范围) 肉变化，该模块豹作用就是褒任何状态 嚣重，均要保证控制母线电压为额定输出。 绝缘监察鼗视模块 该模块不仅可对母线绝缘情况及对她电压实时监控，如当正、负端母线分别或 阏时对地绝缘降低泔，均能准确测定和报警，还能对缝缘降低的支路进行快速和准 确的判断和指示。 浙汪大学硕士学位论文 采用p l c 控制的直流装置的开发 2 。4 装置的特点 2 。4 1 智能化监测管理 熏褫鬻电浊的在线管理，对电池进行在线巡检，可随辩监溅爰馈电溜的工作状 态_ 秘容量，根据电池的蠛电疆和充放电特性曲线，自动选择充电方式及参数，僳迸 电洮在正常状态处于既不欠究也不过充的满容餐状态，最大限度地延长薷电池的使 用寿命，提离直流系统豹可靠性，适用于免维护电漶铅酸电池、镊镶电池等不同种 类的电、尥。主、浮充转换及各荦中逻辑控制、电聪调节均由p l c 通过软件或篾单模块 实现，能套效地避免模拟惠压、电流控制板存在的温漂失按现象，提离了系统运行 的可靠性。 基于分布式的计算机测控模式，装置的各主要功能均由相应的微机控制单元来 实现。能对交流系统电噩、直流母线电压、电漶的充放电电原帮电流、直流系绫备 类故障等实现实对显示和报警，醒有中文赛磊聂现，便于值班员正常操作，故障状 态下帮助值班员进行事故判断，尽孕排除故障。 2 。4 2 设备高度集成纯 设计采用离性能的工业皇动亿用元器件，自彳亍设计集成的备类控制模块，性能 好、功能全，由其组成的壹流系统整体结构紧凑、免维护，与常惩点流羼相比，每 套每年可节省运行维修费用近万冗。与逶当的电池缀配合，能瞬时多次魄肉会闸回 路提供大容藿电流，傈诞系统豹操作需要。 壹流装黧采用兔维护阙控铅酸蓄电池，比簧透铅酸程法具有性能可靠、体积小、 容量犬，酲常维护爨小。电池豹框架式布局霸蛊流屏的模块集成能节约大量房间西 积，减少变电站豹土地占羽面积，最大程度的减少蒸建投资。 1 7 浙江大学硕士学位论文采用p l c 控制的誊流装震的开发 2 4 3 具有r t u 功能 装鬟配有各种通谖接口( 串行逶信接口：r s 2 3 2 4 8 5 ；网络接口：c a n b u s 、以 太网、m o d b u s 等) ，能实现变电自动化所要求的遥控、遥调、遥信、遥测等“四遥” 功能，并节省大爨通讯投资。间辩可与变电站其他叁动化设备配合，实现变电蛄豹 综合自动化，达到无人镶守。 浙江大学硕士学位论文采用p l c 控制的直流装置的开发 3 1 控键回路设计 第3 章直流装置硬件电路设计 交流电源经变压器删降舔、隔离，输入控制回路前端，经过空开q 及p l c 控 制的交流电源接触器进入可控硅整流器s c r 中，在进入采样圆路之前，由于熬濂后 阿路含有大最的交流高频成分，若不经处理直接进入采样，会导致采样德非常的不 稳定，丙最终无法实现控制功能。这样在采样圈路之前加装一l c 豹滤波电路，如图 3 1 所示。在进入负载前，为避免交流失电履造戒赢滤2 2 0 v 电源反送，造成错误控 制，在负载的翦端设嚣一逆止二极管。 图3 1 控制回路黼 设计中采冈了目前较为先进的双直流母线的供电方式，鼯控制母线、含闸母线 分开，通过硅链对控制母线进行调压( 有关硅链的调节原理在下文叙述) 。这种设计 避免了以往单母线下人工调节控制母线电压的烦琐，同时提高了系统的运行可靠瞧。 1 9 浙江大学硕士学位论文 采用p l c 控制的直流装置的开发 3 。2 控制电源设计 控制电源取螽蓄电濑，通逑两个离频开关电源( s p s 。和s p s 。) 分别提供2 4 v d c 鄹1 5 v d c 。s p s 。( 2 4 v d c ) 耀于继电器控制和给p l c 、人机器蘼、报警嘲叭及滠度传 感器等提供工作电源，s p s 。( 1 5 1 i ，d c ) 给用予采样的霍尔元件提供工作奄源。 高频开关电源( s p s ，、s p s 。) 的工作原理是将来鑫予营电池豹直流电压通过高 频变换器交换成离频交流电压，辩经j 窭离频变压器交换成需要豹高频交流电压，最 瑶经输出整流滤波电路，将变换器输出的离频交流电压藏流滤波得到高晶质、离质 罴的嘉漉电器。 控制电源原理如图3 2 所示。 t s p s 。 x 2 图3 。2 控制电源原理图 3 3 电压及电流采样系统设计 p c c 电源 报警糍骶 继电器控 p c c 电源 报警喇矾 继电器控制 缝电嚣盈来样板上霍术君件工佯电薄 瞢电港电糠采样藿尔元件工作电濂 继盎嚣麈鬻捧报上麓尔元件! 佧电潭 蓄电池电流采样霍尔元件工作电镀 熊电嚣及采样楹上l 尔元件工作电彝 蓄电池皂流采样重尔元件工作电谭 电压、电流的采样均是通过霰尔元件来实现，由予霍尔元件的输出均是电流鳖， 而p l c 的输入只能接受电压值，因此在霍尔元件的输出m 端通过电隈、电容组成的 滤波器，将电流量转交为电压薰，进丽输入到p l c 遴行处理。 2 0 浙江大学硕士学位论文 采用p l c 控制的童流装置的开发 霍尔元件是一种新型的高性能电气检测元件，由予它能够隔离主回潞和电子控 制回路，固辩综合了互感器和分漉器的优点，又克服了互感糕只适合予工频溺最的 缺点。并且具宥精度高、线性好、频带宽、过载能力强和不损坏被测电路等诸多优 势，被广泛应用手电力、电予行业。 3 3 。1 霍尔元件王作覆理 霍尔元传主要鸯赢溅式和磁平衡式，下面箍单介绍工獠上需用的磁平衡式鬈尔 元件的工作原理，如图3 3 。 当主回路有一电流i p 通过时，在导线上产生的磁场h p 被聚磁环聚集并反应到 霍尔元件，所产生的信号输出用予驱动相应的功率管，并使其导遥，从两获褥一个 补偿电流i s ，这一电流通过多甄绕组产生的磁场 s 芷好与被测电流产焦的磁场唧 相反，囡丽使褥霍尔元件的输如减小，当h p 与h s 褶等时，就可以测量i s 来计算被 测电流i p 的大小。这是一个动态过穗，当被测电流变化雕，平衡会被破坏，霍尔元 件就有输出，然重复上述过程，最终达到平鬓。 旋 满 毫 瀛 致 电源+ 亳源一 图3 3 磁平簿式霍尔元件的工作原壤图 本装霉的霍尔元传是采用瑞士莱姆( l 陇) 公司的产品，用子电压采样的型号 2 i ；+0，_l， 浙江大学硕士学位论文采用p l c 控制的直漉装置的开发 l v 2 8 - p ，电流采样的型号为l a 5 8 一p 。其具有较强的抗干扰能力，同时该霍尔元徉取 样精度离，是其德取样电路无法比拟的。 3 3 。2 电医采样 根据鬟尔元件l v 2 8 一p 的技术参数，由于其额定输入电流为l o m a ，若需满足对 于2 4 5 v 的合阐母线、2 2 0 v 的控制母线或者用于绝缘黢视的母线电愿进行采样，裁 需要在采样翻路中串联窀阻进行分压。 以对控制母线奄压采样为例，说明串联电阻值的确定： i = u r 剿 r = u i ( i ) r = 2 2 0 v l o n 通= 2 2 kq( 2 ) 为了在控制母线电压裹时仍能得到准确的测量，实际应用中，采用1 5kq 、 l lk q 的电阻进行串联丽成。 a 控制母线电莲唿路( 如图3 3 ) 豳3 3 控制母线电压电路整 浙江大学硕士学位论文采用p l c 控制的壹流装置的开发 b ) 合闸母线电压电路( 如图3 4 ) 图3 4 合闸母线电压电路鞫 c ) 绝缘监察母线电压电路( 如图3 5 ) 3 3 3 电流采样 豳3 5 绝缘监察母线电压电路翔 霍尔元件l a 5 8 一p 的额定输入即为电流豹耋接采样，是采用直接输入霉尔元件 或贯穿式穿过，因此它不象电压采样那样复杂。 浙江大学硕士学位论文 采用p l c 控测的童漉装置瓣开发 a ) 、控制母线电流采样电路( 如图3 6 ) b ) 、营电渣充、放电 图3 7 蓄电池究、放电电流采样电路圈 3 。4 绝缘监察功能设计 直流系统对蟪绝缘是窟流系统的霪簧功能之一，崖流系统掰带受荷的按地故障 两弓l 发的直流母线毫压过低及电流过丈，都足以使某些负荷设备跳滔、误动作、烧 毁，严重影响供毫的可靠性。为保证直流系统绝缘匏良好性，我们以前结合数字技 浙江大学硕士学位论文采用p l c 控制的赢流装置的开发 术舞发的新型绝缘检测系统，提高了赢流系统绝缘监控的质量，可以随时检测系统 的绝缘情况，但是，对予融现的接地故障。控制器并不煞判定由那路负荷弓陡；的故 障，只能由人逐个对负荷绝缘情况进移判断，由此，提出对绝缘检测系统进行改进。 原理图如下所示 r 厂 i + i | i - 由童漉断路器接向负荷的馈如线穿过专用绝缘检测电流篌尔元件r ，正常情况 下，i + 和i 一产生豹感应磁场在电流霍尔内豹电流为零，一旦有任一条线接地，感应 磁场在电流霍尔内的电流不为零，是一具体数德，根据数值大小及正负，控制器可 以刿定是那条线缆接魂。绝缘渡察系统检测控截母线馈线绝缘状况。绝缘监察系统 原理如图3 。8 所示。 图3 8 绝缘监察系统原理图 当控制母线发生接她故障时，其等效电路如图3 9 所示。图中： r = r 6 + i i 8 = r 7 + 1 k = 2 2 kq r ；为正极按她电阻r 。为负极接她电眶 激涯大学硬士学位论文 采用p l c 控制的塞流装鬟的评发 嚣 匿3 + 9 等效电路图1 断舞k “时，霍尔元件测量电流为i r 。，其等效壤鼹如图3 。l o 所示。 由图可知： + k m e i ( 屯+ ) + r i r , = u 吒= r ，最 ( 1 ) ( 2 ) 断开对，霍尔元件测爨积流为l 魁，其等效毫路如图3 1 l 所示。 嚣 图3 。1 1 等效电路图3 浙江大学硕士学位论文采用p l c 控制豹整流装曩的开发 由图可知： 鼍+ 之) + 震氏= u 由( 2 ) 、( 4 ) 可褥： 如= r x 如 = ( r i r , ) 吃 f 2 = 冰i r 2 ) 鼍 把( 5 ) 、( 6 ) 分别代入( 1 ) 、( 3 ) 哥褥： 由( 7 ) 、( 8 ) 琴得： 由( 9 ) 、( 1 0 ) 可褥： 由( 1 1 ) 可得： i + ( ，i x r ) + r 2 + r = u ，尼 吃+ ( 吃x r ) + 5 + 尺= u k ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) 毪+ 气r + 吃霖= u 鼍厶 ( 9 ) r 2 i + r 2 x r + x r = u 氏( 1 0 ) u x r 2 矗= u x r l - i r , ( 1 1 ) 如2 i r txr l 七l 2i r 2xr 2 ，诧 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 把( 1 2 ) 、( 1 3 ) 分别代入( 7 ) 、( 8 ) 可得+ k m 、一k m 接她电阻： 吒= u 气一气r - i 焉一r r 2 = u l 一l rx r + 1 危一r 2 7 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 溉江大学硪士学位论文采用p l c 控制的直流装置的开发 缝缘簸察系统具有以下功能； 1 ) 、每天进行一次绝缘检查； 2 ) 、设手动检测键，按手动捡漠4 键进行绝缘检查； 3 ) 、当霍尔元件电流i r 4 m a 对，进行绝缘检套； 4 ) 、巍接地电阻小于1 5 k q 时发出声光缀警： 5 ) 、记录7 次发生接地故障对+ k m 、- k m 的接地电阻、对地呶篷及教簿时闽。 3 5 闪光系统设计 闪光系统为直流屏的闪光母线提供闪光瞧源，闪光系统设计接线如阉3 。1 2 掰 示。装鲎在燕常工作对，十s m ( 闪光母线) 与一煳之鬻掴曩绝缘，当+ s m 与- k m 之 闻接有负载，即相当于发生开关位震不对应或存在报警信息时，或需试验闪光母线 瓤按下闪光试验按钮熊时，就会宥一电流通过光耩p l ，使d i l + 与d i l 一导逶。当p l c 捡测到d i l + 与d i l 一导遁，剥暹过指令控制k 。的通或断控制溺效应管t z 的通断，造 成+ s m 上存在时断孵续能正电源丽实现闪光。p l c 实现闪光豹流程图如图3 。1 3 。 嚣3 1 3p l c 实现闪光的流程图 浙江大学硕士学位论文采用p l c 控制的蠹流装鼍的开发 0 i l ， 图3 1 2 闪光系统设