毕业论文-电力系统自动重合闸环节的设计与实现

1、大连海事大学 装订线毕 业 论 文 装订线二一五年六月 电力系统自动重合闸环节的设计与实现绪论课题研究的背景及意义1.1.1 自动重合闸现代电力系统结构越来越复杂，供配电线路电压等级越来越高，供配电系统出现故障、事故的几率也是越来越高，所以，需要提出更多的的解决方案来保障供配电系统的安全，并尽可能的使供配电线路出现事故时所造成的损失降低，继电保护是电力系统各种安全保护措施中功能最全，效率最高的一种。在高压供配电系统中自动重合闸功能作为其继电保护设备中功能最重要的构成部分。它在保证供配电系统安全、可靠和经济运行方面有着不可替代的作用。运行经验表明，供配电线路特别是架空线路上的短路故障有一大部分是

2、暂时性的，在其对应的断路器跳闸断开后大部分故障都可以自行恢复正常。所以通常采用自动重合闸装置（Automatic Reclosing Device，ARD），其功能是让断路器按一定要求自动重新合闸，从而达到快速恢复系统供电的效果。即，当供配电线路（一般为架空线路）出现问题时，首先继电保护装置动作使断路器跳闸将线路开断，同时启动自动重合闸装置，经过预置的时间后自动重合闸装置使断路器重新合闸使线路的供电恢复。如果线路上的故障是永久性的，这种情况下保护装置会再次使断路器跳闸断开线路，这时自动重合闸装置不应该使断路器再次合闸。根据我国相关法律法规的要求，供配电系统中电压在1KV以上而且包含有架空线走线

3、的线路，该线路中使用的断路器通常应该具有自动重合闸功能1-3。1.1.2 基于PLC和MCGS的自动重合闸当今在我国应用最为广泛的自动重合闸装置还是电磁式的，电磁式ARD的功能实现主要靠继电器-接触器完成，但是因为继电器运行过程中可能会因为种种原因导致出现拒动、误动情况，而且继电器也可能因为环境或者保养不善导致其触点氧化或因为电弧问题引起熔焊而出现触点粘连情况，这些现象都可能致使自动重合闸故障，影响供配电系统的稳定性、可靠性。同时，电磁式ARD其定时单元精确度低且调整麻烦，与继电保护装置配合较难。电磁式ARD功能扩展相对复杂且可靠性低，不利于实现电力系统的自动化控制，并且其体积大，安装调试复杂

4、 噪音大不环保，各继电器-接触器之间的物理线路接线繁复需要大量时间和精力进行维修、保养工作，这些严重限制了电磁式ARD的发展。而使用PLC来实现自动重合闸功能，可以大幅减少传统电磁式ARD的物理连线，因为PLC可以通过编程取代一些非必要继电器的存在。在解决传统继电器可靠性问题的基础上还有利于功能的扩展。同时 PLC所具有的通信功能对实现电力系统综合自动化有着重要意义，运行经验告诉我们利用PLC在自动重合闸装置中作为控制核心是一种简单可靠，性价比高的方法，使供配电线路的稳定性有了非常大地提高，其实际运行效果十分显著4。现如今可编程逻辑控制器(PLC)技术正在不断地发展进步过程中，因为PLC具有非

5、常高的可靠性、对各种各样的工业现场环境的适应性和优良的扩展性能，PLC在各种工业现场特别是控制过程中的应用越来越多，尤其是其在电力系统中的应用领域更为广泛。目前，伴随着可编程逻辑控制器的广泛使用，其为原来在工控场合存在的诸多问题提供了解决方案。 以PLC为自动控制的核心部件，发挥其强大的功能可以实现逻辑控制、过程控制和运动控制这三种控制有机的结合在一起，可简单、轻松地装配成满足不同规制和不同标准的控制系统，可以深入贯彻现代多功能自动控制理念。组态软件MCGS( Monitor and Control Generated System)是由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研制开发的，是一款应用

6、在Windows操作系统上，用来快速搭建生成上位机远程监控系统的组态软件，其主要有动画演示、流程控制、数据采集、处理及记录、参数设置、网络通信等功能，在工程领域有着广泛的应用。本文自动重合闸的课题研究中以PLC控制为核心，通过嵌入式触摸屏TPC1062KX作为显示，采用MCGS进行上位机组态，操作简便，可以使过程直观明确的显示出来。实现了上位机（TPC1062KX）和下位机（西门子200系列PLC CPU226）的通信，实现了对现场设备的实时监视，远程控制，数据存盘等功能，对自动重合闸装置的进一步研究有深远影响。自动重合闸2.1 自动重合闸的简述自动重合闸是大部分使用在包含有架空线路走线的供配

7、电系统中，一种有效的反事故手段，是一种可以将因某种原因跳闸的断路器自动按一定要求重新合闸的装置。供配电线路采用自动重合闸装置，可以十分显著地提升输送电环节的可靠性与稳定性，减少因为断电而造成的损失，并且提高了电力系统的可靠容量。供配电系统运行经验表明，架空线路上绝大部分故障是暂时性的，例如:（1）雷击使线路电压过高导致绝缘子绝缘能力降低。（2）线路敷设不合理致使风吹时可能相间碰线。（3）通过树枝或其他空中漂浮物引起相间短路。以上情况出现时，断路器动作跳闸使电弧熄灭，若此时故障消除，线路绝缘性能能够得到恢复，再次重合闸就可以成功恢复系统供电。这时采用自动重合闸装置就可以自动的完成这些操作不用人为

8、干预，十分方便快捷。电力系统中架空线路上出现的故障很大一部分是“暂时性”的故障，在继电保护装置动作断路器跳闸分断线路后，故障问题出现的位置的绝缘性能可以自行恢复到正常状态，这时故障解除。此时，如果把断路器重新合闸接通刚刚开断的线路，就可以使供配电线路继续正常供电。自动重合闸装置对供配电系统中出线的暂时性故障，可以自动快速地恢复系统正常供电，从而十分有效地提升供配电系统的的可靠性与稳定性，降低供配电系统的停电可能性。将ARD应用在高压供配电系统中，还可以非常有效地对高压电力系统并列运行的稳定性进一步提升，并且可以提高高压供电系统的传输容量。而且应用ARD还可以克服传统继电器的误动、据动现象，提高

9、供配电环节的可靠性。在我国的电力系统相关法律法规中也有明确规定电压等级为1KV及以上电压且包含有架空线路走线的供配电线路上的断路器，一般要求具有自动重合闸功能，以确保供电环节的可靠。除了暂时性故障外，电力系统供电线路中也存在“永久性”故障，“永久性”故障在断路器跳闸开断线路后，依然存在，不会像暂时性故障那样自动解除，这种情况下就算是重新使断路器合闸接通线路，也是不可以恢复正常供电的。但是，就目前来说自动重合闸装置自身还不具有判断线路故障是暂时性的，还是永久性的这种功能。所以当线路为永久性故障时进行重新合闸，将会带来一些负方面的问题，比如:（1）使供配电系统多一次承受故障电流、电压的冲击。（2）

10、使断路器的工作条件恶化，绝缘强度降低（多一次开断故障）3,5,14。2.2 自动重合闸的基本概念2.2.1 自动重合闸的要求ARD不应该动作的情况有两种：人工分闸（手动和遥控任何一种情况下手动分闸不可以重合闸）人工合闸时如果供电线路永久性故障没有排除，继电保护装置动作使断路器跳闸，这时不可以重合闸。正常工作情况下线路出现故障继电保护动作或因误动等其他情况断路器跳闸时，ARD应该动作尝试使断路器重新合闸。ARD的动作次数应与预定次数相符。一般情况下，ARD重合闸动作只设 1次， 即当断路器重新合上后， 在一定时间内（预先设置）继电保护又一次动作使断路器跳闸时， 不再进行重合闸操作。ARD应与继电

11、保护装置配合工作，按实际需要实现重合闸前加速或重合闸后加速保护， 加速故障切除，减轻故障危害。ARD动作于线路暂时性故障时， 断路器重新合闸成功后， 通常要求具有自动延时恢复功能（个别也可以手动）。双侧电源供电的线路重合闸时要考虑同期问题，提高供电线路并列运行的稳定性。ARD动作于永久性故障时，重合闸后由于线路故障依然存在，继电保护又一次使断路器跳闸时重合闸功能要自动闭锁， 直到排除故障后手动（遥控）复位。断路器处于不正常状态时（操作机构故障如液压、气压不足等），ARD应闭锁6。2.2.2 ARD整定时间继电保护动作使断路器跳闸后，断路器延时合闸的延时整定时间为0.5s-5s，经验表明取0.7

12、s左右比较合适，时间过短，供配电线路的绝缘水平来不及恢复到正常水平，而且恢复断路器的开断、关合能力需要一定的时间。延时时间过长，供电线路的开断时间过长，不利于供配电系统的可靠性和经济性运行。ARD动作自动重合闸成功后，一般需要自动延时复归。即，当供配电线路为暂时性故障时，ARD动作成功恢复电力系统的供电后，经一定延时ARD要准备好下一次电路出现问题时进行重合闸操作，考虑到断路器恢复其额定的开断能力也需要一定时间，一般取20s-25s3,7。2.2.3 自动重合闸的分类及应用三相重合闸方式一般主要在电压为110 KV及以下的供配电环节中使用，对于供配电线路跳闸后不进行重合闸也能稳定运行的大型环网

13、型密集线路的效果尤为显著。一般也应用在单侧电源供电的线路。一般不会在大容量机组的出口处使用。单相重合闸方式和综合重合闸方式适宜使用在电压等级为220KV及以上的供配电线路中，尤其适用于当某种意外导致电线某一根断开接地的情况。因为这种情况下如果使用三相重合闸可能致使某地区大面积断电或者导致某一级负荷断电，严重影响企业和人民的生产生活。为了提高电力系统中供配电环节的可靠性和稳定性，在使用三相重合闸的输送电线路中，若加装单相重合闸环节更有利于异常时系统供电快速恢复时选用。同期重合闸方式适用于输送电线路两端都有电源（发电机组）的线路以及不允许非同期合闸的供配电线路（线路有重要负载不允许失步）。非同期重

14、合闸方式非同期重合闸时产生的冲击没有超过我国法律法规规定的的允许值，或在线路重要负荷的可接受范围内时。非同期自动重合闸后电力系统整步能力强，可以很快自整步恢复正常同期运行时56-12。2.2.4 ARD装置与继电保护的配合为了利用充分利用ARD所提供的条件，缩短故障切除时间，减少故障所造成的损失，ARD与继电保护的配合方式有两种：重合闸前加速保护及重合闸后加速保护15。重合闸前加速保护：一般简称“前加速”，多用于单端电源供电（发电机组在线路一端）的干线式分布的输送电线路中，如图2-1所示。每段线路均装设过流继电保护装置，由于保护要求有选择性，动作时限要求按阶梯原则配合，靠近电源保护1处的时限较

15、长，为了加速故障切除，在保护1处加自动重合闸装置。图2-1重合闸前加速保护示意图当线路的任何一处出现问题时，保护1都无选择地迅速动作跳闸，然后ARD动作，使断路器1重合闸。如果是暂时性故障，则自动重合闸成功，恢复线路的正常供电，加快了故障切除时间；如果发生永久性故障，则各处保护再次启动（比如图中所示3处发生永久性故障则3处断路器跳闸），并按选择要求，使相应断路器跳闸。重合闸前加速保护的特点是有利于迅速消除故障，如果为暂时性问题使其不会因为时间长而成为永久性故障，提高ARD成功率，而且前加速只需要在电源一侧安装ARD装置（如图2-2的1处），维护保养方便，经济性高。其缺点是增加了装设ARD装置的

16、断路器动作次数，而且一旦该断路器因为某种原因跳闸后拒绝重合闸时将会扩大事故的停电范围，多用于35KV以下的系统中。重合闸后加速保护：一般简称“后加速”。如图2-2所示。当线路某处出现问题时，继电保护按照选择性要求的方式动作，有选择地使断路器跳闸，然后进行重合闸。如果重合闸在永久性故障上，则加速保护动作，缩短故障切除时间，降低故障造成的损失，不考虑保护装置自身具有的时限。图2-2自动重合闸后加速示意图后加速与继电保护配合的方式，因为首次保护动作具有选择性而防止造成大范围断电事故，保证了永久性故障的快速切除，并仍具有选择性，一般来说是有利而无害的，各级电压送电线路均可使用。其缺点是首次保护动作可能

17、有延时，而且由于每一个断路器均要求配备ARD装置，同前加速相比费用较高。一般应用于35KV以上的系统512-14,8。第3章 可编程逻辑控制器与组态软件3.1 PLC特点及应用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，是新一代的工业自动控设备，其最重要的功能是实现逻辑控制，取代传统的继电器。PLC是一种历经40多年发展起来的通用的工业自动控制装置，以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术。它因具有非常的高可靠性而且对工业现场环境的适应能力强，深受工业控制行业的喜爱。PLC还具有非常丰富的适用领域在冶金、交通、电力等方面应用十分

18、广泛，是现代工业控制的重要组成元素之一。3.1.1 PLC的特点抗干扰能力极强，高可靠性非常高通用性强适合各种环境，适应能力十分优秀编程直观简单易学丰富的I/O接口模块，接口能力强采用模块化结构，占地小、质量轻、能耗低设计、安装简单和维修方便，使用时只要将PLC的I/O端和设备相连即可，且采用模块化结构，易于维修更换9。3.1.2 PLC的应用领域伴随着社会的发展进步，工控场合的需求PLC应用范围日趋广泛，其应用基本涉及到了工业行业的各方各面。PLC的应用大致分为以下几种：逻辑控制。PLC最基本、最广泛的应用。运动控制。PLC使用专用的运动控制模块，将顺序控制、运动控制有机结合。闭环过程控制。

19、PLC通过模拟量的IO模块可实现模拟量的PID控制。数据处理。PLC能够实现数据的采集、处理功能。通信联网。PLC的通信可以实现信息交换功能，可用来搭建“集中管理，分散控制”的分布系统104。总之，PLC是一种在工业自动控制环境中不断发展进步的专用计算机，它具有驱动能力强大且丰富的输入、输出接口，在工控领域使用极为广泛9,10。3.2 PLC的组成及工作原理3.2.1 PLC的组成PLC由CPU模块（主机系统）、输入输出（IO）扩展环节及外部设备组成。其中CPU模块主要包括CPU、存储器、输入输出（IO）接口、电源等，如图3-1所示1010-14。图3-1PLC系统结构中央处理器（CPU）CP

20、U是PLC的核心组成元件，主要完成逻辑或算数运算任务。早期的CPU内核是8位的现在已经发展到32位。每个PLC至少一个CPU。电源为PLC内部各模块的集成电路供电，作为内部工作电源。一般不提供给外围IO电路。PLC对交流电源的输入电压范围要求不是很高，范围很宽，抗干扰能力强。有些PLC还配有UPS用来数据的停电后保持。外部设备PLC的外部设备主要包括：编程器、人机界面、打印机等。编程器是最基本的设备，在使用、维护、管理PLC时都需要用到，但目前通常用户接触较多的是人机界面。输入接口单元对信号进行隔离、滤波、电平转换等。最终把输入信号对应的逻辑值传递到PLC内部。输出接口单元把用户程序的逻辑运算

21、结果输出到PLC的外部端子。具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用，为了提高驱动能力有的还具有功率放大的作用。存储单元PLC的存储芯片包括：RAM（随机存取存储器，断电后数据丢失）和EEPROM（点可擦除只读存储器，断电后数据不会丢失）及中大型PLC采用的大容量MMC（多媒体存储卡，断电后数据不会丢失）存储单元一部分给系统用，另一部分用户使用。系统程序存储区由制造商将其固化在EEPROM中，不对用户开放，不可更改。系统数据存储区采用RAM存储芯片。用户可以访问。操作系统的管理、监控系统以及程序执行时的一些结果、故障状态，存在这里。用户程序存储区存放用户编写的程序，可以读写。PLC型号不同大

22、小也不同。用户数据存储区系统用户共同使用，主要存储输入输出状态、计数、计时、全局变量、局部变量。可以读写，可采用备用电源（蓄电池等）保护数据。3.2.2 PLC的工作原理PLC采用循环扫描工作方式。一个扫描周期分为三个阶段：输入采样、用户程序执行和输出刷新。PLC以一定的扫描速度重复执行扫描周期。如图3-2所示。输入采样PLC按次序读入所有物理输入点的状态，同时将其存入用户程序存储区中的专用区域IO区。输入采样完成后，自动进入下一阶段执行，这时即使外部输入端子上的状态发生变化，IO区相应存储单元状态也不变。用户程序执行PLC按由上到下，由左到右的顺序有次序地扫描用户程序。并将运算的最终结果输出

23、到用户程序存储区的IO区，但是并没有送到实际的物理输出点，那是输出刷新的工作。输出刷新PLC按照IO区对应的存储单元的状态刷新全部的输出锁存电路，最后由输出电路驱动外部设备。PLC在输入输出处理方面遵循以下几点：输入过程映像寄存器的数据取决于本扫描周期的第一阶段“输入采样（刷新）”时输入端子的实际物理状态，且一直维持到下一个周期的输入采样阶段。输出端子驱动外设的状态由输出锁存器确定1014-16。图3-2PLC执行程序的过程3.3 组态软件概述及特点MCGS(Monitor and Control Generated System)是由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发推出的，是一款用于方

24、便灵活地组建上位机监控系统的组态软件。它应用在Windows操作系统上，为使用者提供现实工程问题的切实解决方案和创造环境，可以实现对工业现场的数据采集、处理、报警功能，以及流程控制、动画显示、曲线或报表输出进一步的还可以实现企业监控网络功能。MCGS可以将搭建好的系统下载入TPC1062KX触摸屏，通过触摸屏与其他相关的硬件设备有机组合，可以方便、轻松地实现对各种实际工业现场的参数采集、处理和控制114。3.3.1 组态软件的特点目前在我国MCGS是使用人数最多的中文组态软件之一，其主要特点如下：可视化操作界面组态操作方便轻松。良好的并行处理性能。具有多种多样、全面生动的多媒体画面。采用开放式

25、结构，数据获取、处理功能十分强大。完善的安全机制。强大的网络功能。支持TCP/IP、MODEN、RS-458/RS-422/RS-232等多种网络体系结构。多样化报警功能。添加实时数据库充分为用户方便使用做考虑。MCGS支持各种各样硬件，但系统组态不用考虑硬件区别。方便控制复杂的运行流程。通过“策略组态”可准确地控制操作过程。良好的可维护性和可扩充性。MCGS系统不同的构件各自的独立。还提供了一套开放的可扩充接口。采用实时数据库来管理数据，最大程度的提高上位机监控系统的安全性，稳定性。搭建对象元件库，用户组态时可直接选用，组态轻松快捷。MCGS合理应用目前工业控制领域发展迅速的DCCW(Dis

26、tributed Computer Cooperator Work，分布式计算机协同工作方式)技术，可以达成对工控系统不同区域的分布式控制和管理的目的114-6。3.4 MCGS组态软件构成MCGS系统包含组态环境以及运行环境两部分。其关系如图3-3所示。组态环境是用户用来搭建构造系统的的，其主要功能是为构造系统提供各种工具。使用者完成上位机监控系统的组建后会生成数据库文件（区别于其他软件），称为组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统，其主要功能是根据用户组建系统后生成的组态结果数据库进行各种（包括数据和动画等）处理，最终完成使用者通过组态构建的系统的的功能。运行环境自身没有意义，只有和

27、组态结果数据库有机的结合在一起时，才可以组建为用户应用系统。使用者在组态环境完成系统构造后，运行环境和组态结果数据库就可以运行在触摸屏（上位机）上，而不再需要组态环境。图3-3组态环境向运行环境的过渡由MCGS组态软件创建的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，如图3-4所示。图3-4MCGS组态环境结构主控窗口主控窗口是MCGS工程的主窗口，也是用户应用系统的主窗口。主要用来编辑用户菜单，管理窗口，处理用户操作。设备窗口设备窗口负责连接和驱动MCGS外部元件，读写外部设备的运行状态。本课题中，就在此窗口设置串口通信参数，使TPC1062KX触摸屏和PLC能够通信

28、。用户窗口用户窗口主要用于构造人机交互的界面。构建上位机监控界面，即触摸屏的图形显示界面。实时数据库实时数据库是工程各部分数据交换处理的核心，将工程各个部分有机的结合在一起。在这里对工程所有的参数变量进行定义。运行策略运行策略包含的是对MCGS工程中操作过程进行控制的要求和措施，可以通过程序或功能构件对系统实现某些功能的操作按要求进行控制116-7。第4章 断路器4.1 断路器断路器（Circuit-Breaker）是一种不但能够接通、承载及关断正常电路中流过的电流，还能够在要求时间范围内承载、开断不正常电流（比如短路电流）的开关电器。根据断路器所在电路电压等级的不同，可分为高压、低压断路器，

29、通常情况下将工作电压在大于等于3KV中的称之为高压断路器，高压断路器是供配电环节中首要的一种控制保护器件。本次课题中主要介绍实验室已有的ZN63A-12型高压断路器。低压断路器一般也称为空气开关，它在生活中很常见，是一种既可以人为操作来接通和关断，也可以在线路出现故障时自动关断对负载进行快速保护的电器。断路器的主要功能有分配电能、不频繁地起动电机、对线路负载进行保护等。高压断路器应用广、种类多，根据控制保护对象不同有：发电机断路器，其特点是电流大，关断后不需要自动重合闸功能。输、配电断路器，通常情况下输配电线路为确保安全可靠，一般要求装设ARD。控制断路器，需要有高的机械、电气寿命，因为控制电

30、器一般工作频繁。高压断路器为了可靠关断，防止电弧造成伤害，一般装有灭弧装置，所以也可以根据灭弧装置工作原理的的差异将其分为有油断路器、真空断路器、六氟化硫断路器等。虽然从各个角度看六氟化硫断路器的性能都好于其他几种，但是发展原因现在国内高压供配电领域少油断路器、真空断路器仍然使用较多，我国正在逐步推进断路器的更新换代。图4-1所示为典型断路器结构图。图中开断元件一般包括触头系统，灭弧环节等，是断路器执行元件。图中操动机构通常情况下动力来源有气压、液压、电磁力等，带动传动杆最终使触头动作。图4-1典型断路器结构高压断路器在线路中作控制保护时要符合如下条件：能够开断短路故障快速开断能够关合短路故障

31、快速自动重合闸操作可以接通、断开各种空载、带载线路372-754.2 实验室ZN63A-12型高压真空断路器简介ZN型高压真空断路器结构如图4-2所示，其特点如下：配用陶瓷真空灭弧室，触头结构为杯状。将操作环节和灭弧环节布置成一个在前、一个在后的形式，ZN63A-12系列就是将操动环节与真空灭弧装置一前一后的布置，使操动系统的性能与灭弧装置更加匹配，而且省掉了过渡机构，节能经济同时噪声减小，使其性能越发稳定。主导电环节运用三相落地式结构。操动系统具有人工和自动两种储能方式。具有寿命长、维修保养省时省力、无污染（包括噪音污染）、无易燃易爆品使用更加安全等优点，适应于操作频繁、工作环境恶劣的场合。

32、图4-2 ZN63A-12型真空断路器结构图ZN63A-12型真空高压断路器主要有以下两个功能：控制功能：按照电力系统工作时负载情况的不同，可以通过断路器控制线路的接通和关断，实现将某一部分或所有的电气设备加入系统，或从系统中去除。保护功能：当电力系统运行中出现问题时，真空断路器、继电保护装置、ARD、综合保装置协同工作，可实现将问题部分快速从系统中切除，防止事故扩大，缩小停电范围，这样就可以保护系统中各类电气设备不受损坏，保证系统正常部分稳定运行。ZN63A系列真空断路器参数如表4-1所示12。表4-1ZN63A型系列真空断路器主要技术参数序号参数名称单位数据1额定电压kV122额定绝缘水平

33、1min工频耐压kV42（极间、对地）；48（断口）额定雷电冲击耐压kV75（极间、对地）；85（断口）ZN63A型系列真空断路器主要技术参数 表4-1（续表）3额定电流A6301000125016002000250031504额定短路开断电流额定热稳定电流（有效值）kA2020202525252531.531.531.531.531.54040404040505额定短路关合断电流额定动稳定电流（峰值）KA5050506363636380808080801001001001001001256额定短路开断电流开断次数次30（31.5KA）/20（40KA）/12（50KA）7额定动稳定时间s48

34、额定操作顺序分-0.3s-合分-180s-合分 9机械寿命次2000010额定单个电容器组开断电流A63011额定背对背电容器组开断电流A400注：当额定短路开断电流为40kA时，额定操作顺序为：分-180s-合分-180s-合分第5章 基于PLC和MCGS的自动重合闸设计5.1 设计思想PLC控制器，性能可靠而且对工业现场条件的适应性强，平均无故障时间可以达到5 104h 以上。实现基于PLC的自动重合闸控制，不仅可以最大程度的克服传统继电器的种种弊端（因为减少了继电器的使用），还可以从根本上完成物理电路连接的简化。同时上位机采用MCGS进行组态，利用TPC1062KX型触摸屏作为显示可以实

35、现对现场的远程实时监控，动画显示，报警记录。由此，即实现了基于PLC和MCGS的自动重合闸控制，还顺应了自动控制技术的发展，实现了上位机和下位机的有机结合。其控制框图如图5-1所示。上位机监控界面上位机监控界面MCGS起动重合闸起动重合闸PLC程序发出重合闸信号PLC程序发出重合闸信号断路器跳闸图5-1基于PLC和MCGS的ARD框图5.2 硬件选择PLC的选择根据ARD控制需要，可以选用西门子S7-200系列PLC，SIMATIC S7-200系列PLC常见的有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226、CPU226XM，其特性差别如表5-1所示，本次选用指导教师提供的CPU22

36、61018。表5-1S7-200 CPU技术指标特性CPU221CPU222CPU224CPU226CPU226XM用户程序区4KB4KB8KB8KB16KB数据存储区2KB2KB5KB5KBl OKB主机数字量输入/输出点数6/48/614/1024/1624/16模拟量输入/输出点数无16/1632/3232/3232/32S7-200 CPU技术指标 表5-1（续表）最大输入/输出点数256256256256256位存储区256256256256256定时器256256256256256计数器256256256256256允许最大的扩展模块无2模块7模块7模块7模块数字量输入滤波标准标准

37、标准标准标准模拟量输入滤波无标准标准标准标准高速计数器4个30KHz4个30KHz6个30KHz6个30KHz6个30KHz脉冲输出2个20KHz2个20KHz2个20KHz2个20KHZ2个20KHz通信口1xRS4851xRS4851 xRS4852xRS4852xRS485昆仑通态TPC1062KX型触摸屏TPC1062KX昆仑通态触摸屏（如图5-2所示）是以绿色节能的嵌入式CPU为核心（ARM CPU，工作频率400MHz）的嵌入式触摸屏，采用一体化结构设计，使用方便，性能卓越。屏幕尺寸为10英寸，分辨率为800480，TFT液晶显示，为四线电阻式单点触控的触摸屏（分辨率1024102

38、4），使用24V直流电源供电。配合MCGS 7.7版本的嵌入式组态软件进行系统组态和下载，可以完成自动重合闸的状态在触摸屏上的显示和控制。图5-2TPC1062KX触摸屏5.3 功能实现5.3.1 PLC软件设计PLC的I/O端子分配及外部接线由ARD的功能及要求可以得到，系统输入信号有：继电保护信号（供电环节出现问题时，继电保护动作）、ARD投入选择信号、加速方式选择信号、重合闸闭锁复位信号、手动合闸信号、手动分闸信号。输出信号有：合闸信号、分闸信号、报警信号（自动重合闸失败时报警）、分闸状态信号、合闸状态信号。以上10个信号（6个输入信号，4个输出信号）均为开关量信号（1或0），所以得到P

39、LC的I/O接口端子分配表5-2及PLC的外部接线图5-3。表5-2PLC 226的I/O端子分配表输入输出元件端口地址解释元件端口地址解释ZCHI0.0继电保护信号（线路出现故障时接通）HZQQ0.0合闸线圈（接通时断路器合闸）ARDI0.1ARD投入退出选择（接通时ARD投入）FZQQ0.1分闸线圈（接通时断路器分闸）JSI0.2加速方式选择（接通时为前加速，否则为后加速）BJQ0.2报警指示（自动重合闸失败显示报警）FWI0.3重合闸闭锁复位（接通时复位）FZLQ0.3断路器分闸状态显示FZI0.4手动分闸（接通时分闸）HZLQ0.4断路器合闸状态显示HZI0.5手动合闸（接通时合闸）图

40、5-3PLC 226外部接线图控制流程图ARD控制流程图如图5-4所示。自动重合闸自动重合闸启动前加速吗？故障延时跳闸故障加速跳闸延时合闸延时合闸重合闸成功？重合闸成功？重合闸成功信号故障延时跳闸故障加速跳闸重合闸闭锁报警线路发生故障，继电保护动作YNYYNN图5-4ARD控制流程图PLC梯形图如图5-5所示。图5-5（1）梯形图图5-5（2）梯形图工作原理分析ARD投入状态，即ZCH（I0.1）接通，且ARD与继电保护装置配合方式为重合闸前加速保护时，即JS（I0.2）保持接通状态。当线路出现故障时，继电保护动作，JDB（I0.0）常开触点接通，T37定时器开始计时。同时电流经过I0.2常开

41、触点M0.2常闭触点I0.0常开触点Q0.3常闭触点Q0.1分闸线圈，分闸线圈得电，断路器跳闸。与此同时，电流经过Q0.1常开触点Q0.0常闭触点Q0.3线圈，使Q0.3经过Q0.1常闭触点自锁，电路分闸状态指示灯亮。通过I0.1常开触点Q0.3常开触点M0.1常闭触点M0.2常闭触点，T38开始计时，T38计时时间到，接通Q0.0线圈，断路器重合闸，在此期间线圈Q0.1早就因为Q0.3常闭触点而断电。Q0.0常开触点Q0.1常闭触点Q0.4线圈得电，并通过Q0.1常闭触点自锁，电路合闸状态指示灯亮。电流经过Q0.0常闭触点T39常闭触点M0.2线圈，M0.2通过T39常闭触点自锁，在下一个扫

42、描周期Q0.0常闭触点断开，Q0.3失电，分闸指示灯灭，同时M0.2常闭触点断开，T38能流断开，自动重合闸锁闭，Q0.0线圈失电，这时T39经过Q0.0常闭触点接通，开始计时，经一定延时T39常开触点闭合，M0.2失电，自动重合闸功能自动恢复。若线路为暂时性故障，I0.0常开触点接通后很快断开，Q0.1线圈不再得电，重合闸成功，并经过T39定时，自动为下一次动作准备好；若线路为永久性故障，I0.0常开触点保持接通，虽然M0.2常闭触点断开，但是T37已接通，电流经过T37常开触点I0.0常开触点Q0.3常闭触点使Q0.1得电，线路再次分闸，这是因为M0.2常闭触点断开，T38不能得电，不会再

43、次重合闸，同时经过M0.2常开触点Q0.0常开触点I0.3常闭触点M0.1线圈得电，并通过I0.3常闭触点自锁，再一次保证不会自动重合闸，同时使报警指示Q0.2得电，系统发出自动重合闸失败报警。ARD投入状态，即ZCH（I0.1）接通，且为重合闸后加速保护时，JS（I0.2）断开。当系统出现故障时，因为I0.2断开，只有当T37延时时间到时，才有电流经过T37常开触点I0.0常开触点Q0.3常闭触点使Q0.1线圈得电，接下来分析过程同上面前加速时相同，这里就不再赘述。当为后加速保护时，因为第一次断路器跳闸要等到T37延时时间到，实现了有选择性的动作。当电路为手动操作状态时，ARD退出，即ZCH

44、（I0.1）断开。此时电路出现问题，断路器在继电保护的作用下跳闸后不会进行自动重合闸操作。当为手动分闸时，电流经过I0.4常开触点I0.1常闭触点I0.5常闭触点Q0.1线圈，使分闸线圈得电，断路器跳闸。同时使Q0.3线圈得电自锁，线路分闸状态指示灯亮并且在程序下一次扫描时断开Q0.1线圈，防止再次动作；当进行手动合闸操作时，电流经过I0.5常开触点Q0.4常闭触点I0.1常闭触点I0.4常闭触点Q0.0线圈，使合闸线圈得电，断路器合闸，并使Q0.4得电合闸状态指示灯亮，并关断Q0.0通电电路，防止不可靠动作。当重合闸失败闭锁后，系统会锁闭ARD功能并报警，当消除线路故障后，要进行手动复位，当

45、接通FW（I0.3）后，其对应常闭触点断开，切断M0.1线圈的自锁回路，M0.1线圈失电，Q0.2线圈失电，报警指示解除，闭锁解除，ARD功能恢复。5.3.2 MCGS组态自动重合闸系统数据变量的定义打开组态软件，在菜单栏“文件”中新建工程，并命名为“自动重合闸系统”。在新建工程设置中选择TPC类型为1062KX，如图5-6。图5-6新建工程设置图在工程工作台实时数据库窗口中，通过新增对象定义数据变量，并设置参数属性（如图5-7），写好注释，方便通道连接。数据变量如图5-8所示。图5-7变量参数设置图5-8数据变量设置图通道连接在工作台设备窗口选项卡中，进行设备组态（只有在计算机连接有外部设备

46、时，才可以组态）。本次课题使用串口设备中的西门子S7-200PPI。如图5-9所示。图5-9设备选择在“通用串口父设备0”属性设置中，“串口端口号”选择“0-COM1”，因为PLC对应的就是COM1口，其他参数默认即可，如图5-10。图5-10串口属性设置在的属性设置中，可以通过增加或者删除通道来找到对应PLC端口所需要的通道。在增加通道的过程中发现，输入寄存器I寄存器默认只能选择为“只读”，所以，本系统主要作用是进行监控。设置好所有通道后如图5-11所示13,16。图5-11通道连接示意图人机界面的创建单击工程控制台的用户窗口，使用新建窗口来增加窗口，同时设置窗口属性，之后我们就可进行窗口组

47、态，在组态时要注意将所有组件布置在黑线框内，因为这部分才是在TPC1062KX触摸屏中可以显示的地方。组态时可以在对象元件库调用已有的对象，选出需要组件并合理安排位置后，需要对每一个组件进行动画属性设置，以其中“故障指示标签”为例，如图5-12，其他的均可参照这个设计。双击组件后，弹出属性设置窗口，在“属性设置”标签下，可以对其静态属性（如字体、颜色）设置，还可以根据需要选择所需的动画连接（如颜色变化，位置、大小改变）。选择动画连接后，会出现对应动画标签，需要在其中对动画进行详细设置（如表达式，动画效果）。图5-12组件属性设置根据需要，在用户窗口界面建立三个页面如图5-13所示，分别为“AR

48、D”如图5-14，“报警记录”如图5-15和“封面”如图5-16。其中“封面”是在主控窗口的系统属性中调用，如图5-17所示，封面显示时间为0，表示不自动进入系统，单击任意位置进入系统，“ARD”为自动运行窗口，和“报警记录”通过按钮相互调用。图5-13 用户窗口图5-14ARD窗口图5-15报警记录窗口图5-16封面图5-17主控窗口属性设置工程下载完成自动重合闸系统的组态后，要对其进行组态检查，当检查没有问题时，就可以进行组态下载，将系统下载到TPC触摸屏。使用USB连接触摸屏和PC，就可以通过USB通讯进行联机下载，如图5-18所示。当完成系统下载后，TPC触摸屏就可以断开和PC的USB

49、连接单独工作，不再需要组态环境。再次进行修改工程时要重新下载。图5-18工程下载设置5.3.3 联机运行首先，将PLC和TPC触摸屏的工作电源接好，均为24V直流电压源。然后将PC和PLC通过PC/PPI线连接，并调整波特率为9.6KHZ，之后通过STEP-7 Micro/WIN软件设置通信参数后将梯形图下载到PLC中，设置PLC为RUN模式。其次，将MCGS组态的自动重合系统通过USB通信下载到TPC 1062KX触摸屏。最后用TPC/PLC200通信线连接PLC和TPC触摸屏，这样就可以实现基于PLC和MCGS的自动重合闸系统。PC、PLC和TPC的连接如图5-19所示。经测试可以顺利完成

50、控制功能，也实现了实时显示、声光报警等功能。图5-19联机示意图结论本次毕业设计研究的是“电力系统自动重合闸环节的设计与实现”，通过对本课题的研究，我对自动重合闸有了更深一层的理解，并且实现了基于PLC和MCGS设计的自动重合闸系统。自动重合闸是电力系统必不可缺的一个环节，它十分有效的提高了供配电系统的可靠性和稳定性，无论在政治上还是经济上都具有非常显著的积极影响。自动重合的设计通常情况下有两种形式，一种是采用传统的继电器/接触器来实现其功能，但是传统的电磁式装置有很多缺陷，不符合当下对自动重合闸功能的要求，另一种方法就是基于PLC来实现功能，PLC性能卓越，是21世纪各国主要研究的工业自动化核心产品，所以本文就采用了这种方法。本文使用西门子S7-200系列的CPU226作为核心来实现自动重合闸功能，同时采