基于PLC的校园供电系统分时节能设计

精选优质文档-----倾情为你奉上精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业专心---专注---专业精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业基于PLC的校园供电系统节能控制摘要：对于学校而言，用电负荷的变化周期性强、波动大、为供电系统的分时段运行创造了有利条件。结合实际案例介绍了两台变压器分时段运行的控制思路和设计方法。给出了控制系统原理图和PLC控制的应用程序，并对节能效果作了详尽的计算。1、引言节能是一项国家长期的基本国策，学校更应该做节能的典范。除了加强学生的节能意识教育和加强用电管理之外，积极采用技术节能更是行之有效的途径，在某校供电系统的改造中，根据学校负荷昼夜落差大、呈周期性变化的特点，对两台变压器实行基于PLC控制的时段切换运行,达到了节能的目的。2、供电现状与负荷分析该学校占地面积约m2，有教学楼七栋，综合办公楼和行政办公楼两栋，学生公寓八栋，学生实习用车间四个，食堂、图书馆和多功能活动中心各一个。学校总的计算负荷为900KV·A由两台600KV·A的油浸式变压器供电，由于学校逐步扩建的原因，两台变压器相隔数年先后投运。投运后，线路没有很好地梳理，只是为了两台变压器的负荷平衡，对供电对象做了一些简单调整。两台变压器之间没有联络，检修和调度都不方便。为了寻找节电途径，对学校的负荷运行情况做了长期的跟踪监测，发现负荷的变化具有明显的周期性，且落差较大。负荷比较集中的时间是7：30～16：00负荷率大约在70﹪，16：00以后部分教师下班，学生下课，负荷率降至38﹪而21：00以后随着图书馆和教室的关闭，负荷降到最低点，变压器的负荷率只有18﹪左右。3、分时段运行的节能效果与计算3.1节能途径分析变压器的效率是与负荷率相关的。一般而言，负荷率在55﹪左右时其效率最高。其关系如图所示。由图可以看出21：00至次日7：30之间负荷最小，变压器的负荷率不足最高时的1/3，此时变压器是处于低效率运行状态，当然是不利的。变压器的损耗包括铁损和铜损两部分。其铁损只取决于变压器的材料和制作工艺，与负荷无关，即铁损为常量。而铜损却和负荷率的平方成正比。当负荷率降低时，其铁损并未减少，它有可能成为损耗的主体。因此，着眼点就是要尽量避免变压器的低负荷运行或空载运行。这也就是寻找的节能途径。该学校由两台变压器供电，如果能分时段运行，即在负荷高时，即21：00～7：30之间，照常由两台变压器供电，而在21：00以后或节假日，也就是负荷最低时，由一台变压器集中供电，这样既可以省掉一台变压器的空载损耗，又可使另一台变压器运行在较高效率区间，从而达到节能的目的。3.2节能计算通过上述分析提出了一种节能的途径，究竟能否节能可以通过以下的计算来判定。从设备手册中得知变压器的参数为：型号S9—630/10，电压10/0.4KV,铁损1.3KW，铜损6KW。为了计算方便，不妨设变压器的铁损为W1,铜损为Wc，效率为m，则变压器的损耗为：W1=Wi+Wcm2根据实际情况，仅就21：00至次日7：30这段时间进行计算。在这期间，两台变压器同时运行时的负荷率为18﹪，合并为一台变压器运行时负荷率为36﹪，于是可计算如下：一台变压器集中供电的损耗为：W1=Wi+Wcm2=1.3+6×0.362KW=2.07KW两台变压器同时供电时的损耗为：W2=（Wi+Wcm2）×2=（1.3+6×0.182）×2KW=2.99KW由此可以看出合并为一台变压器运行时的节省功率为（2.99－2.07）KW=0.92KW。学校每年正常工作日为40周，共计200天，其余为假期，共计165天，正常工作日单台变压器集中供电的时间为11h，假日单台变压器集中供电的时间为24h。于是，就可以计算出一年的节电量为W=(0.92×200×11+0.92×165×24)KW·h=5667KW·h，折算成资金为一万多元钱，用这笔钱可以创造出更多的经济和社会效益。值得提醒的是，本文的控制方法对于负荷变化周期性强且昼夜落差明显的用电单位才有节电空间，对于其他用户是否适用!需具体情况具体分析。4.供电系统的改进通过以上分析计算可知，如果对两台变压器按时段切换运行，就可以节电。为此，对供电系统的主回路和控制回路进行了重新设计，按照工程量最小、用料最省的原则，在最短的时间内完成了改造。4.1主回路设计原来线路的问题主要有两方面，一是两台变压器之间没有联络，不能起到互为备用作用，更满足不了时段切换运行的需求；二是变压器的负荷分配不合理，造成部分负荷线路超载，如食堂经常会由于线路压降过大而影响设备的使用，无故增加了供电的紧张气氛。针对上述问题，首先对线路的负荷重新计算，线路重新调整，对负荷大的线路进行分流，对重点负荷改用专线供电，基本上做到了合理配电和安全用电。为了满足按时段切换运行的要求，在两段低压母线之间增加了联络开关，考虑到频繁操作的要求和低负荷运行的实际情况，联络开关采用CKJ5—630/1.14型低压交流接触器，CKJ5系列交流真空接触器适用于额定电压至1140V，额定电流630A，的馈电线路中，适用于频繁操作的场合。为了使变压器能与电源隔离，在保留原有高压侧真空断路器的基础上，又在变压器低压侧增加了ZN7型低压真空断路器!该断路器容量大，可以较频繁地操作。真空断路器和接触器的操作电压都选择AC220V，使用方便。改造后的部分供电系统如图所示。4.2控制回路设计实现对两台变压器的切换运行，实际就是对 QF1、QF2、QF3、QF4以及KM进行协调控制。当需要两台变压器同时供电时，QF1、QF2、QF3、和QF4均闭合，KM断开；当需要一台变压器集中供电时，QF1、QF2和QF3、QF4中的一组和KM闭合而另一组断开。考虑到长假期和特殊情况的需要，控制系统还设计了手动/自动操作选择。当选择手动操作时，由操作人员确定是一台变压器集中供电还是两台变压器分别供电，当需要一台变压器供电时，还可以人为选择是哪一台变压器供电；当选择自动工作制时，变压器的切换由PLC来控制，系统会按PLC的程序自动运行，控制原理图如图所示。图中SS1为手动/自动选择，向左45°为自动，向右45°为手动；SS2为单台或两台运行选择，向右45°时，KA1得电，1﹟变压器（T1）单台集中供电，向左45°时，KA2得电，2﹟变压器（T2）单台集中供电，当打到中间“0”位时KA2得电，此时为两台变压器分别供电。KA3、KA4、KA5三个接点来自PLC的外接继电器。当选择自动工作制时，它们就会在PLC程序的控制下，自动完成单台供电或两台变压器供电的按时段切换控制。5.PLC的接线与编程5.1PLC接线根据该校的要求，选用了三菱公司的FX2N—16MR型PLC，该PLC总的I/O点数为16点，体积小，重量轻，经济耐用。按钮SB是自动工作制时的投入起动按钮，它和SS1串联后接入X0，SS2的4、5、6三个回路分别接X1、X2和X3的输入接口。断路器的辅助接点分别接到PLC的X4至X7。输出端口Y0、Y1、Y2和Y3分别接图4PLC接线示意图四个继电器，其接点分别与图3中的相关继电器连接，以实现对变压器的切换控制。PLC接线图如图4所示。另外，PLC的电源也受SS1的控制。当SS1选择自动工作制时，PLC电源接通并转入运行（RUN）状态。此时只要按下SB起动按钮，PLC程序就开始执行，以实现供电系统的自动运行。5.2PLC应用程序的编制5.2.1计时器的扩展编程在自动控制系统的设计中，计时器几乎是不可缺少的，自从有了PLC之后，时间控制变得更加简单和方便。PLC中的定时器种类多（有普通定时器和积算式定时器），数量大（总共有256个的定时器可供选用），精度高（定时精度可到ms）。即便如此，对于超长延时的需求而言，还显得有些不足。例如，在设计中，一台变压器集中供电和两台变压器分散供电的转换就是靠时间来控制的，从7：30～21：00这个时段，需要计时长达13.5h，而FX2N系列PLC的最大计时长度也仅有3276.7s，不到1h。为了解决这个问题，在编程时利用计数器和定时器的配合，实现了定时器的时间扩展，达到了长延时的目的把定时器设定为1800s（30min），定时器每到达设定值时#就重新开始计时，这样，当定时器完成一个计时过程时，计数器的计数值就加1，当计数器累计到27时，定时器就延时了13.5h。即30×27min=810min=13.5h。PLC中计数器有100多个，每个计数器的计数值可高达32767，由此可见，只要用该方法编程，就不存在超长计时问题了。定时器扩展的程序如图5所示。5.2.2应用程序编制因为变压器的切换具有明确的周期性，且遵循严格的时间关系，比较适合采用步进顺控指令（SFC）编程。步进指令简单明了，运行可靠。变压器时段运行的步进指令状态转移图如图6所示。从转移图中可知，当PLC接通电源时，初始脉冲M8002激活状态S0，使S20、S21、C0和C1复位；一旦SS1选择自动并且SB按钮闭合，PLC的X0使能，激活状态S20，使Y1输出，KA4得电，QF1—QF4闭合，1#、2#两台变压器同时运行；由T0和C0组成的计时环节也开始计时；当时间到达设定值时，C0输出，激活状态S21，PLC的输出Y3使能，使联络接触器KM吸合。同时，根据SS2的选择位置不同，Y0和Y2必有且只有一个得电，以完成由两台变压器分散供电到由一台变压器集中供电的转换。单台变压器集中供电的时间，由T1和C1组成的计时环节控制，到达时间设定值且C2的计数值不到5，状态就会转到S20，开始下一个循环，这样周而复始，每天就会按照设计，保证变压器的分时段可靠运行。程序中还考虑了双休日的特殊情况，因为学校双休日都是放假的，且一年中也天数不少，应该给以重视。状态转移图中的S22就是双休日的控制部分，计数器C2反映了KM1（Y3）的得电次数，当C2计数值累计到5时，说明已到周末，程序自动转入状态S22，于是原来工作的单台变压器继续工作48h，直到周一7：30转入正常时段运行。5.2.3程序的不足整个系统的控制思想以时段为基础，也就是只考虑了一个区间的长短，如果投入运行的起始点不同，所谓的“时段”就失去意义了。而程序中没有自动校正起始点的功能，只能靠人工控制投入运行的时间点/r/