饋線測控裝置的組態設計及應用

陳海軍

(廣州鐵路職業技術學院, 廣東 廣州 510430)

高壓開關柜是變電所監控系統中的重要設備,其控制和保護功能廣泛采用一體化的測控裝置[1-3]。由于生產現場運行的限制,很難滿足學生學習和培訓的需要。為此,設計了一種饋線測控裝置,利用PLC、觸摸屏和組態軟件技術[4-6],實現饋線的控制和保護功能[7],既可用于變電所實際饋線的監控,也可用于繼電保護的專業培訓[8]。本文重點討論PC機監控界面組態的設計思路。

1 確定監控需求及硬件電路結構

饋線測控裝置主要實現控制、保護、信號及自動重合閘等基本功能,主要控制對象是高壓斷路器。

(1) 控制。應該有本地控制(控制開關)和遙控(監控界面控制)的功能,可以完成斷路器分閘、合閘功能,完成動作后需有相應的指示信號。

(2) 保護。各類保護應有投入、退出和切換功能,進行保護動作值的整定與修改,保護動作后執行跳閘并發出事故信號,在異常情況下發出預告信號的功能。

(3) 信號。包括斷路器正常指示信號、事故信號和預告信號,以及正常時可以檢查事故音響或預告音響這些信號。

(4) 自動重合閘。根據需要設置自動重合閘功能及后加速功能。

為實現上述功能,首先要完成斷路器控制部分的接線,然后才能確定監控界面的組態設計。高壓斷路器的二次回路采用PLC控制,PLC的輸入/輸出口直接接入斷路器的分、合閘線圈和輔助接點。為降低開發成本,高壓斷路器可使用模擬斷路器[9-10],且無需互感器。電流/電壓輸入可以采用4～20 mA/0～10 V信號源模擬,也可采用普通5 V或10 V直流電源模擬電流變送器或電壓變送器的輸出。

饋線測控裝置的組態設計流程如圖1所示。

圖1 組態設計流程圖

在進行下一步之前,首先要對PLC編程,確保斷路器正常的分、合閘控制以及信號顯示正確,確保保護動作、重合閘、后加速、事故信號及預告信號的正確性。離線調試(脫離PC機的獨立控制)控制成功后開始進行組態。

根據控制需求,在完成PLC硬件電路連接及軟件編程后,電腦屏幕需要組態監控的對象包括:

(1) PLC的輸出對象:分閘指示燈、合閘指示燈、事故音響、事故信號燈、預告音響、預告信號燈及異常運行啟動接點等；

(2) PLC輸入控制對象:分、合閘控制(按鈕或控制開關)、各類實驗按鈕、解除按鈕、各類壓板等。

在饋線測控實踐中,組態需要監視更多的對象,需要包括各種保護動作的信號,如傳統保護動作的光字牌。這里沒有在外電路中設置此類信號,全部采用監控界面彈出提示窗口的形式實現傳統光字牌的功能。除此以外,要在界面上實現各類動作及信號,需要符合各種邏輯關系,所以組態時需要用到更多的PLC內部繼電器,這恰恰是可編程控制器的優勢。所以,電路不會因為用到更多的變量而復雜,監控電路比傳統電磁型繼電器要簡化很多,硬件電路結構如圖2所示。

圖2 硬件電路結構圖

2 監控機主界面組態設計

監控主界面分左右兩部分(見圖3)。

(1) 界面左側部分是高鐵變電所的測控盤[11]屏面控制區域,在組態開發界面中建立監控畫面,繪制母線、饋線、控制開關、紅綠信號燈、事故燈這些基本單元,組態的界面和武廣高鐵變電所運行的屏面外觀一致。斷路器的控制操作及信號顯示通過組態,線路有電時顯示為紅色,無電時顯示綠色；分合閘時控制開關上的紅綠燈相應顯示,自動跳閘時事故白燈顯示。信號顯示與實際運行情況一致,可以直觀地了解斷路器的實際運行情境。

(2) 界面右側部分為保護投退、定值修改、線路電流電壓的顯示、實驗、解除按鈕。右側滾動條為模擬故障電流電壓區域(模擬輸入信號,用于實際線路時則需屏蔽此區域)。除了主界面繪制上述元件外,還需設計其他彈出窗口界面,如遙控操作成功與否確認窗口、自動裝置動作成功與否確認窗口、實時報警窗口等。

圖3 組態監控主界面

3 組態變量連接及事件編程

3.1 建立變量

要實現PC機與實際控制設備的監控及保護功能,先建立設備連接,即進入KingView開發系統,設置與PLC控制器的連接。設備連接主要包括現場設備名稱、型號、通信方式、通信地址等相關信息。然后建立變量及對事件進行組態(變量在KingView中的數據詞典中建立)。變量主要包括外部(I/O)變量的組態和內部(內存)變量的組態,這里的外部、內部是對于PC機組態軟件系統而言的。

外部變量包括PLC輸入開關量、輸出開關量、PLC內部元件、PLC模擬輸入量。

輸入開關量主要包括控制斷路器分合閘的控制開關、事故音響實驗按鈕、預告音響實驗按鈕、重合閘投退壓板、保護出口壓板、事故音響及預告音響解除按鈕、事故燈信號復歸按鈕、SF6斷路器壓力過低模擬接點等。

輸出開關量包括分合閘指示燈、事故燈、事故音響、預告音響、預告信號燈等。

開關量的組態主要包括變量名、變量類型、連接設備、對應的寄存器、數據類型和讀寫屬性等,如PLC重合閘執行元件為M1.6,則組態變量名為M16,變量類型為I/O離散,連接設備為PLC,寄存器為M1.6,數據類型為bit,屬性為讀寫,初始值為關。

PLC內部元件主要是PLC的M寄存器和VW寄存器,需要在組態軟件王中建立與之對應的I/O離散變量和I/O實型變量。不但在PLC控制斷路器動作的程序中使用M寄存器,而且組態軟件控制界面對斷路器控制、保護等操作及結果反饋都需要通過M寄存器來完成。因為PLC的I/O口對組態軟件來說屬于只讀性質,不能直接操作,即使對輸出口直接操作,其結果最終還是由PLC程序決定的。

PLC模擬輸入量包括輸入電流(饋線電流)和輸入電壓(母線電壓)。本設計采用1路輸入母線電壓AIW0,另1路輸入線路電流AIW2,即可實現電流、電壓相關保護的輸入。模擬量存儲在PLC內部元件的VW寄存器中,在組態王中對應為I/O實型變量。

各類保護整定值,如過流保護整定值、速斷保護整定值、失壓保護整定值及各種保護動作時間等,在組態王中建立I/O實型變量,與PLC內部元件的VW寄存器對應。

KingView內部變量主要是指組態軟件內部控制需要用到的變量,包括內存離散、內存整型和內存實型變量,主要是遙控操作時圖形界面顯示需要用到的輔助變量,以及在界面模擬故障電流電壓時用到的變量。

3.2 事件編程

在建立各種變量后,還需要對一系列事件進行組態。主要是遙控執行動作、各類保護壓板的投退(包括軟投退與外部壓板)、保護動作結果及直接在監控界面上模擬故障的事件組態。其中保護動作結果可以通過2種方式來實現:一種是直接組態實時報警窗口；另一種是直接建立彈出提示界面,符合條件時彈出窗口提示。也可是兩種方式的結合。

以進行斷路器的遙控合閘操作為例。首先要對遙控操作建立變量,所用到的變量如表1所示；然后將變量與監控界面的控制開關單擊事件關聯,以便根據斷路器的實際狀態,對需要執行的操作彈出操作提示窗口,并根據執行的結果反饋在監控界面上,彈出操作結果提示窗口。

表1 顯示遙控操作執行結果所需變量

因此,需要建立“遙控執行確認按鈕”內部變量,建立“遙控合閘確認框”“遙控合閘成功確認框”“遙控合閘失敗確認框”界面,并就“遙控執行確認按鈕”置位事件編寫命令語言,實現遙控操作監控。按下監控界面的控制開關,則執行斷路器遙控操作,斷路器執行合閘或分閘操作。此時“遙控執行確認按鈕==1”操作事件存在,每100 ms執行如下命令語言,對操作結果進行判斷,執行合閘操作后0.5 s則反饋結果,以彈出窗口的形式提示操作是否成功。

對遙控執行操作事件編程如下:

if(遙控執行確認按鈕==1)

if(a<5)

{a=a+1;

if(a>=5)

{

if(M10==1&&Q01==1)showpicture(″合閘成功確認框″);

if(M10==1&&Q01==0)showpicture(″合閘失敗確認框″);

if(M11==1&&Q00==1)

{showpicture(″分閘成功確認框″);

M13=0;

M14=0;

M40=0;}

if(M11==1&&Q00==0)showpicture(″分閘失敗確認框″);

a=0;

}

}

程序中,M10、M11分別為合閘命令和分閘命令對應變量,M13、M14、M40分別為過流、失壓、速斷保護動作出口對應變量。

對于自動重合閘事件,如PLC重合閘執行元件變量名為M16,則組態M16報警定義,顯示重合閘動作信息,同時編制M16置位事件,彈出重合閘動作成功與否的提示窗口。

3.3 連接調試

在組態的過程中,需要將PC機用通信電纜與PLC連接,也可通過通信接口與交換機連接[12-13],實現有線或無線通信。控制界面與實際設備連接進行調試,相當于在線調試。雖然前面已強調組態前先進行獨立控制調試,當地控制已經成功,但在組態過程中又加入新的控制(PC機監控界面控制),而且在控制過程中可能是本地控制操作與監控界面控制操作交叉進行,則可能出現沖突或意想不到的情況。即使是相同的操作,如果操作順序、時序不同,也可能出現不同的結果,即存在本地控制與監控界面操作配合的問題。所以需要在PLC編程、PC機控制組態、當地控制和遙控試驗聯合調試、驗證,進行各種可能的操作、檢驗,這過程中需要多次反復,直至調試成功。為實現變電所測控屏上測控裝置的監控功能,加入了觸摸屏組態控制。

組態調試成功后,選中控制開關可以實現遙控操作，控制開關紅綠燈顯示斷路器實際狀態信號。可以在界面實現保護投退、整定值修改,試驗和復歸信號,實現重合閘和后加速保護跳閘等功能,發出事故信號并彈出相應報警窗口,可以在裝置上通過按鈕復歸信號或在監控界面復歸信號。

4 實際應用效果

4.1 測控裝置完成組態調試后可進行的實驗

(1) 斷路器屏控操作系列實驗。可以在控制板上通過控制開關執行分、合閘操作,或在觸摸屏上進行操作,熟悉斷路器基本控制電路、信號電路及控制要求；掌握各種連接片投退,如控制板上的跳閘壓板、重合閘出口壓板；掌握試驗按鈕及復歸按鈕的作用及操作等；掌握斷路器二次控制電路的原理及接線。

(2) 后臺監控機的操作實驗。通過后臺監控機的界面操作,掌握后臺監控機的作用,掌握遙控、遙信、遙調、遙測的基本原理,掌握后臺監控機界面與實際設備的對應關系,加深對遠動控制端的理解。

(3) 繼電保護系列實驗。可以進行電流和電壓保護系列實驗,如過流保護、速斷保護、失壓保護等；不正常狀態實驗,如控制回路斷線[14]、過負荷保護等實驗；各種保護的參數整定、投入及退出控制等。加深對繼電保護裝置的理解,掌握事故信號與預告信號的區別。

(4) 自動裝置實驗。進行自動重合閘實驗,模擬瞬時性故障及永久性故障,掌握重合閘動作及后加速跳閘的配合原理,掌握重合閘的作用及動作基本條件。

(5) 綜合自動化系統的通信連接實驗。通過通信電纜連接PLC、觸摸屏、PC機、路由器或光纖交換機,掌握變電所綜合自動化的通信連接設備及作用,加深對變電所綜合自動化系統連接的理解。

(6) 組態控制實驗。學習KingView組態過程,學習PLC、觸摸屏、PC機的通信設置,控制界面的組態過程,提高編程設計能力。

(7) 模擬信號發生器實驗。可以在沒有電流源或電壓源的情況下,按下鼠標、拖動監控界面右側滾動條,上下移動調整其數值,就可以模擬輸入電流/電壓,模擬瞬時性或永久性故障,超過保護整定值時則相關保護會動作,并發出相應的信號,重合閘也會執行相應的動作。通過實驗加深對繼電保護動作邏輯的理解。

4.2 機車過流保護實例

由于機車啟動電流很大,為此加入低壓閉鎖。假設線路最大負荷電流為2 000 A,接線系數為1,可靠系數取1.2,電流互感器變比為2 500,一次側對應動作電流為2 400 A。

假設測量滿量程為10 000 A,電流變送器對應輸出10 V。由于PLC模擬量對應數字量為-32 000～32 000,則在PLC的VW10寄存器中將過流保護整定為7680(2 400 A對應電流變送器2.4 V),動作延時0.5 s(5存入VW0寄存器中,采用100 ms定時器),保護動作值可以在PLC程序中輸入,作為初始值,也可以是其他數據。運行時,整定值可在觸摸屏或后臺監控界面直接修改。此例可在PC機監控界面輸入2 400 A和0.5 s,同樣在界面上將重合閘延時設為2 s,勾選低壓閉鎖、重合閘、過流保護投入選項。

當線路出現電流超過2 400 A時,在此用可用信號發生器模擬,調整輸出電壓以0.1 V的增量逐漸提高,電壓加到PLC的模擬量輸入端。當信號發生器輸出顯示為2.5 V時,則過流保護啟動,延時0.5 s后斷路器跳閘,綠燈熄滅,同時事故白燈亮,電笛發出事故音響,監控界面彈出報警提示,顯示過流保護動作。重合閘經設定的2 s后動作,可以聽到斷路器重合動作的聲音。動作成功與否取決于故障性質。瞬時性故障重合成功,紅燈亮；永久性故障則重合后加速跳閘,紅燈閃了一下又熄滅,綠燈亮。界面隨即彈出重合閘動作成功與否的提示窗口,手動或自動可以解除事故音響,事故白燈人工復位,同時復歸了保護。

5 結語

設計的測控裝置通過PLC實現對斷路器的控制及保護,利用觸摸屏及PC機實現監控界面的組態,實

現了斷路器的3處不同點控制,實現了斷路器當地控制、遙控、保護及自動裝置動作,實現了線路參數的監視過程,實現事故信號、預告信號功能。該測控裝置可以完成斷路器屏控操作系列實驗、后臺監控機的操作實驗、繼電保護系列實驗、自動裝置實驗、綜合自動化系統的通信連接實驗、組態控制實驗、模擬信號發生器實驗。利用低壓直流電源信號模擬線路的電壓和電流,即使在沒有信號源的情況下,也可以用監控界面的元件模擬線路的輸入,完成各種保護動作。裝置的控制及保護功能均經實驗驗證,觸摸屏及后臺監控機的控制及參數顯示均與設計思路一致,證明系統設計符合饋線監控要求。整個測控裝置融入了PLC編程控制、觸摸屏控制組態、PC機監控組態技術,裝置經濟、體積小、連接簡單,可方便組合、移動和攜帶,尤其適合培訓學習使用。如果對該測控裝置稍作改動,去除模擬部分,也可作為實際線路的監控使用。

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