陳韶光，陳炳森，唐正權(quán)，胡華麗

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧530023）

0 引言

在我國電力系統(tǒng)中，220 kV變電站屬于地區(qū)樞紐變電站，主要接受500 kV電網(wǎng)及本地區(qū)中型發(fā)電廠的電力并向地級市、縣級市及大用戶供電。近年來，南方電網(wǎng)廣西分公司考慮到各市縣地區(qū)負(fù)荷容量及地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，新建或改擴(kuò)建的220 kV戶外變電站常選用配置采用ONAF冷卻方式（油浸風(fēng)冷），電壓等級為220/110/35 kV或220/110/10 kV，容量為120/150/180MVA的油浸式三繞組電力變壓器（簡稱主變）。

使用ONAF方式的大中型主變，多采用配備DBF系列低噪聲變壓器專用風(fēng)扇的散熱冷卻吹風(fēng)系統(tǒng)（簡稱風(fēng)冷系統(tǒng)），并根據(jù)主變所帶負(fù)荷大小、主變油溫的高低自動(dòng)啟停[1]相應(yīng)的風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)（簡稱風(fēng)機(jī)），以實(shí)現(xiàn)主變正常工作時(shí)的散熱冷卻。

由于主變對電力系統(tǒng)供電可靠性影響甚大，一旦出現(xiàn)故障，停電范圍大，時(shí)間長，會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，主變對其風(fēng)冷系統(tǒng)工作可靠性要求極高，一方面要選用優(yōu)質(zhì)的控制電器，另一方面要采用雙電源供電，確保主變風(fēng)冷控制系統(tǒng)有較高的可靠性。

1 傳統(tǒng)主變風(fēng)冷控制系統(tǒng)的存在問題

傳統(tǒng)的主變風(fēng)冷控制系統(tǒng)采用繼電器—接觸器的硬接線邏輯控制，能滿足主變風(fēng)冷控制的基本要求，但也存在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)順序固定，主變投運(yùn)前期所帶負(fù)荷不大時(shí)部分風(fēng)機(jī)長期停轉(zhuǎn)，各風(fēng)機(jī)工作時(shí)間難以平衡的問題；邏輯控制硬接線相對較為復(fù)雜，為簡化風(fēng)機(jī)控制邏輯，風(fēng)機(jī)普遍采用分組控制，一組對應(yīng)2臺(tái)以上風(fēng)機(jī)并使用時(shí)間繼電器延時(shí)分組啟動(dòng)，難以實(shí)現(xiàn)對每臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的精確監(jiān)控；雖然采用雙電源設(shè)計(jì)來保證供電可靠性，但雙電源不具備自動(dòng)切換功能，需要現(xiàn)場人工切換，難以滿足220 kV變電站無人值守的要求。

PLC是近年來在自動(dòng)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的小型工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)裝置，可靠性高，安裝及編程調(diào)試方便，如將其應(yīng)用于主變風(fēng)冷控制，可有效解決上述傳統(tǒng)控制的不足，還可以優(yōu)化控制邏輯，提升自動(dòng)控制功能，簡化接線，借助其網(wǎng)絡(luò)通信功能可實(shí)現(xiàn)主變風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，更好地實(shí)現(xiàn)220 kV變電站無人值守對主變風(fēng)冷控制系統(tǒng)監(jiān)控的要求。

但是，PLC作為一種計(jì)算機(jī)裝置，避免不了死機(jī)或故障狀態(tài)出現(xiàn)，如何解決PLC死機(jī)或故障時(shí)對主變風(fēng)冷系統(tǒng)控制的影響是必須要解決的問題。

2 主變風(fēng)冷控制系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)要點(diǎn)

根據(jù)傳統(tǒng)主變風(fēng)冷電氣控制的基本要求，綜合考慮變電站無人值守對主變風(fēng)冷控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，利用PLC改進(jìn)主變風(fēng)冷系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下技術(shù)要點(diǎn)：

（1）雙電源設(shè)計(jì)。風(fēng)機(jī)控制采用雙電源，正常情況下，一個(gè)電源工作，另一個(gè)電源在工作電源故障時(shí)自動(dòng)投入。兩個(gè)電源可以自動(dòng)切換[2]，任一個(gè)電源故障或消失時(shí)，應(yīng)發(fā)出相應(yīng)的故障報(bào)警信號(hào)。

（2）自動(dòng)控制功能。當(dāng)風(fēng)冷控制系統(tǒng)置于“就地”位且各風(fēng)機(jī)均置于“自動(dòng)”位時(shí)，風(fēng)機(jī)應(yīng)根據(jù)變壓器油溫高低和負(fù)荷電流大小自動(dòng)實(shí)現(xiàn)啟?？刂疲覟榉乐瓜到y(tǒng)過于頻繁啟停風(fēng)機(jī)，當(dāng)啟動(dòng)條件低于預(yù)設(shè)條件10 min就消失時(shí)，PLC將保持系統(tǒng)運(yùn)行10 min后停止風(fēng)扇工作。

（3）手動(dòng)控制功能。當(dāng)某臺(tái)風(fēng)機(jī)置于“手動(dòng)”位時(shí)，可不經(jīng)過油溫、負(fù)荷電流以及PLC控制而直接啟動(dòng)相應(yīng)的風(fēng)機(jī)，當(dāng)切至“停止”位時(shí)，則停止相應(yīng)的風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主變各臺(tái)風(fēng)機(jī)的手動(dòng)控制。

（4）根據(jù)主變工作狀況投退風(fēng)冷系統(tǒng)。當(dāng)主變風(fēng)冷置于自投控制“工作”位時(shí)，只有主變高壓側(cè)斷路器處于合閘位風(fēng)機(jī)才能運(yùn)行，否則風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行；當(dāng)退出“工作”位時(shí)，主變風(fēng)冷系統(tǒng)不受高壓側(cè)斷路器投退的控制。

（5）備用模式。對于主變風(fēng)機(jī)應(yīng)采用分組控制，一般分成兩組，相互間隔。設(shè)置“備用”模式控制開關(guān)，當(dāng)投入備用模式時(shí)，從每一組中任設(shè)一臺(tái)風(fēng)機(jī)作為備用風(fēng)機(jī)，在其它風(fēng)機(jī)出故障時(shí)投入運(yùn)行，此備用風(fēng)機(jī)每啟動(dòng)一次進(jìn)行輪換。當(dāng)退出備用模式時(shí)，不再留備用風(fēng)機(jī)待用。

（6）遠(yuǎn)控模式。當(dāng)主變風(fēng)冷系統(tǒng)置于“遠(yuǎn)控”模式時(shí)，風(fēng)機(jī)將不受控制柜內(nèi)部邏輯控制，而由遠(yuǎn)方的主變測控裝置輸出開關(guān)觸點(diǎn)對各臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，相當(dāng)于設(shè)置了一套備用風(fēng)機(jī)控制器，在PLC故障等情況下可由遠(yuǎn)方實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的控制。

3 基本PLC的主變風(fēng)冷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于以上的控制技術(shù)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套以西門子S7-200PLC為控制器的220 kV、150 MVA三圈變風(fēng)冷電氣控制系統(tǒng)，主電路如圖1所示。

圖1 主變風(fēng)冷電氣控制主回路

3.1 主變風(fēng)冷電氣控制主回路設(shè)計(jì)

變電站配有兩個(gè)站用380 V交流電源并分別接至Ⅰ段和Ⅱ段站用交流電源母線，正常運(yùn)行情況下，兩個(gè)電源各帶一段母線負(fù)荷并作為另一個(gè)電源的備用，當(dāng)各段母線工作電源故障時(shí)備用電源能自動(dòng)投入。風(fēng)機(jī)控制的雙電源分別取自站用交流電源母線的Ⅰ段和Ⅱ段，經(jīng)過電源空氣開關(guān)（簡稱空開）QF1、QF2和電源接觸器KM1、KM2后作為風(fēng)機(jī)的電源；電源監(jiān)視及雙電源自動(dòng)切換由右側(cè)控制回路實(shí)現(xiàn)。1QF、2QF為引自兩個(gè)電源的電源監(jiān)視及自動(dòng)切換控制空開，KM1、KM2 為電源接觸器，KA1、KA2 為電源監(jiān)視用中間繼電器，KV1、KV2為具有相序和缺相檢測功能的三相電源控制繼電器，當(dāng)三相電源相序正確且三相帶電時(shí)，其常開觸點(diǎn)接通，否則其常開觸點(diǎn)斷開，切斷相應(yīng)電源接觸器控制回路，退出該電源。

SA1為兩路電源轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)切至“Ⅰ工作”時(shí)，其觸點(diǎn)1-2、5-6接通，Ⅰ段電源為工作電源，Ⅱ段電源為備用電源。當(dāng)Ⅰ段電源因故消失，KV1復(fù)歸，KV1的16-18觸點(diǎn)斷開，電源監(jiān)視繼電器KA1線圈失電，KA1的13-14觸點(diǎn)斷開，KM1線圈失電主觸頭斷開，切斷Ⅰ段電源至風(fēng)機(jī)的供電回路；KA1的51-52觸點(diǎn)接通，如果Ⅱ段電源正常，則KV2、KA2動(dòng)作，KM2線圈得電，KM2主觸頭將Ⅱ段電源接至風(fēng)機(jī)供電回路，實(shí)現(xiàn)了工作電源失電自動(dòng)切至備用電源的轉(zhuǎn)換。當(dāng)Ⅰ段作為工作電源恢復(fù)時(shí)，則會(huì)自動(dòng)又切回至工作電源供電狀態(tài)。

當(dāng)SA1切至“Ⅱ工作”時(shí)，Ⅱ段電源為工作電源，Ⅰ段電源為備用電源，電源的自動(dòng)切換原理同上；當(dāng)切至“0停止”時(shí)，兩段電源均退出。當(dāng)任一電源故障（包括相序異常、缺相、失壓）時(shí)，KA1、KA2動(dòng)作，其常閉觸點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)的電源故障信號(hào)給PLC。

每臺(tái)風(fēng)機(jī)設(shè)一個(gè)電源空開QF、一個(gè)接觸器KM和一個(gè)熱繼電器FR實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的啟?？刂坪捅Ｗo(hù)，電氣控制回路中各轉(zhuǎn)換開關(guān)觸點(diǎn)分合情況見圖2.

圖2 各轉(zhuǎn)換開關(guān)觸點(diǎn)分合表

3.2 主變風(fēng)冷控制PLC輸入輸出回路設(shè)計(jì)

主變風(fēng)冷電氣控制用PLC選用S7-200系列CPU226（DI24/DO16）并擴(kuò)展 EM223（DI16/DO16）模塊，共有40點(diǎn)輸入，32點(diǎn)輸出，具體輸入輸出回路接線見圖3～圖6.

“遠(yuǎn)方/就地”控制風(fēng)機(jī)啟停接線如圖3所示。3QF為PLC工作電源及風(fēng)機(jī)控制回路電源空開，當(dāng)3QF合上，PLC和遠(yuǎn)控裝置即可控制各臺(tái)風(fēng)機(jī)的啟停。SA5為“遠(yuǎn)方/就地”轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)SA5置于“遠(yuǎn)控”位時(shí)，其5-6觸點(diǎn)接通，此時(shí)遠(yuǎn)控裝置（變電站主控室主變測控裝置）輸出開關(guān)觸點(diǎn)S1～S10接通，控制KM3～KM12動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制M1～M10風(fēng)機(jī)（見圖1）啟停。SA6～SA15為風(fēng)機(jī)控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)開關(guān)置于“手動(dòng)”位時(shí)其1-2觸點(diǎn)接通，此時(shí)可直接啟動(dòng)相應(yīng)風(fēng)機(jī)；當(dāng)開關(guān)置于“停止”位時(shí)風(fēng)機(jī)則僅由PLC或遠(yuǎn)程裝置控制啟停。

圖3 “遠(yuǎn)方/就地”控制風(fēng)機(jī)啟停

自投控制風(fēng)機(jī)啟停接線如圖4所示，當(dāng)主變高壓側(cè)斷路器在分位（K6常開觸點(diǎn)接通，見圖5）或在合位但主變風(fēng)冷自投控制開關(guān)SA3在“工作”位（SA3的1-2觸點(diǎn)接通）時(shí)，給PLC一個(gè)主變退出的信號(hào)，停止所有風(fēng)機(jī)的自投控制。當(dāng)任一路電源處于工作狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的KM1或KM2動(dòng)作，給PLC相應(yīng)的電源運(yùn)行信號(hào)。當(dāng)任一路電源處于故障狀態(tài)（相序異常、缺相、失壓）時(shí)，其相應(yīng)的KA動(dòng)作，給PLC相應(yīng)的電源故障信號(hào)。

圖4 自投控制風(fēng)機(jī)啟停

當(dāng)SA5置于“就地”位且各臺(tái)風(fēng)機(jī)對應(yīng)的風(fēng)機(jī)控制開關(guān)SA6～SA15在“I自動(dòng)”位時(shí)，由PLC根據(jù)主變負(fù)荷、油溫高低按程序啟停相應(yīng)的風(fēng)機(jī)。

當(dāng)KM3～KM12全部常閉輔助觸點(diǎn)接通時(shí)，說明全部風(fēng)機(jī)均停止，給PLC一個(gè)風(fēng)機(jī)全停輸入信號(hào)（見圖 5）。

圖5 向PLC輸入風(fēng)機(jī)故障信號(hào)的拓展模塊

圖5 中，從主變保護(hù)柜送來的反映主變負(fù)荷值（由主變運(yùn)行規(guī)程值整定）的電流信號(hào)觸點(diǎn)LJ以及高壓側(cè)斷路器輔助觸點(diǎn)TW，從主變油面信號(hào)器發(fā)來的油面低溫觸點(diǎn)和高溫觸點(diǎn)信號(hào)OT分接控制K1～K6繼電器，再將其觸點(diǎn)信號(hào)輸入至PLC，作為風(fēng)機(jī)啟停的控制依據(jù)（見圖4）。每臺(tái)風(fēng)機(jī)的熱繼電器動(dòng)作，其常開觸點(diǎn)控制KD20、KD21（見圖4）和KD22～KD29（見圖5）繼電器動(dòng)作，向PLC輸入相應(yīng)風(fēng)機(jī)故障信號(hào)，由PLC停止該風(fēng)機(jī)。

3.3 主變風(fēng)冷電氣控制遠(yuǎn)程信號(hào)設(shè)計(jì)

考慮到PLC故障或通信網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，無法通過通信方式上傳主變風(fēng)冷控制系統(tǒng)的故障及運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，為此，設(shè)計(jì)了一系列的遠(yuǎn)程開關(guān)信號(hào)通過硬接線方式接至主控室的主變測控裝置，以實(shí)現(xiàn)主變風(fēng)冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)視，如圖6所示。具體信號(hào)如下：

（1）電源短路故障信號(hào)。正常情況下，兩路電源空開QF均應(yīng)在合位，當(dāng)運(yùn)行過程中空開跳開，其常閉輔助觸點(diǎn)接通，發(fā)出電源短路故障信號(hào)。

（2）電源斷相信號(hào)。當(dāng)電源空開QF在合位，但電源監(jiān)視繼電器KA的21-22觸點(diǎn)在分位時(shí)，說明該電源失電、缺相或者電源相序異常，發(fā)出電源故障信號(hào)。

（3）電源投入運(yùn)行信號(hào)。當(dāng)兩路電源的KM動(dòng)作即發(fā)出電源投入運(yùn)行信號(hào)，由于有KM1、KM2互鎖功能設(shè)計(jì)，正常情況下最能只能有一路電源投入運(yùn)行。

（4）備用風(fēng)機(jī)故障信號(hào)。當(dāng)PLC根據(jù)需要啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)，卻收到備用風(fēng)機(jī)故障信號(hào)時(shí)，發(fā)出該信號(hào)。

（5）風(fēng)機(jī)全停信號(hào)。當(dāng)PLC收到全部風(fēng)機(jī)停止（KM3～KM12均未動(dòng)作）的輸入信號(hào)時(shí)控制KA16動(dòng)作或兩路電源KM均未動(dòng)作（如電源消失）時(shí)，判斷并發(fā)出風(fēng)機(jī)全停信號(hào)。

（6）風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)。當(dāng)風(fēng)機(jī)的電源空開QF合位且KM動(dòng)作時(shí)，發(fā)出相應(yīng)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)。

（7）風(fēng)機(jī)故障信號(hào)。當(dāng)風(fēng)機(jī)的熱繼電器FR動(dòng)作引起相應(yīng)繼電器KD動(dòng)作后，利用KD觸點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)風(fēng)機(jī)故障信號(hào)。

圖6 主變風(fēng)冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)視

3.4 PLC故障導(dǎo)致風(fēng)機(jī)全停的技術(shù)處理技巧

PLC可靠性高，平均無故障運(yùn)行時(shí)間可長達(dá)10年，利用其控制主變風(fēng)冷系統(tǒng)，具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是，一旦PLC因受干擾或別的原因出現(xiàn)死機(jī)等故障，主變風(fēng)冷系統(tǒng)突然失控，在無人值守變電站，雖遠(yuǎn)程調(diào)度中心可通過主變測控裝置采集到圖6的信號(hào)分析到故障原因，但無法迅速趕到現(xiàn)場處理，可能會(huì)造成主變停電的嚴(yán)重事故，這也是技術(shù)人員最為擔(dān)心的問題。為此，在PLC內(nèi)部設(shè)計(jì)有一個(gè)看門狗（監(jiān)視定時(shí)器WDT），S7-200 PLC看門狗定時(shí)時(shí)間默認(rèn)為500 ms[3]，其它類型PLC可根據(jù)需要設(shè)定。PLC是按程序循環(huán)掃描的工作方式運(yùn)行的，在系統(tǒng)程序的控制下順序掃描各輸入點(diǎn)狀態(tài)、按用戶程序進(jìn)行運(yùn)算處理，然后順序向各輸出點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)[4]，從而完成一個(gè)工作循環(huán)，再周而復(fù)始工作，在每一次循環(huán)開始時(shí)復(fù)位看門狗。每一個(gè)循環(huán)的工作時(shí)間因輸入輸出點(diǎn)數(shù)多少、控制程序長短、運(yùn)算復(fù)雜程序不同而有所差別，但一般不會(huì)超過500 ms，小于看門狗的設(shè)定時(shí)間，因此，正常運(yùn)行情況下看門狗不會(huì)動(dòng)作。

當(dāng)運(yùn)行過程中的PLC受到強(qiáng)烈外部干擾，出現(xiàn)程序“跑飛”現(xiàn)象或PLC控制程序存在缺陷，運(yùn)行過程中進(jìn)入了死循環(huán)狀態(tài)，此時(shí)均無法在看門狗設(shè)定時(shí)間內(nèi)掃描回到程序的開頭，看門狗動(dòng)作將PLC由RUN（運(yùn)行）模式切至STOP（停止）模式。

對于S7-200 PLC，輸出繼電器在STOP模式下的默認(rèn)值為線圈失電狀態(tài)，即輸出為“0”狀態(tài)，但也可根據(jù)需要設(shè)定為“1”狀態(tài)。圖7是進(jìn)入S7-200 PLC編程軟件，選中“項(xiàng)目→系統(tǒng)塊→輸出表”進(jìn)入數(shù)字量輸出表，將各臺(tái)風(fēng)機(jī)的PLC輸出繼電器Q0.2～Q1.3選上，當(dāng)PLC從RUN模式切換至STOP模式時(shí)，Q0.2～Q1.3將全部動(dòng)作，啟動(dòng)全部風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，解決了前述PLC故障時(shí)風(fēng)機(jī)全停的問題，給運(yùn)行維護(hù)人員爭取了故障處理時(shí)間。

圖7 PLC停止?fàn)顟B(tài)開關(guān)量輸出狀態(tài)設(shè)置

4 設(shè)計(jì)應(yīng)用效果

基于S7-200 PLC實(shí)現(xiàn)的220kV主變風(fēng)冷電氣控制設(shè)計(jì)方案已在南方電網(wǎng)廣西分公司的無人值守變電站使用，在調(diào)試過程中，對前述的技術(shù)和功能要求進(jìn)行了詳細(xì)的動(dòng)作試驗(yàn)，各控制邏輯動(dòng)作正確，整定值動(dòng)作準(zhǔn)確，模擬PLC故障時(shí)能進(jìn)入STOP模式并啟動(dòng)全部風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。投運(yùn)多年后，系統(tǒng)使用效果良好，未發(fā)生異常狀態(tài)，可推廣應(yīng)用到主變風(fēng)冷系統(tǒng)中。