基于PLC控制的变电站整流模块休眠系统分析与应用

张　震,辛永生,张　莹,张晓健,樊　荣

(国网淮南供电公司,安徽 淮南 232007)



基于PLC控制的变电站整流模块休眠系统分析与应用

张震,辛永生,张莹,张晓健,樊荣

(国网淮南供电公司,安徽 淮南 232007)

为解决变电站直流系统充电装置采用多台整流模块并联运行时存在充电装置效率低、单台整流模块故障无法自动切换、不能实时监测整流模块等问题,研究分析了智能型整流模块的原理结构,并针对基于PLC和触摸屏构成中央监控单元的直流系统,提出一种智能型整流模块的休眠系统。该休眠系统在保证直流供电可靠性的前提下,解决了充电装置传统运行方式存在的问题,实现了模块智能充电管理和休眠控制,提高了充电装置效率,节约了电能。通过现场实际应用,该休眠系统实现了预期目标。

直流系统;智能整流模块;PLC;休眠系统

变电站直流系统为站内控制系统、继电保护、信号装置、自动装置等提供电源,在事故情况下仍能保证其供电,还可以供给事故照明、逆变电源等负荷,对变电站安全稳定运行有着不可替代的作用。直流系统中充电装置作为其中重要一环,完成AC/DC变换,为蓄电池充电,以及向各种直流负载供电。充电装置采用多台整流模块并联运行,额定电流按满足蓄电池均衡充电的要求选取,而正常运行中大部分时间处于浮充状态,此时充电装置的负载率较低,工作在效率较低的区间。对此,近年许多文献对通信基站高频开关电源模块提出采用休眠技术,即根据系统负载大小动态调整工作模块数目,使系统始终工作在最佳效率区间,从而降低系统的能耗[1]。所以,为了实现整流模块休眠,本文重点分析了直流系统中智能型整流模块的结构特点,并针对基于西门子S7-200型PLC与触摸屏构成的中央监控单元,提出一种应用于变电站的智能整流模块休眠系统,以实现对蓄电池智能充电管理以及模块休眠的控制。

1　变电站充电装置运行现状

“两电三充”接线方式由两组蓄电池、两套浮充电装置和一套备用充电装置构成,是220 kV及以上变电站常用的的方式。每组蓄电池及浮充电设备分别接入不同母线段,充电设备经切换装置可对两组蓄电池进行充电。

某220 kV甲变电站直流系统情况如下:

每组充电设备由3台220 V/20 A整流模块并联,直流系统配置两组300 Ah免维护铅酸蓄电池组。正常运行时,每段馈线经常性负荷15 A左右,蓄电池浮充电流约为0.3 A。

按照充电装置传统运行方式,存在如下弊端:

1) 正常运行时浮充电装置所有整流模块全部启动,整组设备负载率不到30%,导致充电装置的效率较低和整流模块的均流性能较差。

2) 有一台模块损坏时,报模块故障总告警,不能自动切换故障的模块;遇见紧急情况时,系统切除整组模块的交流电源,但需蓄电池组来带整组负荷,假如蓄电池组运行年限长,蓄电池组容量低,则难于满足现场要求。

3) 没有实时监测分析系统,整流模块只有在故障出现后才能通过直流监控系统发出故障信号,电源可靠性较低。

2　整流模块原理与控制方式

开关电源与传统相控电源相比,具有明显的优越性能。开关电源由交-直-交-直电路构成,电路内部采用工作频率较高的交流部分,大大减小了变压器和滤波器的体积和重量。除此之外,频率的提高有利于控制性能的提高,因此在数百千瓦以下功率范围内,高频开关电源逐步取代了相控整流电源。而且变电站直流系统中整流模块大部分采用高频开关电源[2]。

智能型整流模块的原理如图1所示。交流输入首先进行防雷处理和EMI(电磁干扰)滤波,经整流和无源PFC(无源功率因数校正)转换成直流,然后经DC/AC电路转换成高频交流后,通过高频变压器隔和整流滤波、电磁干扰滤波回路、防反接保护回路等输出直流电[3]。整流模块中DC/AC逆变和高频变电器电路是核心电路部分,逆变电路采用全控型功率开关器件,如GTR、MOSFET、IGBT等,并可以选择不同的拓扑结构,常用有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路等。 脉宽调制(PWM)输出调制信号控制功率开关器件的关断。整流模块的控制系统采用双闭环控制系统。内环是电流控制环,具有较好的限流作用,响应速度较快;外环是电压控制环,保证直流输出电压的稳定。智能整流模块提供均流接口和均流措施,保证多台模块并联工作时均分负载。

整个充电模块在自身微机系统的监控下工作,可以实现模块的保护及告警、电压调整、模块均流、参数设置等。同时整流模块与中央监控单元PLC直接通过RS485通信,采用异步串行传输方式,将充电模块的运行数据上传到PLC并接收相关控制命令。

3　智能整流模块休眠系统

由于传统充电装置存在弊端,部分220 kV及以上变电站已经将传统整流模块更换成智能型整流模块,使开发整流模块休眠系统具有可行性。

文献[4]给出了一种基于PLC控制的直流监控系统,系统主要依托PLC及扩展模块输出模拟量对整流模块输出电压、电流进行控制,但该系统中整流模块不具备与PLC的通信功能。因此本文为了进一步提升变电站直流系统智能化水平,充电装置选用智能型整流模块,通过整体优化设计,开发一种整流模块休眠系统,实现整流模块对蓄电池智能充电管理以及模块休眠功能。

图1　整流模块原理图

图2　直流系统原理图

3.1硬件结构

变电站直流系统原理如图2所示。采用基于西门子S7-200型PLC与人机界面构成中央监控单元,可以对直流系统各模块实时监控,并完成与综自后台的通信。中央监控单元可以实时采集交流输入及切换单元、整流模块、蓄电池、直流输出、控制母线等电压电流信号、空开跳闸信号、熔断器信息、模块告警信息等运行参数,通过S7-200的各种控制程序,对数据进行分析处理,实时监视直流系统运行状态,并根据PID控制理论实现对直流系统的控制与保护,为变电站提供可靠的直流电源。

整流模块休眠系统结构如图3所示。

图3　整流模块休眠系统结构图

PLC是主站,充电模块是从站。PLC可以随时读取整流模块的状态(保护、故障灯信号)和实时电压、电流,并控制充电模块的开/关机,均/浮充转换,调节模块的输出电压、限流百分值等。S7-200提供两路RCS-485接口,一路接口与9台数字高频充电模块RS485通信,构成485总线,采用Modbus RTU规约,校验计算程序在S7-200中编程[5];另一路接口与触摸屏通信,采用Modbus RTU规约。触摸屏显示直流系统的各种信息,如整流系统、蓄电池、控制母线电压、电流参数、系统开关状态信息、故障情况等,并可设置系统各参数,控制监控器的运行状态。触摸屏通过RS485通信接口与综自系统通信,采用Modbus RTU规约,以实现SCADA功能。其中综自后台是主站,直流屏是从站。

3.2蓄电池智能充电管理

PLC根据蓄电池的均、浮充状态要求,通过对整流模块的限流值以及均/浮充电压值实时跟踪控制,实时采集智能型整流模块的参数,并将控制量传输到整流模块,严格按照蓄电池的充电曲线迅速调整到位,实现无级调整。蓄电池智能充电曲线示意图如图4所示。

图4　蓄电池智能充电曲线

3.2.1系统正常充电

直流系统初次充电时,充电设备以蓄电池10 h放电率电流(0.1CA)对蓄电池进行恒流均充,电压达到整定值(2.35×n,n为蓄电池组节数)时,充电方式转换成恒压均充模式;随着蓄电池的逐渐饱和,充电电流逐渐减小,当达到设定值(如0.06CA)时,继续恒压均充3 h,转换成浮充方式,以较低的恒定电压(2.25×n,n为蓄电池组节数)对蓄电池组进行充电。变电站直流系统正常浮充运行过程中,每隔720 h,转入一次恒流充电状态运行,对蓄电池进行有效活化。

3.2.2蓄电池放电后充电

在直流系统交流输入异常或全站停电等极端异常情况下,充电设备失去电源无法工作,通过调用PLC的交流中断程序和调压控制程序,使蓄电池组通过降压硅链给站内全部直流负荷供电。直流系统的交流电源恢复时,通过检测电池电流和蓄电池组剩余容量,决定蓄电池组充电方式。

3.3智能整流模块休眠功能

根据DL/T5044电力工程直流系统设计技术规程[6],如果每组蓄电池配置一组充电装置,为了满足保证站内直流系统的安全、可靠,充电装置的整流模块采取冗余N+1或N+2配置。如果一组蓄电池配置二组充电装置或二组蓄电池配置三组充电装置,由于每组充电装置间自动切换,则不需要考虑经常性负荷和冗余配置。充电装置整流模块配置的一般原则主要是根据直流系统接线方式、站内直流经常性负荷的大小、10 h放电率电流(蓄电池容量)等情况综合考虑。

变电站正常运行时,直流充电装置一方面提供变电站内常用直流负荷,另一方面以浮充方式给蓄电池充电,补充蓄电池组的自放电电流。正常情况下充电装置的负载率较低,且每个整流模块输出电流较小,整流模块自身损耗占比较大,充电装置工作在低效率状态。基于此,研制整流模块休眠系统,根据负荷大小投切整流模块,通过PLC控制充电装置实际工作的模块数量,使部分模块处于休眠状态,提高运行的整流模块效率及充电装置总体工作效率。

休眠系统可手动或自动调整各整流模块的休眠次序和时间,通过使各整流模块依次休眠,维持各整流模块的平均工作时间,降低整流模块的维护成本,提高模块使用寿命并节约电能。实际运行中,为了保证直流系统供电的可靠性,需要考虑必要的冗余措施,每组充电装置保证2台整流模块在运行状态。如果每组充电装置由3台整流模块并联,则允许1台整流模块进入休眠,相应的并联整流模块数越多允许休眠的模块数越多,节能效益越明显。

整流模块3的休眠程序流程如图5所示。整流模块3在浮充工作方式下经过延时后进入休眠。在负荷电流值大于设定值时经过延时程序关闭休眠,在运行模块出现故障、均充程序启动、交流输入故障导致的联络开关合闸等情况下,模块3停止休眠,进入工作模式。

图5　整流模块3休眠程序流程图

3.4程序实现

该休眠程序在STEP 7-MWIN32软件环境下开发,该开发软件还可以实现监控用户程序的执行状态。采用STL语言编程,程序设计采用模块化,功能化结构,便于维护、扩展, PLC在实现初始化、均充浮充子程序、PID计算程序、交直流电源切换、时钟处理、故障报警及保护等功能的基础上,扩展智能整流模块休眠程序。

人机界面采用台达画面编辑软件Screen Editor制作画面并编译下载到触摸屏。

4　系统应用

整流模块休眠系统研制成功后应用于某220 kV甲变电站充电装置。甲站直流系统中央监控单元人机界面采用台达公司的DOP-B触摸屏,整流模块采用深圳英科瑞公司的GF220-20智能模块。S7-200 PLC实物及接线如图6所示,休眠系统人机界面显示如图7所示。

图6　S7-200 PLC实物图接线图

4.1功能测试

1) 数据通信检验。系统能够通过监控装置通信接口及时准确地收到每台整流模块故障信息,给出声音报警的同时系统自动弹出报警画面,故障信息数据记入历史数据库中;系统能够快速稳定的接收到每台整流模块的电压、电流遥测信息,并与模块自身显示数值一致。

2) 模块开关机控制试验。根据负荷电流大小,当负荷小于模块总输出80%时,自动停止一台模块工作,当负荷大于80%时,模块全部启动;整组充电装置中,其中1台充电模块出现故障时,模块全部启动;当蓄电池组均充条件达到时,模块全部启动;两组充电装置,其中一组充电装置失电,联络开关闭合时,另一组充电装置全部启动。

3) 数据库检验。用户能够通过人机交互界面的操作按钮或者菜单快速方便地查看系统设备的运行数据(历史数据和实时数据),操作方便快捷。

图7　人机界面画面显示

4.2效益分析

经过实测,单台整流模块空载运行功耗约350 W,忽略模块自带散热风扇能耗,采用休眠技术后两台整流模块全年可节约电量6000 kW·h,经济效益可观。同时可以延长充电装置整流模块维护周期,降低运维成本。

5　结　语

随着高频开关电源技术的发展,整流模块已具备现场通信接口,控制单元可以直接与整流模块通讯,快速、可靠地完成对整流模块的实时监控。在此基础上,开发了整流模块休眠系统,实现了蓄电池智能充电管理,提高了充电设备效率,解决了传统充电装置的弊端。现场运行实践表明,休眠系统功能可靠,节能效益显著,人机界面友好,可方便地接入综合自动化系统,也可以组建基于WEB的智能监测系统,进一步提升变电站智能化水平。

[1] 宋守国,张少文.基站开关电源模块休眠技术在节能降耗中的应用[J].电信技术2008(7):39-40.SONG Shouguo, ZHANG Shaowen. Application of sleep technology for base station switch power supply module in energy saving[J]. Telecommunications Technology, 2008(7):39-40.

[2] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009

WANG Zhaoan, HUANG Jun. Power electronics[M]. Beijing: China Machine Press, 2009.

[3] 现代高频开关电源技术及应用[M].北京:电子工业出版社,2008

Modern high-frequency switching power supply technology and its application[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2008.

[4] 李叶青,杨胜仪.S7-200 PLC在直流电源监控器中的应用[J].电工技术, 2008(4):31-32.LI Yeqing, YANG Shengyi. Application of S7-200 PLC in DC power supply monitor[J]. Electric Engineering, 2008(4):31-32.

[5] 何跃智.MODBUS RTU通讯协议在S7-200中的应用[J].可编程控制器与工厂自动化, 2006(3):58-60.

HE Yuezhi. Application of MODBUS RTU communication protocol in S7-200[J]. PLCFA, 2006(3):58-60.

[6] DL/T5044-2004.电力工程直流系统设计技术规程[S].北京:中国计划出版社,2004.

DL/T5044-2004. Technical code for design of DC auxiliary power supply system for power engineering [S]. Beijing: China Planning Press, 2004.

(责任编辑侯世春)

Analysis and application of rectifier module dormant system in substation based on PLC control

ZHANG Zhen, XIN Yongsheng, ZHANG Ying, ZHANG Xiaojian, FAN Rong

(State Grid Huainan Power Supply Company, Huainan 232007, China)

The charging device of DC system in substation operates with paralleled multi-rectifier modules. There are some problems during normal operation such as the low efficiency of charging device,the failure of the single rectifier module in automatically switching and real-time monitoring, and so on. In order to solve the problems, this paper studied and analyzed the principle and structure of the intelligent rectifier module, and proposed the dormant system of intelligent rectifier module according to the central monitoring unit of DC system controlled by PLC and touch screen. It is a system that solves the problem of the traditional operation mode of charging device under the premise of the assurance of reliable dc power supply, realizes the module intelligent charge management and dormant control, improves charging device efficiency and saves energy. Through the onsite application, the dormant system can achieve the expected goals.

DC system; intelligent rectifier module; PLC; dormant system

2016-03-14;

2016-03-18。

张震(1988—),男,助理工程师,从事变电设计、运维工作。

TM631+.3

A

2095-6843(2016)04-0313-05