基于S7-200 SMART的干式负载故障检测及定位系统设计

陈晓波，陆 彬，周 杰

(中国船舶集团公司第七〇三研究所无锡分部，江苏 无锡 214151)

1 引 言

中低压干式负载作为一种耗功装置，凭借其稳定、高效、控制便捷等优点，广泛应用于发电机组测试、消除发电机组WET STACKING现象、变压器容量测试等方面[ 1]。随着中低压干式负载应用场合增多，如何检测其安全性是设备厂家和客户重点关注的问题，而干式负载的绝缘值、各回路的电阻值是判断其正常运行的重要指标。传统的检测方式是通过人工运用仪器逐个回路对绝缘值和电阻值进行测量[2 ]。由于干式负载的回路多，系统较复杂，人工测量不仅费时，并且存在漏测、误测的风险，尤其是在一个回路出现故障时，无法快速地定位故障。

针对传统的绝缘检查及回路故障排查方法存在的弊端，本文提出了一种新的绝缘检查及回路电阻(和电抗)测量的方案，可以在使用前自动完成检测，具有一定的实际应用价值。

2 系统总体构成

整个系统主要由上位机系统、控制及数据采集系统、检测电路系统、信号转换系统组成。上位机系统主要用于发送测试指令，并显示干式负载的状态。控制及数据采集系统用于控制检测电路系统的电压幅值、接触器的通断及干式负载中各回路接触器，并接收采集信号转换系统中回路的电压及电流值，经程序计算出干式负载相间、相对地、负载回路对地绝缘电阻以及负载回路中电阻值或电感量。检测电路系统将每种接触器组合形成的电压及电流值传送至信号转换系统。信号转换系统采集检测电路系统中传送来的电压及电流值，并存储到内部寄存器中，通过RS485通信接口将内部寄存器中的电压及电流信号通信给控制及数据采集系统。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

3 系统的基本原理

本设计利用触摸屏发送测试指令,PLC控制测试电路中的固态调压器、接触器及干式负载回路中的接触器来实现干式负载相间、相对地、负载回路对地绝缘以及负载回路电阻值和电感量的测量[3 ]。测试电路原理见图2。

图2 测试电路原理图

系统测试电路的上半部分为回路电阻测试电路，下半部分为绝缘电阻测试电路。图中TY为固态调压器，TV为隔离变压器，PV为电压传感器,PA为电流传感器，KM为接触器、Rs为标准电阻[ 4]。在本测试系统中，测试频率为工频50Hz，频率低，且各负载回路的电缆线径粗，长度短，因此可以忽略分布电容的影响。

在绝缘测试电路中，电压传感器的内阻为200MΩ，可等效为一个高电阻并联一个理想的电压传感器。Rs4的阻值为1kΩ，相对于电压传感器的内阻200MΩ，PV2的内阻可忽略。绝缘电阻测试电路可等效为如图3所示的电路，图中，Rv3为电压传感器内阻，RG为绝缘电阻，U2和U3为传感器PV2和PV3测得的电压值。

图3 绝缘电阻测试等效电路

根据基尔霍夫电流定律[5]可得：

I1=I2+I3

(1)

根据欧姆定理可得：

(2)

(3)

(4)

由式(1)-式(4)可得：

(5)

回路电阻测试电路可等效为如图4所示的电路，图中，PV为电压传感器，RS为限流电阻，阻值为2Ω，防止负载短路时过电流，PA为电流传感器，Ra、Rb、Rc分别为A、B、C三相电阻(测量电抗时为感抗)。干式负载回路电阻最大约为10Ω，对于电压传感器内阻200MΩ，电压传感器内阻对电路的影响可以忽略。

图4 回路电阻测试等效电路图

根据欧姆定律：

(6)

可得：

(7)

测试电抗器时，得到的是感抗XL。电感量L与感抗XL转换公式为：

XL=2πfL

(8)

可得：

(9)

该系统中f为工频50Hz。

4 系统硬件设计

系统硬件部分主要包括触摸屏、PLC、固态调压器、变压器、电压传感器、电流传感器、电量变送器和接触器等。

触摸屏采用昆仑通泰的TPC1061Hn触摸屏，这是一套以Cortex-A8CPU为核心(主频1GHz)的高性能嵌入式一体化触摸屏，采用了10.2英寸高亮度TFT液晶显示屏(分辨率1024×600)和四线电阻式触摸屏(分辨率4096×4096)。外观采用铝合金结构，具有良好的电磁屏蔽性且美观坚固。

PLC采用西门子公司的S7-200 SMART PLC，包括1块ST40 CPU模块，2块EM DT08数字量输出模块，1块EM AM06模拟量输入输出模块。ST40 CPU模块本体集成有1个以太网接口和1个RS485接口。以太网接口支持西门子S7协议、TCP/IP协议，有效支持多种终端连接。RS485接口支持Modbus-RTU、PPI、USS及自由口通信协议，可以与变频器、触摸屏等第三方设备通信。

固态调压器采用CFT15KW型可控硅控制器，控制器额定电流为25A,可通过PLC输入4～20mA来控制调压器输出电压，电压可调范围为0～372V。该控制器集成了触发电路、可控硅模块、风冷散热、过热保护、过电流保护。触发板采用STM技术，故障率低，具有体积小、重量轻、安装接线简单、维护方便等特点。

变压器采用单向隔离变压器，用于提高绝缘检查回路的工作电压。可根据干式负载的电压等级，选择正确的变压器。该变压器主要用于提高绝缘测试电压，并与供电电源隔离。

5 系统软件设计

5.1 上位机软件设计

上位机程序编写是基于MCGS嵌入式工业组态软件[6]，该软件具有简单灵活的可视化操作界面，丰富、生动的多媒体画面，强大的网络功能以及多样化的报警功能等特点，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有广泛的应用。本次设计的上位机程序主要用于选择测试模式，绝缘电阻测试及发送测试指令，显示测量结果，并在有故障的回路上报警显示，记录报警信息。上位机流程图见图5。

图5 上位机程序流程图

5.2 PLC软件设计

PLC软件编写是基于STEP 7-Micro/WIN SMART的编程组态软件，支持梯形图、指令语句表、功能块图编程语言，并可自由装换。本系统程序主要包括主程序、测试电压子程序以及模拟量PID输出子程序。

5.2.1 主程序设计

主程序是接收到上位机测试指令后，开始执行PLC程序。主程序中包括基于Modbus主站协议通信程序，断路器、接触器等逻辑控制程序等。

PLC接收到上位机指令后，判断主回路断路器的状态，确保断路器为分闸状态后，先开始绝缘电阻的测试，闭合k3、k6继电器，控制固态调压器控制端电流，使调压器电压保持在10V的低电压状态，通过比较电压传感器V1和V2的值，判断绝缘电阻是否大于10MΩ。当绝缘电阻≥10MΩ时，继续控制调压器控制端电流，升高绝缘测试电压，在升压过程中实时监测绝缘电阻值，直到绝缘测试电压达到需要电压值时，计算出此时AB相间的绝缘电阻。

在升压过程中，绝缘电阻<10MΩ时，控制调压器电压立即降至10V，计算出AB相间的绝缘电阻，并输出绝缘低故障报警指示，随后进行下一回路的测试。在进行下一回路的测试前，调压器电压清零，以此类推完成绝缘电阻的测试后，自动转入回路电阻的测试，闭合接触器KM1、KM2，控制固态调压器控制端电流，使调压器电压保持在10V左右，闭合干式负载第一回路，检测回路中的电压和电流，计算出该回路的电阻值。将该电阻值与该回路标准值进行比较，测试结果在标准值±10%的范围内，说明结果正确，反之故障报警输出，并且对三相回路中各个阻值进行比较。当比较结果在3%以内，说明三相不平衡度满足要求，反之故障报警输出。

当回路中电流大于5A时， 该回路短路， 电阻值输出为0Ω，并报回路电阻故障。当回路中电流小于0.2A时，该回路为开路状态，电阻值输出为100Ω，并报回路电阻故障。第一回路测试完成，分断第一回路接触器，闭合第二回路接触器，开始测试第二回路，依此类推完成回路电阻的测试，程序退出。主程序流程图见图6。

图6 主程序流程图

5.2.2 测试电压子程序设计

在PLC程序中，模拟量4～20mA对应5530到27648的整数，而固态调压器的控制电流4～20mA对应值为0～372V。因此，在上位机上设置绝缘测试电压后，通过测试电压子程序，计算出PLC内部整数，模拟量与电压值转换公式为：

(10)

式中：Pmin为4mA对应的整数(5530)；Pmax为20mA对应的整数(27648)；Vmin为固态调压器起始电压(0V)；Vmax为固态调压器最高电压(372V)；V1为上位机设定的绝缘测试电压(0V)。

5.2.3 模拟量PID输出子程序设计

PLC模拟量输出给固态调压器控制端，通过控制输出电流值来控制绝缘测试电压。通过PID控制模拟量输出，可以使模拟量输出平滑、快速。PID运算公式：

(11)

在本子程序设计中，主要实现模拟量的快速连续输出，只需采用P调节器，式(11)可简化为：

Mn=Kc×(SPn-PVn)

(12)

式中：Mn为采样时间n时回路输出的计算值；Kc为回路增益；SPn为采样时间n时设定值的值；PVn为采样时间n时过程变量的值。

经过多次参数修改，最终，采样时间设置为0.1s，回路增益设置为8倍，模拟量输出比较平滑，且2s内就完成输出。PID调节记录见图7。

图7 PID输出过程

6 测试结果与分析

为了验证该系统的可行性，了解该系统在实际使用中的具体情况，在一台AC400V的低压干式负载上进行验证试验。该负载的总容量为2MW，共30个回路。绝缘要求为500V电压下绝缘电阻不小于50MΩ。

试验时，在上位机上设置绝缘测试电压为500V，按下测试按钮，程序开始运行，每计算完一个回路，就显示该回路的值。程序运行完成后，相间、相对地及各回路对地绝缘，回路电阻值都显示在上位机界面上，数据显示正常。

同时，为了验证报警输出是否正确，利用电阻及导线模拟了绝缘低、回路电阻短路及开路等几个故障，再次进行测试，测试结果见图8。结果显示，数据显示正确，报警输出正确，测试结果满足要求。

(a)回路阻值检测结果 (b)回路绝缘检测结果

通过实际运用，证明该系统能够快速地测得干式负载的相间、相对地绝缘值和各回路的对地绝缘值、电阻值，能够准确地找到故障回路，并发出报警。整个测试时间不到100s，比传统的人工测试所花费的时间有了质的飞跃。

7 结 论

本系统投入使用后，可大大减少人员的使用。试验前，只需要按下测试按钮，就可以得出干式负载的状态。如果有绝缘低或回路电阻有异常，可以定位哪组回路有问题，使用时不投入该组负载回路，提高了干式负载使用率。在雨季或夜晚负载不使用时， 可定时投入该系统， 检测干式负载的绝缘状态。假如绝缘低，可自动启动热风循环系统，对干式负载进行加热烘烤，尤其重点对绝缘低的回路进行烘烤，确保在需要使用该干式负载时，负载状态满足使用要求。该系统具有较高的实用价值。