高压进线柜机械闭锁操作模拟装置设计

卢森幸

河池学院，广西宜州，546300

0 引言

高压进线柜是电力供电系统中用于进行电能分配、控制、计量以及连接线缆的配电设备。它是电力系统中不可或缺的一部分，也是电力系统运行过程中的重要保护之一[1]。但是，接入电网的高压进线柜价格昂贵，导致许多高校、培训机构等学习场所无法配置多套设备，这样导致初学者难以接触，无法进行实际操作，不利于初学者学习相关知识和技能。为了方便更多初学者学习和训练，本文设计一个高压进线柜机械闭锁操作模拟装置。

1 总体设计

系统的总体设计框架由上位机和下位机组成。上位机运用组态软件进行设计，完成遥控遥测和管理功能；下位机采用PLC作为控制核心，完成现场动作模拟控制；上位机和下位机通过USR串口服务器进行实时无线通信。

下位机使用的是FX3U系列PLC，是整个装置的核心。装置可以实现对开关量的控制以及采集数据，完成现场动作模拟控制。上位机部分配备有可视化曲线，如实时曲线、棒图等，方便用户直观地观察装置的实时状态。针对显示不同数据的情况、设备监控和管理需要，上位机部分还配备有数据报表、数据库等数据形式，这些数据能够准确记录装置状态信息。在进入主界面后，用户需要根据倒闸操作规程才能完成装置相关的操作，可以对负载进行对应的整定值设定，可以通过上位机对装置上的按钮进行远程操作。

下位机PLC输入端部分由断路器、隔离开关、接地开关的合闸投切按钮与分闸投切按钮、红外测距传感器、转换开关构成。PLC输出端部分则是使用红色指示灯作为合闸的信号，对应动作事件有：断路器合闸、上隔离合闸、下隔离合闸、接地合闸；绿色指示灯作为分闸信号，对应动作事件为各个开关的分闸，以及为了提醒人员不要接近带电设备的声光报警灯。针对装置可能出现故障的情况，设置有可以调节电流的模拟故障线路，通过旋转调压器的旋钮，能够改变电压，进而调节电流。在模拟故障线路中采用互感器与变送器进行模拟量的采集。

2 硬件设计

2.1 硬件设计主电路

装置主电路的进线柜机械闭锁操作模拟逻辑电路图如图1（a）所示，PLC硬件连接图如图1（b）所示。其中，控制PLC输出开关量实现停送电倒闸操作以及五防机械闭锁的效果，在这个过程中通过利用中间继电器自带的常开、常闭触点的分合来实现闭锁，程序中也做闭锁，做到二重保险。在模拟故障线路时采用电流速断保护方式，母线电压用市电模拟，将市电通过调压器输出，交流电压经过降压、滤波、整流输出为0～10V直流电压信号，再将直流电压信号传输到PLC的AD0电压输入口。同理，电流互感器则是将电流互感器输出的小电流输送到电流变送器，再通过电流变送器将交流电流转换为4～20mA直流电流信号再传输至PLC的AD2电流输入口。信号指示灯HL8、HL9、HL10表示装置状态警示。在实际教学过程中，操作者可以通过调节调压器的旋钮来实现电流和电流变化，从而实现故障模拟。

图1 进线柜机械闭锁模拟装置电路图

2.2 PLC的控制线路设计

PLC是高压进线柜机械闭锁操作模拟装置的核心控制部分[2]，它决定着系统的停送电倒闸操作、五防闭锁、数据采集和处理等功能的实现。PLC的输入端连接的是开关对应的按钮和传感器，负责装置开关的操作和信息的采集。PLC的输出端连接的是控制对应开关的继电器线圈和信号指示灯，负责将装置的开关的状态进行可视化。同时将PLC的RS485通信口与串口服务器的485口进行连接，再将串口服务器通过网线连接到路由器的LAN口，通过路由器产生的Wi-Fi与上位机进行无线连接。

2.2.1 PLC输入端部分

PLC输入端口X0和X1、X2和X3、X4和X5、X6和X7按钮两两组合，分别模拟进线柜不同位置闸刀的开、合状态。X10采用PNP型红外传感器，负责对装置正前方的物体进行测距，物体达到测距范围时，红外传感器内部电路导通，将信号送入PLC中进行处理。X11、X12、X13三个端口作为转换开关的三个档位：“工作档”“分断闭锁档”“检修档”。当转换开关旋转45°至“工作档”，触点1-2导通，即X11口得到信号，同理将开关旋转90°则触点3-4导通，即X12口得到信号，开关旋转135°时触点5-6导通，X13口得到信号。

2.2.2 PLC输出端部分

系统具体实现功能用PLC输出端口来驱动。输出端口Y0、Y1、Y2、Y3分别控制一个中间继电器的线圈，完成进线柜特定操作动作。Y4为声光报警灯，负责将红外传感器采集到的信号输出，用来提醒人员不要接近带电设备。Y5为控制进线柜前门的开合，根据X11、X12、X13的信号进行变更。Y6作为电流正常状态下的指示灯，在PLC测量值小于整定值的状态下显示绿色。Y7作为电流故障状态下的指示灯，在PLC测量值大于整定值的状态下显示为黄色。

2.2.3 RS485通信口——以太通信

在上位机与下位机之间构建通道，实现无线传输数据。本装置构建的通道的顺序是PLC上的RS485通信口—USR-TCP232-304串口服务器上的485通信口—路由器上的LAN口—PC机。其中，路由器与PC机的连接方式有两种，分别是通过Wi-Fi连接和通过网线直接连接。这样，装置可以实现远程监控和操作。

3 进线柜五防闭锁设计

装置送电的顺序为：将转换开关旋转到分断闭锁档—断开接地开关—合上隔离开关—合下隔离开关—将转换开关旋转到工作档—合上断路器。装置停电的顺序为：断开断路器—将转换开关旋转到分断闭锁档—断开下隔离开关—断开上隔离开关—合下接地开关—将转换开关旋转到检修档。进线柜是分断高压进线电源的高压柜，操作不当将会带来致命的危害。为了避免操作不当，设置有 “电气五防”[3]。本装置根据五防原理，应用自锁、互锁技术控制中间继电器，实现五防闭锁功能，设计五防闭锁操作过程如图2所示。

图2 五防闭锁流程图

4 上位机组态设计

上位机设计采用组态王软件，它是一款工程监控系统软件，在组态界面，制作了选择界面，在选择界面上能够切换用户配置、数据报表、故障设置、曲线查询、数据库查询、报警窗口等界面。登录上位机后，能够直接查看一次设备监控界面，以及停送电倒闸操作的顺序规程；还能够根据操作规程，正确操作开关进行倒闸操作。上位机管理界面菜单层次结构如表1所示。

表1 上位机管理界面菜单层次结构

PLC处理的数据是比较烦琐的，而通过组态王软件，可以将复杂的数据简单化，便于操作人员理解。可以在PC机上通过ODBC数据源连接Access数据库，对电压电流、操作记录、报警记录等数据进行储存和查询。为了方便查询、统计和管理，设计了可视化曲线、棒图视窗，操作便携。组态王属于面向对象程序设计高级语言[4-5]。在组态王的命令语言中，进行运算程序编写。通过命令语言，实现将倒闸操作顺序以文本形式显示；实现采集电压、电流数据的类型转换、存储、调取。应用配置控件实现数据的曲线、棒图可视化。

5 结语

本装置定位为教学辅助设备，面向电力系统调控、检修、维护岗位素质和技能进行设计，可以完成高压进线柜机械闭锁模拟操作，支持远程遥控遥测、仿真训练；同时，配置电力系统继电保护常规数据存储、查询、统计功能，实现信息可视化、操作实错告警实时化，此装置适合初学者。装置最大的缺点是：无法甄别接近的是操作人员还是其他人员。这个缺点可以加载人脸识别功能模块来解决，这样，可以防止其他人员误入带电间隔这一五防规则。