变电站中央事故和预告信号的PLC控制

1 引 言

1.1 选题背景和意义

变电站中央事故和预告信号系统是变电站监控系统(SCADA)系统的重要组成部分，主要实现变电站所有信息的遥测、遥信。它有中央事故信号和中央预告信号两部分组成。用以掌握各电气设备的工作状态。提醒运行人员设备发生故障的性质和地点，并及时做出正确的处理，防止事故进一步扩大[1]。

随着计算机工业控制技术的不断发展，可编程控制器（Programmable Logical Controller，简称PLC）作为自动控制的重要组成部分，已成为大多数自动化系统的设备基础。可编程控制器是一种以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术、通信技术和继电器控制技术而发展起来的新型工业控制装置，具有编程容易、体积小、使用灵活方便、抗干扰能力强、可靠性高等一系列优点，其功能越来越强大，应用范围越来越广阔，如冶金、机械、电力、石油、煤炭、化工、轻纺、交通、食品、环保、轻工、建材等工业部门都有广泛应用。它不但可以很容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入/输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。同样在变电站中央信号系统中装置PLC，可以达到线路简单、易于安装、便于维护、编程简单、工作可靠、抗干扰能力强，实现变电站的综合自动化。

我国传统的变电站中央事故和预告信号系统一般采用的是以接触器和冲击继电器为核心的控制方式。但是其有元器件多、线路复杂、维修困难、本身可靠性差等缺点。再者，对一个使用装有上百个继电器的设备在全负荷运载的情况下，将产生大量的热量和噪声，同时也消耗了大量的电能。因此，对传统电气控制系统进行改进设计是十分必要的。

本课题研究项目属于采用西门子S7-200PLC代替传统的继电接触器控制变电站中央事故和预告信号系统，掌握电气设备或线路的不正常工作状态和故障现象，帮助判断设备故障性质及地点，以便及时采取措施加以处理[3]。

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1.2 PLC在国内外的发展状况

可编程控制器是六十年代发展起来的一种自动控制装置，是一种嵌入式的工控机，它以顺序控制为主，回路调节为辅，能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算功能，既能进行开关量控制，又能进行模拟量控制，还具有通信功能。

PLC诞生不久就显示了其在工业控制中的重要地位，日本、德国、法国等国家相继也研制成各自的PLC。PLC技术随着计算机和微电子技术的发展而迅速发展，由最初的1位机发展为8位机。随着微处理器CPU和微型计算机技术在PLC中的应用，形成了现代

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意义上的PLC。现在的PLC产品已使用了16位、32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通信技术使PLC的应用得到进一步发展。如今，可编程控制器技术已非常成熟。目前，世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的厂家有美国的AB、通用（GE）、莫迪康（MODICON）、日本的三菱（MITSUBISHI）、欧姆龙（OMRON）、富士电机（FUJI）、松下电工、德国的西门子（SIEMENS）、法国的TE、施耐德（SCHNEIDER）、韩国的三星（SAMSUNG）、LG等。

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器，接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国已经可以自行生产中小型可编程控制器，上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具有了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。

近十年来，PLC在我国的发展取得了非常好的成绩。随着国力的增强和生产力的提高，PLC已经渗透到了各个领域。在生产方面，为了提高生产效率和工业的自动化，我们引进了许多在世界上都处于领先技术的成套设备，如上海宝钢集团上马的第一期工程中，就采用了250台PLC，二期工程中又采用了180台。还有三峡工程、秦川电站、天津开发区的康师傅方便面生产线等都应用了PLC控制。现在PLC不但应用于冶金、矿业、机械、轻工等工业自动控制中，在其他领域它也有着广泛地应用。例如，市政建设中的水处理，沥青、混凝土的搅拌；日常生活中的电梯、车库的自动化管理、货物存取等；商业中的自动售货机、啤酒罐装及酿酒等；另外还在环保、娱乐业中也有应用。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

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1.3 设计的主要内容

本课题介绍了用S7-200控制器改进中央信号系统的设计方法。根据中央信号系统的工作原理,采用PLC控制变电站中央信号系统,实现事故音响信号、预告信号、灯光信号的过程。主要包括中央事故音响信号的设计和中央预告音响信号的设计；事故灯光信号的设计和预告灯光信号的设计。根据控制的要求，对事故音响信号、预告音响信号、灯光信号等进行I/0分配，同时编制了中央事故和预告信号系统梯形图控制程序，最后进行仿真与调试，达到中央信号系统的要求。

当变电站的电气设备或线路发生短路，继电保护装置使断路器（QF）自动跳闸时，启动事故信号；当电气设备或线路出现不正常工作状态（如设备绝缘不良、电动机过负荷、过流，油温过高或小接地电流系统发生单相接地等）时,启动预告信号。每种信号都有灯光信号和音响信号两部分组成，音响信号唤起值班人员注意，灯光信号便于判断

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发生故障的设备及故障性质。通常事故信号采用蜂鸣器和红、绿灯；预告信号采用电铃作为音响信号，采用光字牌作为灯光信号。

变电站事故信号和预告信号控制一般都在主控室实现。需满足“手动复位、自动解除、重复动作”的要求，从而在重复故障发生时，中央信号装置能正确发出信息，有利于工作人员监视和实时处理运行设备发生的事故[5]。

2 中央信号系统简述

2.1 断路器控制和信号回路简述

断路器控制回路是指控制高压断路器跳合闸的回路，直接控制对象为断路器的操作机构。

断路器控制回路中的信号装置是指用来指示断路器的跳合闸位置及一次线路和控制回路的运行状态。信号装置主要有断路器的位置信号、事故信号和预告信号。

断路器的位置信号用来显示断路器正常工作的位置状态。一般用红灯亮表示断路器在合闸位置；用绿灯亮表示断路器在跳闸位置。一般用红灯闪光表示断路器自动合闸；用绿灯闪光表示断路器自动跳闸。事故信号还有事故音响和光字牌。预告信号是当一次线路或一次设备发生不正常状态或故障初期所发生的报警信号。

断路器控制和信号回路的基本要求： ①能手动和自动合闸和跳闸。

②能监视控制回路操作电源及跳合闸回路的完好性，通常采用灯光监视方式。 ③断路器操作机构中的合、跳闸线圈按短时通电设计的，在合闸或跳闸完成后，应能自动解除命令脉冲，切断合闸或跳闸电源。

④应具有反映断路器状态的位置信号和手动或自动合跳闸的显示信号，断路器的事故跳闸回路，应按“不对应原理”接线。控制开关是断路器控制和信号回路的主要控制元件，由运行操作人员使断路器合跳闸，在工厂变电所中常用LW2型系列自动复位控制开关[6]。

2.2 采用电磁操作机构的断路器控制和信号回路

2.2.1 转换开关

LW2-Z-1a.4.6a.40.20.20/F8型控制开关的触点表如表1所示。

控制开关有六个位置，其中跳闸后和合闸后为固定位置，其它为操作时的过渡位置。有时用字母表示六种位置，“C”表示“合闸”，“T”表示“跳闸”，“P”表示“预备”，“D”表示“后”。

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表1 LW2-Z-1a.4.6a.40.20.20/F8型控制开关的触点表

手柄和触电盒形式 触点表 F8 1a 01 02 05 06 09 09 10 13 14 13 17 17 18 21 21 22 -03 位 置 跳闸后 预备合闸 合闸 ↗ — — ? 合闸后 预备跳闸 跳闸 ↙ — — — ? — — ? — ? — — — ? — — ? ← — ? — — — — ? ? — — — ? — — ? — — — ? — — — ? ? ? — — ? — — ? — — ? — — ↑ ? — — — ? — — ? — — — ? — — ? — -04 -08 -07 -10 -12 -11 -14 -15 -16 -19 -18 -20 -23 -22 -24 4 6a 40 20 20 ← — ? — — — — ? — ? — — — ? — — ? ↑ ? — — — ? — — — — 2.2.2 电磁操作机构的断路器控制及信号回路

（1）断路器的手动操作过程

合闸过程。设断路器处于跳闸位置，此时控制开关SA处于跳闸后（TD）位置其触点10-11通，QF1通，HLG绿灯亮，表明断路器是断开状态，在此通路中，因电阻R1存在，合闸接触线圈KM不足以使其触点闭合。

将控制开关SA顺时针旋转90°，此位置是预备合闸位置PC，触点9-10通，将信号灯接闪光母线（+）WF上，绿灯HLG闪光，表明控制开关的位置与合闸后位置相同，但断路器仍处于跳闸后状态，这是利用“不对应原理”接线，同时提醒运行人员核对对象是否有误，如无误后，再将SA置于合闸（C）位置（继续顺时针旋转45°）在此位置上，触点5-8通，使合闸线圈KM接通于+WC和-WC之间，KM动作，其触点KM1和KM2触点使合闸线圈YO通电，断路器合闸。断路器合闸后，QF1断开使绿灯熄灭，QF2闭合，当松开SA后，在弹簧作用下，自动回到合闸后位置，触点13-16通，使红灯发出平光，表明断路器已合闸，同时触点9-10通，为故障跳闸做好绿灯闪光准备。

跳闸过程。将控制开关SA逆时针旋转90°置于预备跳闸（PT）位置，触点13-16

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