西门子S7-200在电力无功补偿中的应用

西门子S7-200在电力无功补偿中的应用

一、项目简介

山东泰开自动化有限公司位于五岳之首的泰山脚下一一泰安市南部高新开发区，公司前身是山东鲁能泰山自动化研究所，成立于1995年6月，专门从事电力系统自动化的开发及其配套设备的研制生产，是一家顺应国家电力发展，特别是城乡电网改造的需要而崛起的高新技术企业。依托泰开集团，公司拥有雄厚的经济技术实力，现有员工150多人，占地150亩，拥有2000Ir12的科研楼和5000FT12的生产场地。

公司拥有卓越的管理队伍和优秀的研发人才，其中本科以上专业技术人员占70%以上，博士、硕士十余人，是一支充满朝气和富有协作精神的团队。公司与山东大学、北京航空航天大学、清华大学、西安交通大学、华北电力大学等高校长期开展技术合作和人才交流，聘请国内著名电力保护专家参与重大项目研发。技术和人才的优势为开发优质的产品提供了有力的保障。公司十多年专注于电力电网自动化保护产品的研发，先后开发出了FB23000厂站自动化系统、FB22300配电自动化系统、GZG49系列智能高频直流电源系统、EPS应急电源系统、GIS智能在线监测系统等五大系列几十个品种的产品，形成了门类齐全的产品系列。公司拥有多种国际领先的检测系统和设备，如美国DOBLE公司的电力系统数字仿真仪，奥地利OMICRON电子仪器有限公司的OMICRON测试系统，以及满足电力系统综合保护产品各项技术参数和模拟试验的高精度测试仪器，具备了良好的试验检测环境。2000年公司顺利通过了国际IS09001质量保证体系认证；2001年获得山东省双软企业认定，所有产品均通过了国家电力公司权威检验机构严格测试，取得了电力部门、国家经贸委入网许可。目前，公司产品广泛应用于城乡电网工程及冶金、石油、煤矿、化工等厂矿企业，用户遍布国内20多个省区80多个地市。

我公司研制的无功补偿控制器发挥了非常重要的作用，此装置主要用于110kV及以下电压等级的2台有载调压变压器、2段母线、1台母联断路器系统的无功电容补偿控制和电压调节。本装置结构设计合理，控制方式简单，主要由根据用户工程需求编写的程序来进行系统控制，控制效果明显，补偿功能较好，发挥了很大的社会效益和经济效益，受到用户的好评。

二、无功补偿控制器的结构

控制器由硬件和软件两大部分组成。硬件部分由可编程序控制器(PLC)、RS232/485通讯电缆、触摸屏、接触器、传感器和互感器等主要部分组成；软件部分主要由根据用户要求编写的、可擦除的PLC程序组成。显示界面采用配套软件完成系，统运行的可视化。电量参数的采集由相应电流互感器、电压互感器和电量传感器完成。触摸屏作为人机对话界面，显示系统运行状态、系统运行参数和故障报警信息，通过触摸屏可以完成系统参数、报警参数设定功能，可随时记录系统故障信息、便于查询故障和方便设备维护功能。机箱采用标准19英寸5U小机箱，为方便安装和检修，采用固定式接线端子，端子固定在机箱后壁；此外，元件安装板和端子安装板采用抽出式结构，检修时可将机箱内元件整体抽出，方便检修。

本系统的主要构成为：1台西门子CPU226、2台EM231、一台触摸屏、西南自动化研究所1891A等智能变量变送器、中间继电器。

1) CPU226负责数据的采集与处理及智能运行方式判断和逻辑控制功能。PORTO口采用自由口通讯方式与西南自动化研究所1891A等通讯，CPU226为主站，1891A等为从站，主站采用定时轮流呼唤，如接收数据符合起始字节、结束字节、校验字节、站号后，进行数据传送并处理，否则数据舍弃，不予处理。PORT1与触摸屏通讯。下面为自由口通讯设定和数据处理的一段程序：  

自由口通讯设定：    

LD     SMO．1

MOVB   16#09, SMB30

MOVB   16#BC, SMB87

MOVB   16#OD．SMB89

MOVB    5, SMB92

MOVB    59, SMB94

LD         SMO.1

ATCH    INT_O, 9

ATCH    INT_1, 23

ENI

LD          SMO.1

MOVB    6, VB200

MOVB   16#7E, VB201

MOVB   16#03, VB202

MOVB   16#FD, VB203

MOVB   16#50, VB204

MOVB   16#BO, VB205

MOVB   16#OD, VB206

LD          bSMO.1

MOVB    6, VB210

MOVB   16#7E, VB211

MOVB   16#04, VB212

MOVB   16#FC, VB213

MOVB   16#50, VB214

MOVB   16#BO, VB215

MOVB   16#OD, VB216

LD         SMO.1

MOVW   O,VW220

LD         SMO.1

O           Q10.3

O           T41

LPS

AN         T39

=            Q10.3

LPP

TON       T39, 5

LD          T39

O            Q10.4

LPS

AN          T40

=             Q10.4

LPP

TON       T40, 5

LD          T40

O            Q10.5

LPS

AN          T41

=             Q10.5

LPP

TON       T41, 5

LD          Q10.4

EU

AB<>      SMB86, 0

1           1, VW220

LD          Q10.4

AW=       VW220, 1

EU

AB<>      SMB86, 0

XMT        VB200, 0

LD          Q10.4

AW=       VW220, 2

EU

AB<>     SMB86, 0

XMT       VB210, 0

MOVW   O.VW220

数据处理：

INTO:

LD        SMO.O

RCV     VB100, 0

INTl:

LD        SMO.O

MOVD  &VB101, AC1

MOVD  &VB601, AC2

R           M0.2, 1

R           M0.3, 1

LD        SMO.O

MOVW O,VW898

LD        SMO.O

FOR     VW898, 1, 58

LD        M0.2

LPS

AB=      *ACl, 16#00

MOVB  16#05,'AC2

AENO

1           1, AC2

LPP

AB=        * ACl, 16#08

MOVB    16#OD,'AC2

AENO

1           1, AC2

LD          M0.2

-              M0.3

LD          M0.2

R            M0.2, 1

LDN       M0.3

AB=        *ACl, 16#05

-              M0.2

LDN       M0.3

AN          M0.2

AB<>    *ACl, 16#05

MOVB   *ACl,'AC2

AENO

I           1, AC2

 LD        SMO.O

l           1, AC1

 RM0.3,1

 NEXT

 LD        SMO.O

SWAP   VW611

SWAP   VW613

SWAP   VW615

SWAP   VW617

SWAP   VW619

SWAP   VW621

 SWAP  VW623

 SWAP  VW625

 SWAP  VW627

 SWAP  VW629

LDB=    VB601,  16#7E

AB=      VB602,  16#03

AB=      VB603, 16#FD

AB=      VB604,  16#50

BMB     VB605, VB301, 26

LDB=    VB601,  16#7E

AB=      VB602,  16#04

AB=      VB603, 16#FC

AB=      VB604,  16#50

BMB     VB605, VB331, 26

具体通讯协议请参照西南自动化研究所的WTC-B-02通讯协议。

EM231负责部分模拟量采集，A/D变化，DC0~5V信号，处理好数字滤波和模拟地共地问题。 触摸屏负责定值设定、控制和数据显示。 西南自动化研究所1891A等智能变量变送器负责两段母线电量参数的采集和处理。

三、可编程序控制器简介(PLC)

可编程序控制器( Programmable Logic Controller)简称PLC，是近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。它是一种专为工业环境应用而设计的数字运行的电子系统，它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入，输出，完成确定的逻辑、顺序、定时、计数、运算和一些确定的功能，来控制各种类型的机械或生产过程。本设备中应用的PLC控制器是西门子公司生产的SIMATIC S7-200系列可编程序控制器，取代了传统的继电器一接触器控制系统，提高了系统运行的可靠性。PLC与继电器一接触器控制系统相比，控制方式由硬件接线改为软件控制，方便了设计与维护；控制功能由简单的逻辑控制改为能完成复杂运算的直接控制系统，增强了系统的控制功能。同时由于硬件模块化设计，增强了抗干扰能力，更适合工程控制。还有，采用模块化设计，便于适应不同的工程需要，系统扩展非常方便。

另外，控制器所．用的PLC是自动控制技术、计算机技术与通讯技术三者有机结合的高科技产品。它作为用于工程控制的专用计算机，有诸多特点。特点如下：

1)可靠性高，抗干扰能力强。在PLC设计中，在硬件上对元器件进行严格的筛选和老化，采用电源多级滤波和稳压措施、电磁屏蔽、输入输出滤波、光电隔离及通道间绝缘、输入电源和输出电源均可相互独立，还设置了联锁、检测与诊断电路；在结构上采用密封防尘抗震的内部结构、外部封装；在软件上采用循环扫描的工作方式、程序语法检查、故障检测与诊断出错后报警、保护数据、封锁输出及自动恢复等措施。所有的特殊设计使PLC的平均无故障间隔时间达10万小时。   

2)接口模块功能强、品种多。

3)适应性强，使用面广。既可现场控制，又可远方控制。   

4)编程简单、直观。

5)体积小，重量轻，功耗低。

四、无功补偿控制器的功能（仅控制无功功率）   

1．控制方式

1)自动控制：控制器自动识别系统运行方式，在相应运行方式下进行电容器自动投切，完成系统的无功补偿。

根据不同运行方式和系统无功量与功率因数上下界限，进行自动判断，并进行电容器组的投切操作。 根据Q需补和Q需切与电容器最小容量的倍数和当前系统运行方式，智能判断需投切的电容器。   

2)手动控制：在此控制方式下，控制器只发提示信息，由手动控制来完成电容器组的投切，从而进行系统无功补偿。

2．系统运行方式

手动控制：转换开关在手动位置，由就地手动操作接触器；   

退出位置：系统退出运行；

微机操作：转换开关在微机位置，又分两种情况，一是微机装置自动控制；二是在装置上手动控制，手动控制信号由装置发出，装置仅作投切提示。

3．运行方式设置

PLC系统采集1#进线开关、2#进线开关和母联开关的位置，自动适应一次系统的运行方式，可设置5种运行方式，具体如下： (1) 并列：手动设定两台主变同时运行），两段母线相联 (2)1撑变压器单独运行：只有1撑变压器运行（1QF在合位，2QF在分位），两段母线可能相连（3QF在分位或合位）。根据运行变压器的电量参数，若3QF在分位，仅控制有运行变压器这段母线上的电容器：若3QF在合，两段母线上的电容器统一控制。

(3)2撑变压器单独运行：只有2撑变压器运行（2QF在合位，1QF在分位），两段母线可能相连（3QF在分位或合位）。根据运行变压器的电量参数，若3QF在分位，仅控制有运行变压器这段母线上的电容器；若3QF在合，两段母线上的电容器统一控制。

(4)分列：2台主变压器同时运行（1QF和2QF在合位），两段母线不相连（3QF在分位），根据每段母线的电量参数，两段母线上的电容器分别控制，互不干涉。

(5)自动：根据系统运行时高压断路器的状态，自动识别系统运行方式，在相应运行方式下进行电容器自动投切。

4．事件记录功能

控制器可记录电容器投入、切除的时间，母线运行方式变化的时间，接触器拒动故障和接触器动作次数等运行信息。

5．参数采集计算功能

控制器可采集两段母线的三相电压、三相电流，计算2台主变压器的有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能，作为控制电容器投切的判据。例如：电容器投切的两种情况：

(1)电容器投切的判据1

1)无保护动作；

2)大于投切间隔时间（放电时间）； 3)功率因数滞后，小于下限值，并超过一定的时间；

4)无功功率大于上限值，并超过一定的时间；

设2组电容器的容量为Qi. Q2，且Qi≤Q2。如果测量无功功率Qc< Qi，不投；QiQ1 Q2，同时投入Q1、Q2。

(2)电容器投切的判据2

1)有保护动作；

2)功率因数超前，大于上限值，并超过一定的时间；

3)无功功率小于下限值，并超过一定的时间；

设2组电容器的容量为Q1. Q2，且Qi≤Q2，如果测量无功功率Q。Q1 Q2，同时投入Qi. Q2。

6．参数设定功能

(1)设置报警参数（母线过电压、母线欠电压、零序过电压、进线过电流）的上限、下限值，设定报警时限；

(2)设置电容器组投切间隔时间，设置延时时间（防止频繁投切）；

(3)设置电容器组投切判据（无功功率、功率因数）的上下限；

(4)系统电压互感器、电流互感器变比设定功能；根据互感器实际变比设定。

7．事件查询功能

可查询报警事件的类型、发生时间、解除时间等信息。

8．电容器组保护功能

电容器主进线柜过电流、过电压、欠电压，电容器组零序过电压，过电流保护功能；

9．系统运行优化功能；

10.密码设定功能可进行密码的设定。

11.通讯接口控制器具有RS485通讯接口，全面可靠的实现遥测、遥信、遥控功能。

五、技术参数

工作电压：AC220V，50Hz

测量电压：100V

测量电流：5A

输出控制：16路，无源常开触点

开关量采集：24路，无源触点

功率因数上下限设置：0～1．O，级差0.01

电容器过电压保护值：100～150V（二次电压），级差1V

电容器欠电压保护值：50～99V（二次电压），级差1V

电容器过电流保护值：5～10A（二次电流），级差O.1A

环境温度：-20～55℃

六、人机界面

选用台湾台达PWS1711触摸屏作为人机对话界面，PWS1711触摸屏主要参数如下：

显示类型：液晶显示，蓝色STN，CCFL背光

显示区域：116X87（5.7英寸）

字符高度：任意大小

操作方式：触摸、汉显、菜单式

可扩展内存：256K

变量数：128

画面数：256

人机对话界面主要有以下几大部分：

(1)系统参数设置界面

由系统参数设置界面，可进行PT变比和CT变比的设置，还可进行系统功率因数的上限值和下限值等的参数设置，完毕请“返回”。 (2)无功控制系统界面 通过无功控制系统界面可进行控制系统参数设置、系统参数查询、系统运行状态查询、事件查询、手动控制和外部操作等功能，还可具体查询事件发生的日期及时间。 (3)电容器组进线电流的查询界面 通过电容器组进线电流查询界面，可对断路器4QF和5QF的A相和C相的电流进行查询，查询完毕请按“返回”。 (4)电容器组零序电压的查询界面电容器组零序电压的查询界面，用来查询电容器组零序电压的大小，还可进行翻页查询。 (5)当前记录显示界面 用来显示当前故障报警的时间及故障发生的具体信息，以便于操作人员及时准确地切除故障，尽快恢复装置的正常运行，还可由历史记录按钮来查看以前发生的故障信息。查询完毕按“返回”。 (6)系统状态运行界面 系统运行状态查询界面，用来查询系统实际的运行方式，具体运行方式有：系统分列运行、并列运行、外部控制、微机控制、微机手动控制。分列运行包括1变单独运行和2变单独运行。可由翻页来进行设置，设置完毕按“返回”键。 (7)母线电量参数查询界面 母线电量参数查询界面，可进行进线电流、母线电压、有功功率、无功功率、功率因数和频率的查询，I段和II段母线参数可进行翻页查询，查询完毕按“返回”。 (8)电压零序、电压保护设置界面 由电压零序、电压保护设置界面，可进行母线过电压值、过电压时限、母线欠电压值、欠电压时限、零序过电压值、零序保护时限和4QF、5QF的CT变比等参数的设置。 (9)过电流保护设置界面 过电流保护设置界面，可对投入1000kvar无功功率时，过电流保护的定值和电流保护动作时限进行设置。具体运行时，系统可根据运行方式和电容器投入组数自动进行保护动作值的计算。设置完毕按“返回”。 (10)开关当前位置设置界面 开关当前位置设置界面，用来设置断路器、接触器和转换开关的位置，具体设置应根据系统当前运行状态和界面提示进行相应的设置。设置完毕请按“返回”。 七、应用体会

CPU226为主站时，用自由口通讯编写通讯规约有一定难度，需反复推敲；最好能开发一个CRC校验程序块，好多接口协议采用CRC校验；另外通讯口太少，仅有的两个RS485口有时不够使用，建议开发RS485通讯扩展模块；模拟量采集时EM231的工作电源最好与外部传感器的24VDC电源采用同一电源，否则有可能出现数据波动。