盧森幸

河池學(xué)院，廣西宜州，546300

0 引言

高壓進(jìn)線柜是電力供電系統(tǒng)中用于進(jìn)行電能分配、控制、計量以及連接線纜的配電設(shè)備。它是電力系統(tǒng)中不可或缺的一部分，也是電力系統(tǒng)運行過程中的重要保護(hù)之一[1]。但是，接入電網(wǎng)的高壓進(jìn)線柜價格昂貴，導(dǎo)致許多高校、培訓(xùn)機構(gòu)等學(xué)習(xí)場所無法配置多套設(shè)備，這樣導(dǎo)致初學(xué)者難以接觸，無法進(jìn)行實際操作，不利于初學(xué)者學(xué)習(xí)相關(guān)知識和技能。為了方便更多初學(xué)者學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，本文設(shè)計一個高壓進(jìn)線柜機械閉鎖操作模擬裝置。

1 總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計框架由上位機和下位機組成。上位機運用組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計，完成遙控遙測和管理功能；下位機采用PLC作為控制核心，完成現(xiàn)場動作模擬控制；上位機和下位機通過USR串口服務(wù)器進(jìn)行實時無線通信。

下位機使用的是FX3U系列PLC，是整個裝置的核心。裝置可以實現(xiàn)對開關(guān)量的控制以及采集數(shù)據(jù)，完成現(xiàn)場動作模擬控制。上位機部分配備有可視化曲線，如實時曲線、棒圖等，方便用戶直觀地觀察裝置的實時狀態(tài)。針對顯示不同數(shù)據(jù)的情況、設(shè)備監(jiān)控和管理需要，上位機部分還配備有數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)形式，這些數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確記錄裝置狀態(tài)信息。在進(jìn)入主界面后，用戶需要根據(jù)倒閘操作規(guī)程才能完成裝置相關(guān)的操作，可以對負(fù)載進(jìn)行對應(yīng)的整定值設(shè)定，可以通過上位機對裝置上的按鈕進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

下位機PLC輸入端部分由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)的合閘投切按鈕與分閘投切按鈕、紅外測距傳感器、轉(zhuǎn)換開關(guān)構(gòu)成。PLC輸出端部分則是使用紅色指示燈作為合閘的信號，對應(yīng)動作事件有：斷路器合閘、上隔離合閘、下隔離合閘、接地合閘；綠色指示燈作為分閘信號，對應(yīng)動作事件為各個開關(guān)的分閘，以及為了提醒人員不要接近帶電設(shè)備的聲光報警燈。針對裝置可能出現(xiàn)故障的情況，設(shè)置有可以調(diào)節(jié)電流的模擬故障線路，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)壓器的旋鈕，能夠改變電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)電流。在模擬故障線路中采用互感器與變送器進(jìn)行模擬量的采集。

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計主電路

裝置主電路的進(jìn)線柜機械閉鎖操作模擬邏輯電路圖如圖1（a）所示，PLC硬件連接圖如圖1（b）所示。其中，控制PLC輸出開關(guān)量實現(xiàn)停送電倒閘操作以及五防機械閉鎖的效果，在這個過程中通過利用中間繼電器自帶的常開、常閉觸點的分合來實現(xiàn)閉鎖，程序中也做閉鎖，做到二重保險。在模擬故障線路時采用電流速斷保護(hù)方式，母線電壓用市電模擬，將市電通過調(diào)壓器輸出，交流電壓經(jīng)過降壓、濾波、整流輸出為0～10V直流電壓信號，再將直流電壓信號傳輸?shù)絇LC的AD0電壓輸入口。同理，電流互感器則是將電流互感器輸出的小電流輸送到電流變送器，再通過電流變送器將交流電流轉(zhuǎn)換為4～20mA直流電流信號再傳輸至PLC的AD2電流輸入口。信號指示燈HL8、HL9、HL10表示裝置狀態(tài)警示。在實際教學(xué)過程中，操作者可以通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器的旋鈕來實現(xiàn)電流和電流變化，從而實現(xiàn)故障模擬。

圖1 進(jìn)線柜機械閉鎖模擬裝置電路圖

2.2 PLC的控制線路設(shè)計

PLC是高壓進(jìn)線柜機械閉鎖操作模擬裝置的核心控制部分[2]，它決定著系統(tǒng)的停送電倒閘操作、五防閉鎖、數(shù)據(jù)采集和處理等功能的實現(xiàn)。PLC的輸入端連接的是開關(guān)對應(yīng)的按鈕和傳感器，負(fù)責(zé)裝置開關(guān)的操作和信息的采集。PLC的輸出端連接的是控制對應(yīng)開關(guān)的繼電器線圈和信號指示燈，負(fù)責(zé)將裝置的開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行可視化。同時將PLC的RS485通信口與串口服務(wù)器的485口進(jìn)行連接，再將串口服務(wù)器通過網(wǎng)線連接到路由器的LAN口，通過路由器產(chǎn)生的Wi-Fi與上位機進(jìn)行無線連接。

2.2.1 PLC輸入端部分

PLC輸入端口X0和X1、X2和X3、X4和X5、X6和X7按鈕兩兩組合，分別模擬進(jìn)線柜不同位置閘刀的開、合狀態(tài)。X10采用PNP型紅外傳感器，負(fù)責(zé)對裝置正前方的物體進(jìn)行測距，物體達(dá)到測距范圍時，紅外傳感器內(nèi)部電路導(dǎo)通，將信號送入PLC中進(jìn)行處理。X11、X12、X13三個端口作為轉(zhuǎn)換開關(guān)的三個檔位：“工作檔”“分?jǐn)嚅]鎖檔”“檢修檔”。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)旋轉(zhuǎn)45°至“工作檔”，觸點1-2導(dǎo)通，即X11口得到信號，同理將開關(guān)旋轉(zhuǎn)90°則觸點3-4導(dǎo)通，即X12口得到信號，開關(guān)旋轉(zhuǎn)135°時觸點5-6導(dǎo)通，X13口得到信號。

2.2.2 PLC輸出端部分

系統(tǒng)具體實現(xiàn)功能用PLC輸出端口來驅(qū)動。輸出端口Y0、Y1、Y2、Y3分別控制一個中間繼電器的線圈，完成進(jìn)線柜特定操作動作。Y4為聲光報警燈，負(fù)責(zé)將紅外傳感器采集到的信號輸出，用來提醒人員不要接近帶電設(shè)備。Y5為控制進(jìn)線柜前門的開合，根據(jù)X11、X12、X13的信號進(jìn)行變更。Y6作為電流正常狀態(tài)下的指示燈，在PLC測量值小于整定值的狀態(tài)下顯示綠色。Y7作為電流故障狀態(tài)下的指示燈，在PLC測量值大于整定值的狀態(tài)下顯示為黃色。

2.2.3 RS485通信口——以太通信

在上位機與下位機之間構(gòu)建通道，實現(xiàn)無線傳輸數(shù)據(jù)。本裝置構(gòu)建的通道的順序是PLC上的RS485通信口—USR-TCP232-304串口服務(wù)器上的485通信口—路由器上的LAN口—PC機。其中，路由器與PC機的連接方式有兩種，分別是通過Wi-Fi連接和通過網(wǎng)線直接連接。這樣，裝置可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作。

3 進(jìn)線柜五防閉鎖設(shè)計

裝置送電的順序為：將轉(zhuǎn)換開關(guān)旋轉(zhuǎn)到分?jǐn)嚅]鎖檔—斷開接地開關(guān)—合上隔離開關(guān)—合下隔離開關(guān)—將轉(zhuǎn)換開關(guān)旋轉(zhuǎn)到工作檔—合上斷路器。裝置停電的順序為：斷開斷路器—將轉(zhuǎn)換開關(guān)旋轉(zhuǎn)到分?jǐn)嚅]鎖檔—斷開下隔離開關(guān)—斷開上隔離開關(guān)—合下接地開關(guān)—將轉(zhuǎn)換開關(guān)旋轉(zhuǎn)到檢修檔。進(jìn)線柜是分?jǐn)喔邏哼M(jìn)線電源的高壓柜，操作不當(dāng)將會帶來致命的危害。為了避免操作不當(dāng)，設(shè)置有 “電氣五防”[3]。本裝置根據(jù)五防原理，應(yīng)用自鎖、互鎖技術(shù)控制中間繼電器，實現(xiàn)五防閉鎖功能，設(shè)計五防閉鎖操作過程如圖2所示。

圖2 五防閉鎖流程圖

4 上位機組態(tài)設(shè)計

上位機設(shè)計采用組態(tài)王軟件，它是一款工程監(jiān)控系統(tǒng)軟件，在組態(tài)界面，制作了選擇界面，在選擇界面上能夠切換用戶配置、數(shù)據(jù)報表、故障設(shè)置、曲線查詢、數(shù)據(jù)庫查詢、報警窗口等界面。登錄上位機后，能夠直接查看一次設(shè)備監(jiān)控界面，以及停送電倒閘操作的順序規(guī)程；還能夠根據(jù)操作規(guī)程，正確操作開關(guān)進(jìn)行倒閘操作。上位機管理界面菜單層次結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 上位機管理界面菜單層次結(jié)構(gòu)

PLC處理的數(shù)據(jù)是比較煩瑣的，而通過組態(tài)王軟件，可以將復(fù)雜的數(shù)據(jù)簡單化，便于操作人員理解?？梢栽赑C機上通過ODBC數(shù)據(jù)源連接Access數(shù)據(jù)庫，對電壓電流、操作記錄、報警記錄等數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存和查詢。為了方便查詢、統(tǒng)計和管理，設(shè)計了可視化曲線、棒圖視窗，操作便攜。組態(tài)王屬于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計高級語言[4-5]。在組態(tài)王的命令語言中，進(jìn)行運算程序編寫。通過命令語言，實現(xiàn)將倒閘操作順序以文本形式顯示；實現(xiàn)采集電壓、電流數(shù)據(jù)的類型轉(zhuǎn)換、存儲、調(diào)取。應(yīng)用配置控件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的曲線、棒圖可視化。

5 結(jié)語

本裝置定位為教學(xué)輔助設(shè)備，面向電力系統(tǒng)調(diào)控、檢修、維護(hù)崗位素質(zhì)和技能進(jìn)行設(shè)計，可以完成高壓進(jìn)線柜機械閉鎖模擬操作，支持遠(yuǎn)程遙控遙測、仿真訓(xùn)練；同時，配置電力系統(tǒng)繼電保護(hù)常規(guī)數(shù)據(jù)存儲、查詢、統(tǒng)計功能，實現(xiàn)信息可視化、操作實錯告警實時化，此裝置適合初學(xué)者。裝置最大的缺點是：無法甄別接近的是操作人員還是其他人員。這個缺點可以加載人臉識別功能模塊來解決，這樣，可以防止其他人員誤入帶電間隔這一五防規(guī)則。