PLC在地鐵行業(yè)備自投的工業(yè)低壓配電應(yīng)用
引 言
經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)技術(shù)的不斷革新和人民生活水平的不斷提高，促進(jìn)了電力系統(tǒng)的逐步改造，并要求我國(guó)電網(wǎng)不斷提高其供電可靠率。從1998年至今，城鄉(xiāng)電網(wǎng)供電可靠從99.81％提高到99.897％。如今，配電設(shè)備市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)是：反應(yīng)真實(shí)快速，高智能化和數(shù)字化。
地鐵是地下鐵道的簡(jiǎn)稱，作為一種獨(dú)立的有軌交通系統(tǒng)，它不受地面道路情況的影響，能夠按照設(shè)計(jì)能力運(yùn)行，從而快速、安全、舒適地運(yùn)送乘客。地鐵效率高，無污染，能夠?qū)崿F(xiàn)大運(yùn)量地要求，具有良好的社會(huì)效益，成為現(xiàn)在中大城市改善交通情況的首選。配電的可靠性要求在地鐵行業(yè)尤其突出。一旦停電，地鐵無法安全運(yùn)行，將導(dǎo)致城市交通的癱瘓。
為了保證運(yùn)行的可靠性和避免人為的失誤，地鐵中采用了各種以電子計(jì)算機(jī)處理技術(shù)為核心的各種自動(dòng)化設(shè)備代替人工的、機(jī)械的、電氣的行車組織、設(shè)備運(yùn)行和安全保證系統(tǒng)。同時(shí)為了保障地鐵運(yùn)行的安全性，地鐵建設(shè)中經(jīng)常采用SCADA系統(tǒng)作為綜合數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控控制系統(tǒng)，對(duì)主變電所、牽引變電所、降壓變電所設(shè)備系統(tǒng)的遙控、遙信和遙測(cè)，實(shí)時(shí)掌握配電所所有設(shè)備的帶電情況。
1 地鐵低壓配電典型系統(tǒng)構(gòu)成
地鐵的低壓配電通常采用典型的雙進(jìn)線一聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中1QF、2QF為進(jìn)線開關(guān)，3QF為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。正常工作的情況下，進(jìn)線開關(guān)1QF和2QF合閘，分別為I段和II段母線供電。但是當(dāng)其中一組進(jìn)線電壓跌落時(shí)（以1TF電壓跌落為例），需要斷開1QF。在甩開母線上的三級(jí)負(fù)荷后，閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)3QF，此時(shí)變壓器2TF同時(shí)為I、II段母線供電。
2 地鐵行業(yè)低壓配電備自投的特點(diǎn)
為了減少母線段斷電時(shí)間，保證低壓電氣設(shè)備能夠順利運(yùn)行，減少經(jīng)濟(jì)損失，地鐵的低壓配電系統(tǒng)要求備自投功能。所謂備自投，就是當(dāng)進(jìn)線開關(guān)因?yàn)殡妷旱涿摽蹠r(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)閉合。
但在地鐵行業(yè)，備自投需要完成三個(gè)基本步驟：一，進(jìn)線開關(guān)必須要脫扣，而且是因?yàn)殡妷旱涠且驗(yàn)楣收厦摽?；二，三?jí)負(fù)荷必須甩開；三，聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)閉合。根據(jù)復(fù)位方式的不同，備自投又分為兩種：自投自復(fù)和自投手復(fù)。自投自復(fù)：當(dāng)進(jìn)線掉電時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)閉合，當(dāng)進(jìn)線電壓恢復(fù)時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)斷開，進(jìn)線開關(guān)自動(dòng)閉合。自投手復(fù)：顧名思義，則當(dāng)進(jìn)線電壓恢復(fù)時(shí)，手動(dòng)分?jǐn)嗄嘎?lián)閉合進(jìn)線。
3 PLC備自投的應(yīng)用與特點(diǎn)
以往的地鐵項(xiàng)目，是通過電壓繼電器，時(shí)間繼電器和中間繼電器等繼電器來實(shí)現(xiàn)備自投。當(dāng)電壓繼電器探測(cè)到進(jìn)線開關(guān)的進(jìn)線側(cè)電壓低于低電壓閥值，一般的判斷條件為70％額定電壓，經(jīng)過時(shí)間繼電器的延時(shí)，發(fā)出命令，令該進(jìn)線開關(guān)脫扣，將信號(hào)發(fā)送至各三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)。之所以需要延時(shí)，是為了保證電網(wǎng)確實(shí)掉電，而不是發(fā)生晃電。三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)收到進(jìn)線的脫扣信號(hào)，并確認(rèn)進(jìn)線并非因?yàn)楣收厦摽酆?，直接跳閘，并將跳閘信號(hào)發(fā)送至聯(lián)絡(luò)開關(guān)。聯(lián)絡(luò)開關(guān)接收到進(jìn)線和各三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)的脫扣信號(hào)后，自動(dòng)合閘，完成一次備自投的過程。
可見，由繼電器搭接而成的備自投回路能夠滿足基本的備自投要求，但是隨著地鐵行業(yè)對(duì)可靠配電的要求越來越高，而且在實(shí)際應(yīng)用中，該備自投的繼電器觸點(diǎn)容易熔焊，線路復(fù)雜等問題，深深影響到地鐵行業(yè)低壓配電的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此近年來的地鐵項(xiàng)目，基本都要求選用可靠性高的工業(yè)型PLC控制或智能模塊來實(shí)現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)的備自投。如廣州地鐵項(xiàng)目就選用了ABB公司的AC31系列PLC來實(shí)現(xiàn)兩進(jìn)線一母聯(lián)的備自投。
其中CPU 07KR51裝于母聯(lián)柜，4臺(tái)擴(kuò)展模塊ICM14F1分別裝于兩個(gè)進(jìn)線柜和兩個(gè)三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)回路。CPU 07KR51與擴(kuò)展模塊 ICM14F1之間通過CS31總線連接。進(jìn)線回路把進(jìn)線斷路器狀態(tài)、故障信號(hào)、低電壓信號(hào)同時(shí)輸入擴(kuò)展模塊 ICM14F1；三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)回路將開關(guān)狀態(tài)、故障信號(hào)輸入擴(kuò)展模塊 ICM14F1；母聯(lián)回路向CPU 07KR51輸入母聯(lián)斷路器狀態(tài)、故障信號(hào)和控制方式（自復(fù)或者手復(fù)）。PLC的輸出線圈依次控制進(jìn)線、母聯(lián)和三級(jí)負(fù)荷回路開關(guān)的合分。PLC根據(jù)每個(gè)輸入信號(hào)的狀態(tài)，判斷是否發(fā)生低電壓，并判斷輸出繼電器是否需要?jiǎng)幼?，?shí)現(xiàn)兩進(jìn)線一聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)的備自投切換。下表為PLC進(jìn)行備自投的程序進(jìn)程順序：
對(duì)比上面兩種備自投控制的方案，可以得出PLC進(jìn)行備自投控制的優(yōu)點(diǎn)：
1） 可靠性
繼電器容易燒壞，觸點(diǎn)發(fā)生熔焊，線路復(fù)雜。每多連接一根電纜，發(fā)生故障的概率就增加一分。而且由于機(jī)械原因，不論在線圈吸合還是脫扣，都是依靠純粹的機(jī)械判斷，存在出錯(cuò)的可能，從而影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行；PLC減少了繼電器的數(shù)目，用內(nèi)部虛擬繼電器代替實(shí)際的繼電器，同時(shí)通過輸入信號(hào)，直接判斷是否起動(dòng)備自投，減少了中間的步驟，同時(shí)能精確地給出延時(shí)時(shí)間，降低了出錯(cuò)地可能。經(jīng)過多次的實(shí)踐應(yīng)用，表明PLC比繼電器可靠得多。
2） 靈活性
當(dāng)系統(tǒng)的控制邏輯發(fā)生變化時(shí)，PLC僅僅需要更改內(nèi)部的程序內(nèi)容，而繼電器的備自投，需要重新設(shè)計(jì)，重新拆線接線，操作繁冗。更改完后，PLC可以事先在內(nèi)部測(cè)試程序的準(zhǔn)確性；而繼電器的備自投則需要通電試驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)問題，還需要再次拆線接線。
3） 簡(jiǎn)潔性
繼電器的備自投，由于柜間的聯(lián)鎖和使用的繼電器數(shù)量，需要連接的電纜數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PLC。無論查線或者理解圖紙來說，都比較復(fù)雜。PLC的備自投，只需要將所有信號(hào)輸入PLC，通過程序判斷，圖紙簡(jiǎn)單易讀。程序里可以按照每個(gè)回路的合分邏輯編程，并在后面加以備注，方便理解程序的意思。
4 ABB的AC31系列PLC 在地鐵中的應(yīng)用案例
1）應(yīng)用案例1——深圳地鐵
該項(xiàng)目?jī)蛇M(jìn)線斷路器、聯(lián)絡(luò)斷路器以及三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)相隔較近，且在同一排柜子的相鄰位置，采用輸入擴(kuò)展模塊XI16E1和輸出擴(kuò)展模塊XO08R1配合PLC主機(jī)07KR51。進(jìn)線、三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)的所有控制信息和狀態(tài)信息直接輸入裝于聯(lián)絡(luò)柜的PLC擴(kuò)展模塊。雖然連接電纜增加了一些，但少了4個(gè)擴(kuò)展模塊ICM14F1，實(shí)現(xiàn)在保證PLC備自投的可靠性的前提下，成功降低一定的備自投成本。
2）應(yīng)用案例2——廣州地鐵
該項(xiàng)目在優(yōu)化應(yīng)用案例1的基礎(chǔ)上，取消了2個(gè)電壓繼電器，取而代之的是通過裝于進(jìn)線回路的多功能表計(jì)采集電壓信號(hào)，并通過通訊的方式傳輸?shù)絇LC。PLC讀取電壓值，并判斷是否發(fā)生電壓跌落。這樣不僅減少了2個(gè)電壓繼電器的成本，同時(shí)憑借對(duì)電壓信號(hào)的實(shí)時(shí)讀取和判斷，可以更準(zhǔn)確的判斷是否發(fā)生電壓跌落，并發(fā)出信號(hào)，令三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)跳閘。因?yàn)殡妷豪^電器的可調(diào)門閥值一般在70%左右，而判斷讀取的電壓值可以精確到10%左右。從而可以實(shí)現(xiàn)分批甩開一些不重要的負(fù)荷，以保證重要負(fù)荷的運(yùn)行。
經(jīng)過上面兩個(gè)案例，PLC的備自投成本可以降低不少，甚至將低于繼電器架構(gòu)的備自投?？梢姡杀締栴}將不會(huì)成為阻礙PLC備自投在工業(yè)配電的應(yīng)用。 來源:輸配電設(shè)備網(wǎng)
5 結(jié)語
如今的工業(yè)項(xiàng)目，不再是簡(jiǎn)單的兩進(jìn)線一聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，而是三進(jìn)線兩聯(lián)絡(luò)或者四進(jìn)線三聯(lián)絡(luò)。使用繼電器備自投，每增加一進(jìn)線回路或一聯(lián)絡(luò)回路，就需要增加一堆繼電器和一堆用于控制、連鎖的電纜，造成不可靠隱患的概率上升，而使用PLC的備自投，只需要修改一下程序即可，十分便利，相對(duì)增加了配電可靠性。
隨著智能化和數(shù)字化的普及，有的項(xiàng)目擁有一個(gè)后臺(tái)系統(tǒng)（如：SCADA），PLC不僅能夠?qū)崿F(xiàn)備自投的功能，還能夠?qū)CADA所需要的數(shù)據(jù)整合在一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊，并實(shí)時(shí)更新，便于SCADA讀取。
同時(shí)，為了方便客戶使用，我們還可以將根據(jù)PLC實(shí)現(xiàn)的備自投的不同，做出若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)程序，比如標(biāo)準(zhǔn)自投自復(fù)，標(biāo)準(zhǔn)自投手復(fù)，標(biāo)準(zhǔn)三進(jìn)線兩母聯(lián)等。隨著因特網(wǎng)的普及，客戶只需要在網(wǎng)上下載相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)程序，就可以滿足自己的需要，降低了PLC的編程操作難度和人力維護(hù)成本。
綜上，隨著社會(huì)的發(fā)展，隨著工業(yè)對(duì)備自投要求以及PLC自身競(jìng)爭(zhēng)力的提高，我們可以預(yù)見PLC在工業(yè)的應(yīng)用前景將越來越廣闊。
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