基于PLC的备用电源自投系统

　摘要:本文介绍了西门子S-200可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）在备用电源中的应用。PLC采集一次设备的正常运行状态信号,作为备用电源自动投入的启动条件和闭锁条件,通过编程来实现不同的功能,以适应不同的运行方式。与继电器组成的备用电源自动投入装置相比,该方案具有可靠性高、接线简单、控制灵活、调试方便和投资小等优点。因此，可编程逻辑控制器在电力系统自动化领域中得以广泛应用。

关键词:可编程逻辑控制器PLC备用电源 西门子S-200

1 前言

备用电源自动投入装置的背景及意义：

变电站站用电源备自投系统可以在两路站用电源任一路供电中断的情况下，自动迅速切换至另一路站用电源供电，保证对变电站站用负荷的不间断供电。因此，变电站站用电源备自投系统对变电站的安全稳定运行至关重要。早期的变电站站用电源备自投系统大多基于继电器型装置(即采用继电器搭接控制电路)，线路复杂。经长期运行后，此类备自投系统故障率高、检修维护工作量大，已很难满足电力设备自动化的需要。为此，设计了基于PLC的变电站站用电源备自投系统。通过PLC程序实现对变电站站用电源备自投系统的控制。实际运行结果表明，该备自投系统智能、可靠、灵活、安全，完全满足变电站现场实际要求。

2 备用自投能源系统的发展及现状

同继电保护装置一样，备自投装置经历了从电磁型、整流型、晶体管型、集成电路型到微机型的发展历程。电磁型备自投装置主要由低电压继电器、时间继电器、中间继电器、开关辅助接点等组成，接线简单，维护方便，容易掌握，一定范围内能够满足控制要求，因而在20世纪80年代得到了广泛的应用。但是，电磁型备自投装置也有着明显的缺点：设备体积大，寿命短，动作速度慢，功能少，程序不可调。20世纪80年代中期到90年代初期，出现了整流型和晶体管型备自投装置，具有体积小、功率消耗小和防震性能好的优点，但功能与电磁型备自投装置基本相同。集成电路型备自投装置作为向微机型备自投装置过渡的产品，还没有来得及大面积推广应用，就被性能更为优越的微机型备自投装置所取代。

所以在发电厂厂用电和变电站中,当工作电源因为故障或不正常情况而被继电保护装置切除时,备用电源自动投入装置可以及时的将备用电源投入，从而保证了电源的可靠性.备用电源自投装置可以有效地提高供电的可靠性,而且本身的实现原理简单，费用较低所以在发电厂和变电站及配电网络中得到了广泛的应用。又因为我国电能需求较大，对比国外我国大都是火力发电，变电站的供电可靠性显得更加重要。备用能源自投系统得到了广泛的应用，是电力部门为保证用户连续可靠用电的重要手段。

2.1 基于微机备用电源自动投入装置的研究应用

备用电源自动投入装置的作用是当正常供电电源因供电线路故障或电源本身发生事故而停电时，它将负荷自动、迅速切换至备用电源上，使供电不至中断，从而确保正常运行，把停电造成的经济损失降到最低程度。这种装置简称为APD 装置。在缺电的地方，越来越多的用户使用双电源，APD 装置在经济发展中发挥了重要的作用。

大、中型工厂变电所主变压器低压侧常采用单母线分段的运行方式。将PLC应用于单母线分段联络断路器的备用电源自动投入装置中，可提高供电系统的可靠性。

过去，设计使用的APD 装置均由传统的继电器来实现，这种类型的APD 装置因设计不完善，继电器多、触点多，或继电器本身存在的问题，发生振动或误动故障率较高。近年来，由于微机综合继电保护、微机APD 装置的不断完善与快速发展，微机备用电源自动投入装置以快速发展并发挥它的作用。

微机APD 装置与传统的继电器式A P D 装置相比有如下不同的特点和优点：

（1）装置直观简便：连线少，占据空间小，微机A P D装置可以在线查看装置全部输入量和开关量，以及预设值、瞬时采样数据和大部分事故分析记录。显示屏实时显示相关运行数据，并可调节。

（2）可靠性高：采用了先进的电磁兼容性（E M C ）设计技术，新型抗电磁和尖脉冲干扰器件，mPC 器件、软件上采用了冗余、容错、数字滤波等技术精度高，免校验：精度均由软件调整、全数字化处理和接点信号系统。

（3）智能化程度高，自适应能力强：通过面板或软件可设置和修改T V 、T A 变比、量程、接线方式、保护定值、定值越限触发等参数，保护功能均设有软压板，可根据现场需要投退，出口继电器均为可编程输出，所有设置参数断电后能保存10 年。

（4）综合功能强：装置既可通过通讯口连成网络系统，接受主站监控，又可脱离网络独立完成各项功能，任一装置故障均不会影响其他设备，从而保证了整个系统的高可靠性。

（5） 微机备用电源自动投入的核心是CPU，利用软件实现BZT逻辑，代替了机电式装置，具有和好的信息处理能力和记忆功能。同时也简化了接线，使检修重点由复杂的配线和电压继电器的调试转向BZT的理论研究。

（6） 微机BZT就收得信号多，利用软件进行综合逻辑判断，解决了以往触点配合不好，BZT拒动、误动现象，提高了BZT正确动作率。

（7） 微机BZT能实现常规BZT很难实现的自动纠错功能，即自动识别和排除干扰，防止由于干扰而造成的误动作。

（8） 微机BZT采用通用的硬件构成，不同的BZT方式由软件决定，因此，只需要改变软件就可以得到不同方式的BZT，维护非常方便。

（9） 微机BZT具有显示功能，人机界面友好，能记录BZT的动作信息，特别是BZT动作时间，利于事故后分析。

（10） 微机BZT的实现过程更接近于理论，使BZT逻辑通过软件编制，避免了大量的电磁继电器来模拟BZT逻辑具有质的飞跃。

根据运行经验，APD 装置只有满足下列基本要求才能更好地发挥它的作用：

（1）APD 装置必须在工作电源失去电压或电压很低时、而备用电源正常时投入。

（2）APD 装置应该保证停电时间最短，使电动机容易自起动。

（3）APD 装置只应动作一次，以免在母线或引出线上发生持续性故障时，备用电源被多次投入到故障元件上，造成更严重的事故。

（4）APD 装置应在工作电源失压后，不论其断路器是否已断开，装置自投起动延时到跳开工作电源断路器，并确认该断路器在断开后，自投装置才能投入。这样可以防止因工作电源在其它地方被断开，A P D 装置合于故障或备用电源倒送电的情况。

（5）当电压互感器的熔断器熔断，二次断路器保护跳开，或拉开电压互感器刀闸或退出电压互感器手车，常用电源因负荷侧故障被继电保护切除时，AAPD 装置均不应动作，APD 装置还通过进线断路器电流检测，在进线侧无压无流的情况下，APD 装置才动作。

（6）当备用电源无电压时，APD 装置不应动作。

（7）APD 装置应躲过因任何原因引起母线电压下降的时间，这种情况是指母线电压在短时间内恢复正常，因而要求APD 装置延时时限应大于最长的外部故障切除时间。

（8）微机APD 装置必须有低电压启动模块和无流检测启动模块。

微机式备用电源自动投入装置大都采用16位或32位微处理器，配置大容量的存储器RAM和Flash Memory存储器，在软件中，其动作逻辑是通过对允许条件及闭锁条件的配置来实现的，而不是由二次回路的接线来完成，判断一次运行方式，给与这种一次运行方式对应的动作逻辑充电，然后检查该逻辑的允许条件和闭锁条件是否满足，从而产生相应的动作行为。

微机式备投装置在软件中设计了充电器及相应的充电逻辑，来代替传统的脉冲合闸继电器的功能，确保备自投不会出现多次动作的情况。即使在手动分闸或相应保护跳闸需要闭锁备投，而闭锁接点动作后又返回的情况下，微机式备投装置也不会误动作，因为闭锁接点对充电器放电后，如某动作逻辑的允许条件满足，则该逻辑的充电逻辑将始终被闭锁。某些产品是这样设计的，将备投闭锁接点的输入设置为脉冲输入，即将闭锁信号保持直至手动对装置复归，这虽然能够解决上述问题，但要求在备投动作后、手动操作后或相应的闭锁备投的保护装置动作后，对备投装置手动复归，增加了运行人员的操作步骤和可能出现错误的机会。

2.2 基于PLC的备用电源自动投入装置的研究应用

BZT逻辑决定于主接线方式、电源性质和容量、负荷重要性等因素。将PLC应用于备用电源自动投入装置后,不仅使得可靠性和稳定性有了较大的提高,更为重要的是,用软件编程代替了传统的硬件接线图之后,当实际情况要求系统在某方面的功能进一步改进时,工作人员只需修改软件程序即可,而不是像以前那样,必须对复杂的硬件接线图进行重新布线。这样就省去了大量的人力物力,使得该装置能随实际情况,很方便地进行改进。

备自投装置的硬件框图如图1所示:

　　图1 备用电源自动投入硬件框图

模拟量输入信号先经由电压形成、低通滤波、采样保持、多路切换等元件组成的模数转换通道,将模拟量转换成数字量再送到PLC。输入开关量经光电隔离元件隔离,再经并行口输入。输出信号中控制断路器跳闸或合闸的信号，经光电隔离元件送到出口继电器,由出口继电器接点执行断路器跳闸或合闸操作。输出数字量为变电站的一些重要运行参数。

由于PLC具有数据处理和逻辑判断的功能,使PLC型备自投装置不仅能完成备自投装置规定的操作,而且能在操作时考虑系统运行情况以及系统的其他操作要求,装置可通过显示窗口显示变电站主要设备的运行情况。另外,对装置的调试维护也很方便,通过离线仿真可以测试软件,不影响设备的安全运行,而且可以通过改变程序来适应不同的运行方式。装置本身具有很强的抗干扰能力,使其可靠性高于电磁型装置。PLC的通信功能为实现变电站综合自动化创造了条件。

2.3 基于远方备用电源自动投入装置的研究应用

常用的备用电源自动投入装置,在两电源线路之间串接的2 个变电站开环运行时,只能满足在开环处变电站具有自动投入的功能,另一个变电站上级电源线路故障无法自投。本装置具有通信功能,可以与其他变电站的远方备用电源自动投入装置交换信息,更能够根据多个协调变电站之间联络线路及电源进出线路的电流、电压和开关位置等信息,实现多个变电站之间的备自投,大大地提高了供电可靠性、灵活性。

图2 远方备用电源自动投入装置框图

远方备用电源自动投入装置硬件结构如图2所示。

从物理结构和功能上可分为信息采集单元、综合控制单元、执行单元、通信监控单元和通信通道,整体集成在1 个箱体内。信息采集单元负责采集当地变电站的有关信息。综合控制单元是装置的数据交换和控制中心,它负责从信息采集单元和通信监控单元获取数据,进行综合处理和发出指令。执行单元负责执行综合控制单元发来的动作命令。通信监控单元负责接收对侧远方备自投装置传来的有关信息,并将本侧有关数据信息发送给对侧远方备自投装置。通信通道是数据和信息传递的通道,采用光纤或专用通道。

(1)信息采集单元

信息采集单元主要是状态量采集。采集变电站进出线路开关位置量,也可增加刀闸位置量。对母线电压、线路电压和电流等交流量,设置继电器用定值转化为状态量。1 个单元可配置64 块模板,1个模板可采集16个状态量,采集周期2ms。

（2）综合控制单元

综合控制单元采用镶嵌技术的80486 为主CPU ,4M内存。主要完成系统的人机界面处理、数据库管理、规约处理、逻辑判断和系统检测等管理功能。它通过对信息采集单元和接收通信控制单元获取的数据,进行综合分析判断,给执行单元发送命令,还要把通信通道实时检测异常和装置告警信息及时传送给调度中心。必须同时接收到本侧和对侧的信息才能进行分析判断,当通道或对侧装置异常时,将自动闭锁,有效地防止装置误动。装置的人机界面采用大屏幕液晶显示器和84 键盘,全汉化菜单方式,可方便现场参数设置(定值输入/ 输出) 、实时数据显示信道和系统状态监视及维护工作。综合控制单元还具备GPS 统一对时、远方投停和改变定值等功能,满足无人值守变电站的要求。

（3）通信控制单元

通信控制单元中CAN 网络管理器由一块CPU独立完成,通过大容量双口RAM实现数据通信。可同时提供8 路高速串口,支持多通道、多规约、多通信方式的通信。装置设置了数字口和内置Modem ,实现2 个变电站备自投装置的通信。在正常情况下,两侧装置信息巡测交换时间在2 s 内;当发生异常状态量变位时,可优先传送。在保证装置之间通信的前提下,还将装置有关信息上传调度SCADA 系统,方便调度员对装置的管理。

（4）执行单元

执行单元主要完成分、合闸、闭锁有关保护等。每块模板标准输出6 对无源接点,包括2 对分闸、2 对合闸和2 对闭锁接点。接点容量DC 220 V ,5～10 A。

远方备用电源自动投入装置应成对使用,分别安装在2 个变电站,实时检测当地和远方变电站的有关数据和信息,主要是开关位置、母线电压、线路电压和电流等,通过对数据信息进行综合分析和逻辑判断,发出有关开关的跳、合闸命令,实现远方备用电源自动投入。远方备用电源自动投入装置在使用时应注意以下几点:

（1）网络应该具备环网运行条件;

（2）远方备自投装置动作时间与线路保护动作时间相配合, 应躲过线路保护Ⅱ段动作及重合闸时间;

（3）远方备自投装置必须成对使用,两站设备投停做到一致。

具有远投功能的备用电源自动投入装置其实就是普通站内BZT装置功能的扩展,然而,它却完成普遍BZT装置所不能完成的功能。从技术上说 , 它最关键的是使用了远程通信技术，所以它的使用范围主要取决于其通信接口的能力 , 因此 , 在设计时必须考虑要能适应电力系统现有的各种通信方式。它的应用场合 , 除了农村电网用之较多外 , 在城市电网向其目标网架过渡时期里也常会得到应用。

2.4 本文的主要工作

结合国内外关于备用电源自动投入装置的研究，了解备用电源自动投入的发展前景以及研究意义、理解备用电源自动投入装置的实现逻辑、应用学校实验室西门子系列PLC实现对备用电源制动投入的控制。

3 备用电源自动投入的实现

3.1 备用电源自动投入装置的要求

根据电网运行经验, 备自投只有满足下列基本要求才能更好地发挥作用。

（1） 备自投装置必须在具有备用电源的工作母线因任何原因失去电压时动作。

（2）备自投装置应该保证停电的时间最短, 使电动机的自起动容易一些。

（3）备自投装置只应动作一次, 以免在母线或引出线上发生持续性故障时, 备用电源被多次投人到故障元件上去, 造成更严重的事故。

（4）备自投动作投于永久性故障的设备上, 应加速跳闸。

（5）当电压互感器的熔断器熔断时, 备自投不应动作。

（6）当备用电源无电压时, 备自投不应动作, 因为动作是没有效果的。

（7）备自投装置应在工作电源确已断开后, 再将备用电源投人。其目的在于工作。

电源发生故障的情况下, 不致在备用电源投人后, 由备用电源经过母线来供给故障点电流以及其他一些电网所禁止的特殊运行方式[2]。

3.2 备用电源自投的典型接线与实现方式

备自投的主要形式有：桥备投，分段备投，母联备投，线路备投，变压器备投。

(1)若正常运行时，一台主变带两段母线并列运行，另一台主变作为明备用，采用进线(变压器)备自投;若正常运行时，，两段母线分列运行，每台主变各带一段母线，两段母线互为暗备用，采用分段备自投。

(2)若正常运行时，一条进线带两段母线并列运行，另一条进线作为明备用。采用进线备自投;若正常运行时，每条进线各带一段母线，两条进线互为暗备用，采用分段备自投。

#1分段备自投

　　#2桥备自投

　　#3变压器备自投

　　#4进线备自投

　　3.2.1 备自投的实现方式

（1）若正常运行时, 1DL、3DL在运行,2DL作为备用。当1DL进线电源因故障或其他原因被断开后, Ⅰ段进线失电, 经延时, 再确认1DL跳开后, 合上2DL, 保证两段母线不停电, 馈线可靠供电[3]。

（2）1DL、3DL在运行,2DL作为备用。当Ⅰ段母线无压、#1进线无流, Ⅱ母线有压则经延时后跳开1DL, 确认跳开后合上2DL。同样保证两段母线的不停电。

（3）若正常运行时, 1DL、2DL各带一段母线分列运行, 3DL作为备用。当1DL进线电源因故障或其他原因被断开后, Ⅰ段进线失电, 经延时, 再确认1DL跳开后, 合上3DL, 由2DL带两段母线运行, 馈线可靠供电。

（4）若正常运行时, 1DL、2DL各带一段母线分列运行, 3DL作为备用。当Ⅰ段母线无压、#1进线无流, Ⅱ母有压则经延时后跳开1DL, 确认跳开1DL后合上3DL。同样由2DL带两段母线运行, 馈线可靠供电。

　3.2.1 备用电源自动投入成功的几个要素

根据备用电源自动投入装置的基本要求, 备自投的成功与否和系统的运行方式有很大关系。对于低压用户而言, 只需考虑其供电可靠性即可, 因此可采用1DL、2DL、3DL之间的开关辅助接点作为判据。对于较为复杂的系统和对电源要求较高的用户而言,不单需要有电, 还对主、备电源的质量有较高的要求, 因此除了辅助接点作判据外, 还需在两条电源进线分别装设低电压判别元件作为辅助判据。其中在主电源进线侧为低压判别元件, 为了避免系统发生短路造成的短时间内工作母线电压降低而误将务用电源投人, 应尽可能将该元件的整定值放低一些, 以使其反应短路的范围缩小同时还应避免因负荷自起动引起的电压降低而使备用电源自动投入装置误动作。备用电源自动投入成功的一个重用标志同时也是采用备自投的目的是保证供电的可靠性, 因此只有在备用电源的电压运行于正常允许范围, 或备用设备处于正常的准备状态下, 备自投装置进行动作才有实际运用的意义。在备用电源上采用有压判别元件来确定备用电源是否有电压, 当备用母线电压低于允许的电压范围时, 则不允许自动投人装置动作。

3.3 备用电源自动投入的供电方案

3.3.1 供电方案要求

工厂总降压变电所的由两回线路供电，电源1、2不并列运行，变压器T1、T2型号和容量相同且互为暗备用，T1、T2装设电流速断和过流保护装置。正常运行时Ⅰ、Ⅱ段母线分段运行，若某回路电源因故障停电时，则由备用电源自动投入装置先切除该回线路上的进线断路器，再合上低压侧母联断路器，由非故障线路向Ⅰ、Ⅱ段母线上的所有负荷供电。

　3.3.2 供电方案运行方式

一个变电站的运行方式是多变的，要具体分析需要自动投入的方式，按需要设计。

一般情况下，环网中开环的变电站最基本的检无压备用电压自动投入方式有三种：

双母线分列运行，任一母线失压，对应的进线无电流，根据故障前次线路的功率大小，决定是否切除部分负荷后，切除原供电线路开关，自动投入。

进线甲开环，负荷由进线乙供电。检测到变电站220KV母线失压，且进线乙已无电流。再检测比较进线乙故障前的公路大小是否大于整定值，如大于整定值，切除适量负荷和切除进线乙开关后，自动投入进线甲开关。

进线乙开环，负荷由进线甲供电。进线甲、乙开环方式呼唤，自动投入开关相应改变，原理相同。

如果装置只有单一的自动投入方式，当运行方式改变后，将失去备用电源自动投入功能，达不到提高供电可靠性和稳定控制的目的。

电源1和电源2不并联运行，变压器T1和T2型号和容量相同，且互为暗设备，T1和T2装设电路速断和过电流保护装置。变压器低压侧采用单母线分段接线，正常运行时QF1和QF2闭合，QF3断开，I段和II段母线分段运行，若某回路因故障断电，则由备用电源自动投入装置先切除设备回路上的进线断路器，再合上QF3，由非故障线路向I段和II段母线上的全部负荷供电。

　　图3 主回路电路示意图

3.4 缩短备用电源自动投入装置的投入时间

传统的备用电源自动投入装置,在工作电源线路发生瞬时故障时,由线路重合闸恢复供电,时间长短决定于保护动作和重合闸时间;在工作电源线路区内发生永久故障时,线路重合闸动作重合不成,再由备用电源自动投入装置跳开工作电源线路开关,合上备用线路开关,其恢复供电时间比发生瞬时故障还要长。发生瞬时故障时,工作电源线路对侧开关经过分(切除故障) —合(带故障时没有甩掉的负荷合闸)；在工作线路区内发生永久故障时,工作电源线路对侧开关经过分(切除故障) —合(重合到故障) —分(切除故障) ,本侧工作开关经过空分(最大潜供电流) ,备用开关经过带负荷合闸(故障时没有甩掉的负荷) 。

按照新的整定原则,备用电源自动投入装置恢复供电的时间,小于工作电源线路发生瞬时故障依靠重合闸恢复供电的时间,且不受工作电源线路故障类型的影响。发生瞬时故障时,工作电源线路侧开关动作不变,本侧开关和备用开关增加空分(最大潜供电流) 和带负荷(故障时没有甩掉的负荷) 合闸;在工作线路区内发生永久故障时,各侧开关动作过程不变。

4 PLC硬件电路设计

4.1 S7-200系列可编程程序控制器及其基本指令

S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。

1．基本单元

S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用，其输入输出点数的分配见表3-1：

表4-1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元

2．扩展单元

S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数，S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表3-2所示。

表4-2 S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数

3．编程器

PLC在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。S7-200系列PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。

简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP7-Micro/WIN。

4．程序存储卡

为了保证程序及重要参数的安全，一般小型PLC设有外接EEPROM卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入PLC，也可将PLC内的程序及重要参数传到外接EEPROM卡盒内作为备份。程序存储卡EEPROM有6ES 7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8GD00-0XA0两种，程序容量分别为8K和16K程序步。

5．写入器

写入器的功能是实现PLC和EPROM之间的程序传送，是将PLC中RAM区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将PLC中程序存储卡中的程序通过写入器传送到RAM区。

6．文本显示器

文本显示器TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。文本信息的显示用选择/确认的方法，最多可显示80条信息，每条信息最多4个变量的状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。TD200面板上的8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。

1．一般性能

S7-200 CPU224的一般性能如表3-3所示。

表4-3 S7-200 CPU224一般性能

2．输入特性

表4-14 S7-200 CPU224输入特性

3．输出特性

表4-15 S7-200 CPU224的输出特性

4.2 输入输出接线图

备用电源自动投入装置的PLC输入、输出点分配如图13所示,共用10个输入点X400-X409，KV11和KV12为接入TV1上的不同相电压上的电压继电器，KV11和KV12的触点串联使用是防止因TV1的熔断器熔断而误操作。KV21和KV22为接入TV2上的电压继电器，其作用与KV11和KV12类似。用了6个输出点，KC1，KC2和KC3分别为QF1，QF2和QF3的合闸继电器，KC4，KC5和KC6分别为QF1，QF2和QF3的分闸继电器。

　　图3.1 S-200输入输出接线图

4.3 PLC输出与断路器控制器

断路器QF1，QF2,和QF3的分、合控制分为手动方式和自动方式，由SA11、SA21和SA31分别切换，不论是手动方式还是自动方式，断路器QF1、QF2和QF3都有一个被闭锁而不能闭合，以保证两路电源不并联运行，如图所示，SA12、SA22、SA32分别为QF1、QF2、QF3的手动台控制开关，KC1、KC2、KC3和KC4、KC5、KC6分别为分、合继电器。KP1和KP2分别为主变1和主变2的保护继电器出口，KP3为母线分段断路器继电保护出口。KL1、KL2、KL3为防跳继电器。SA31控制开关在自动位置则备用电源自动投入装置处于运行状态。在手动位置时，则备用电源自动投入装置退出运行状态。当备用电源自动投入装置处于运行时，若QF1跳闸，由QF3的控制回路知QF1的辅助常闭触点合闭，当QF2处于闭合状态时，可使QF3的合闸线圈Y03得电使QF3闭合，备用电源投入使用。反之，若QF2跳闸，备用电源也会投入使用。

　　图4.2 断路器的控制原理图

4.4 I/O分配表

5 备用电源自动投入的软件设计

5.1 程序设计流程图

PLC内部有许多辅助继电器，这类辅助继电器的线圈与输出继电器一样，有PLC内的各种软元件的触点驱动。辅助继电器也有无数的电子常开和常闭触点，在PLC内可随意使用。但是，该触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动要通过输出继电器进行。输入端子是PLC从外部开关接收信号的窗口。输出端子是PLC向外部负载发送信号的窗口。输出继电器的外部输出用触点（继电器触点、晶闸管、晶体管等输出元件）在PLC内与该输出端子相连，有无数的电子常开触点和常闭触点，可在PLC内随意使用。

　　图5.3 程序流程图

5.2 程序设计梯形图：

直接用输入信号去控制输出信号，增加一些中间环节、辅助元件和辅助触点实现记忆、联锁、互锁等功能。以满足系统的输出信号和输入信号之间的关系以及它们对联锁、互锁的要求。

1启动停止

　　图5.1 启动

2一号线正常指示灯亮

　　图5.2 一号亮灯

3一号线正常运行，一号线正常指示灯

　　图4.3一号线运行亮灯

4二号线正常运行，二号线正常指示灯

　　图5.4 二号线运行

5QF1开关线圈

　　图5.5开关线圈

6一号线失压，QF1开关线圈关闭，一号线失压指示灯置位，一号线正常指示灯置0.

　　图5.6一号线失压

7一号线失压，二号线正常指示灯亮起

　　图5.7二号线亮灯

8一号线正常，QF3开关线圈置0，QF1开关线圈置1，一号线失压指示灯亮起，一号线正常指示灯熄灭

　　图5.8一号线灯亮

5.3 调试与仿真

依靠 I/0 表，对 CPU226、输入/输出模块、电源进行接线。将计算机与 CPU226

取得通信，编译及下载梯形图至 PLC，对备自投系统进行调试与仿真。打开

程序状态监控观察所编写的梯形图是否能够满足课题要求。

在调试与仿真过程中,将一号线与二号线用按键和灯来表示，当PLC开始运行时，一号线灯亮。一号线出问题时，二号线灯亮。

　　图5.9 调试与仿真

6 组态监控系统设计

6.1 组态王的基本介绍

组态王6.55是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了亚控科技自主研发的工业实时数据库的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。

组态王保持了其早期版本功能强大、运行稳定且使用方便的特点，并根据国内众多用户的反馈及意见，对一些功能进行了完善和扩充。组态王6.55提供了丰富的、简捷易用的配置界面，提供了大量的图形元素和图库精灵，同时也为用户创建图库精灵提供了简单易用的接口。

此监控系统由组态王6.55工控组态软件实现。 它主要由三个部分组成，分别是：

（1）工程管理器：在此界面可以新建、删除、搜索某个工程，能够设置工程属性，能够将工程切换至工作状态。

（2）工程浏览器：在此可以设计工程画面，编写命令语言，设置设备参数。

（3）运行系统：在此可以呈现动态画面，进行相关操作。

6.2 组态王画面的制作

首先双击桌面图表进入组态王工程管理器界面，如图5.1所示，接着点击新建，创建一个新的工程，随后双击新创建的工程，进入组态王工程浏览器，如图所示。

　　图6.1组态王工程管理器

　　图6.2 工程浏览器

在工程浏览器中，双击新建，创建一个新的画面，进入开发系统，如图5.2所示。

　　图6.3 开发系统

在开发系统中，使用工具栏进行绘制，最后绘制出最终画面。如图5.4.

　　图6.4基于PLC的备用电源自投系统

6.3PLC与组态王的联调

6.3.1数据词典的自定义变量

　　图6.5 数据词典

由于实验室条件有限，需要设置一些内存整型变量，设置一部分组态王内部程序，使其功能能够在组态王内实现。

　6.3.2 PLC与组态王联调设置

　　图6.6 配置向导

如图5.7，单机左边设备，双击新建，选择西门子，选择S7-200系列（USB），选择完成后，点击下一步，进入逻辑名称设置界面，如图5.8所示，此处我设置为dx，这是可以根据个人意愿随意设置的，设置好后点击下一步。

　　图6.7 逻辑名称

　　图6.8串口号选择

如图5.9，进入串口号选择界面，选择COM1，点击下一步，进入设置地址界面，如图5.10所示，在此界面需要设置2:0，2表示地址，0表示波特率，需要与PLC中的地址和波特率相同。

　　图6.9设置地址设置指南

　6.3.3PLC与组态王联调画面

首先，基于备自投的结构上我在PLC的程序中加入了几个功能;

1 假设QF1,QF2出现故障，那么备自投将自动从一号线转变成二号线.

我按下QF1,QF2那么组态王模拟将自动从一号线转变成二号线。

　　图6.10启动画面

　　图6.11 故障画面

2 如果一号线回复正常的话，系统将自动从二号线回到一号线

　　图6.12 正常画面

3由于联调要求我从组态王页面按下QF1,QF2系统也会自动从一号线变到二号线

　　图6.13 故障画面

4如果一号线回复正常那么在组态王上手动点击一号线正常，PLC会自动转换到一号线的亮灯

　　图6.14正常画面

结 论

本文通过对备用电源自动投入有关知识的阐述，了解了备用电源自动投入的重要性。另外，对各种备用电源自动投入装置的比较，让我们知道使用何种装置更加可靠、何种装置更加经济、何种装置更加方便等等。

最后，介绍了西门子S-200PLC的有关知识，并且通过PLC成功的控制了备用电源的自动投入。

本文通过以上的研究和设计，得出以下结论:

（1）本文对各种备用电源自动投入装置，比如传统备用电源自动投入装置，基于微机备用电源自动投入装置，基于PLC备用电源自动投入装置等几种装置进行了比较，分析了各种装置的优缺点，以便于更好的运用各种装置对备用电源的控制[18]。

（2）通过对备用电源自动投入的各种介绍，了解了备用电源自动投入的典型接线以及它的实现方式。另外，要用装置控制备用电源的自动投入，就必须发给装置的失压信号，所以，失压判别是备用电源自动投入的前提。本文分析了各种失压的情况，使备用电源能够正确并且成功的投入。

（3）通过PLC成功的控制备用电源的自动投入，相比于传统的继电器——接触器的控制装置，PLC可以通过程序的修改来实现不同的控制功能。

致 谢

首先诚挚的感谢我的毕设指导老师。老师从选题指导、论文框架到细节修改，都给予了我细致的指导，提出了很多宝贵的意见与推荐，老师以其严谨求实的治学态度，高度的敬业精神，兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。

感谢教过我的所有老师们，你们严谨细致、一丝不苟的作风一向是我工作、学习中的榜样。

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感谢我的家人，长久以来他们对我默默的关怀和支持给予了我巨大的动力，在使我顺利完成学业的同时，更使我清晰地看到了将来事业的发展方向，这片亲情和爱护我将终身不忘。

感谢大学四年来陪伴在我身边的同学、朋友，感谢他们为我提出的有益的推荐和意见。

参 考 文 献

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基于PLC的备用电源自投系统

价格 ¥9.90 发布时间 2023年8月24日

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