阀岛技术在高压大容量试验室的应用

Application of Valve Terminal Technology

in High Voltage and Large Capacity Test Laboratories

陈国平1　郭文科2

(新疆科技学院阿克苏筹建办公室1，新疆 阿克苏　843000；国网甘肃省电力公司电力科学研究院2，甘肃 兰州　730050)

阀岛技术在高压大容量试验室的应用

Application of Valve Terminal Technology

in High Voltage and Large Capacity Test Laboratories

陈国平1郭文科2

(新疆科技学院阿克苏筹建办公室1，新疆 阿克苏843000；国网甘肃省电力公司电力科学研究院2，甘肃 兰州730050)

摘要：高压大容量试验室频繁的高电压、大电流通断试验，使试验室电磁环境复杂，不仅对搭接回路的隔离开关控制系统造成极大干扰，也对隔离开关的可靠控制提出了很高要求。分析了总线型阀岛的Profibus通信协议的可靠性和保护机制、试验室复杂电磁环境对阀岛的干扰以及各种应对干扰的处理措施，研究了在高压大容量试验室利用总线型阀岛可靠控制大量隔离开关的控制系统。根据控制对象的特殊性，设计了硬件系统和人机界面，解决了开关电器在强磁场下自动化控制困难的难题。

第一作者陈国平(1979-)，男，2012年毕业于兰州理工大学电工理论与新技术专业，获硕士学位，工程师；主要从事电气设备在线故障诊断、高低压电器测试系统、高低压电器试验技术的研究。

关键词：阀岛电器试验高压试验室隔离开关PLC大容量试验室

Abstract：The frequent high voltage, high current ON/OFF tests in high voltage and large capacity test laboratories make complex electromagnetic environment around the laboratories, and bring very large interference for control system of the isolation switches, and raise higher requirement of the reliability of the isolation switches. The reliability and protection mechanism of the Profibus communication protocol of bus type valve terminal; the interference of complex electromagnetic environment on the valve island; and various processing measures of the interference are analyzed, the control system for reliably controlling huge amount of isolation switches by adopting bus type valve terminal in high pressure and large capacity laboratories is researched. In accordance with the particularity of the control object, the hardware system and man machine interface are designed; the difficulty of automation control of switch appliances under strong magnetic field is solved.

Keywords：Valve terminalElectrical testsHigh voltage test labIsolation switchPLCLarge capacity test lab

0引言

随着现场总线技术的飞速发展，气动技术得到了广泛应用，如德国FESTO公司发明了气动型阀岛技术并引入工程应用领域。阀岛是多个电控阀构成的控制元器件，它集成了信号输入/输出及信号的控制。在带现场总线的阀岛组成系统中，每个阀岛都带有一个总线输入口和总线输出口，这样当系统中有多个带现场总线的阀岛或其他带现场总线的设备时，可以由近至远串联连接[1-2]。

利用总线连接的阀岛，由于连线的减少可以大幅度节省接线时间和设备所占空间，使得维护更为方便[3]。目前，现场总线阀岛配置了目前市场上所有开放式数据格式约定及主要可编程控制器厂家自定的数据格式约定。这样，带现场总线的阀岛就能与各种型号的可编程控制器直接相连接，或者通过总线转换器进行阀岛连接。

高压大容量试验室可以进行高压断路器、高压负荷开关、变压器类等的短路试验。不同试验项目根据具体试验要求有不同的试验回路，回路搭接一般是由数量众多的隔离开关来实现[4-7]。但高压大容量试验室频繁进行高电压、大电流的接通、开断试验，由此产生的复杂电磁干扰对隔离开关的控制造成很大影响，而隔离开关的因干扰造成的错误动作可能造成试验室的巨大损失。因此，数量众多的高压隔离开关如何安全、可靠地控制，是值得研究的课题。

1控制对象

目前，高压大容量试验室一般采用电磁阀控制气缸驱动隔离开关，而大容量试验室频繁开断高压大电流，会产生极大的空间电磁场干扰和线路上的高频干扰，电磁干扰情况十分严重。电磁阀受到电磁干扰，误动作比较频繁。国内多家电器试验室和欧洲的大型电器试验室都发生过隔离开关误分断试验大电流的事故，而这些事故大部分都是因电磁阀误动作引起的[8-10]。为抑制各种干扰因素对隔离开关控制的影响，设计了一种安全可靠的隔离开关群控制系统。系统根据气动控制系统的特性，将控制系统分为气源、气路与控制系统三个子系统。系统采用西门子S7-300为控制主设备，以Profibus-DP通信协议与阀岛通信，阀岛根据总线接到的指令，通过数字量输出模块控制气路通断，气路控制隔离开关的分合。为保证隔离开关合分状态的返回信号的可靠性，采用磁性开关来检测隔离开关的合分状态。其原理是：气缸活塞上有一磁性环，当活塞运动到磁性开关位置时(此时隔离开关可能是合闸，也可能是分闸)，磁性开关才闭合。这样隔离开关的和分闸状态信号能够可靠地返回，避免隔离开关状态错误返回。

1.1　阀岛的抗干扰

在大容量试验室，最主要的干扰是试验时开关合分闸回产生高频干扰。因开关的合分闸时间很短，一般只有几十毫秒，试验室主回路中的电流和电压会在极短的时间内发生变化，电压电流越大，干扰越大，即du/dt和di/dt越大。大容量试验室的试验主回路一般是感性回路，突然切断电流时u=-Ldi/dt，会产生极高的瞬态恢复电压，产生电场干扰。在这过程中，一般会伴随电弧放电，产生射频干扰和主要通过电源和信号线引入的传导干扰。在大容量试验室这两种干扰最为严重。

1.1.1Profibus通信协议可靠性

总线型阀岛与PLC之间的通信协议遵循Profibus协议，所有信息的传输按海明距离HD=4进行。DP从站带看门狗定时器，对DP从站的输入/输出进行存取保护。DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视，DP主站使用数据控制定时器对从站的数据传输进行监视。每个从站都采用独立的控制定时器。在规定的监视间隔时间中，如数据传输发生差错，定时器就会超时。一旦发生超时，用户就会得到这个信息。如果错误自动反应功能“使能”，DP主站将脱离操作状态，所有关联从站的输出置于故障安全状态并进入清除状态。这样即使因电磁干扰发生数据传输差错，关联从站也处于故障安全状态，隔离开关不会发生误动作。

1.1.2干扰的处理措施

干扰一般是通过连接导线由端子串入控制系统，为此使用2 mm钢板制作阀岛箱机柜，以屏蔽磁场和电场的干扰。双绞线的屏蔽层两端接地。增加双绞线和高压母线之间的距离并尽可能减少平行长度，同时，应尽可能离开避雷器和避雷针的接地点、电容式电压互感器、耦合电容器等高频暂态电流的入地点，以减少感应耦合。

为防电击或静电放电干扰，阀岛箱机柜的外壳应可靠接地。同时给阀岛可靠的工作接地，阀岛电源采用不间断电源USP供电，以有效抑制电网低频常态干扰，保证控制系统的安全连续运行。为防止气源中心(空压站)受到电磁干扰，在实验室外修建气源中心。

1.2　控制隔离开关的其他方式

最初，大容量试验室一般是直接用继电器控制隔离开关动作，但因电磁干扰严重，误动作频繁，目前已很少使用此种控制方式。20世纪初，大容量试验室一般用电磁阀来控制小气动阀的方法解决电磁干扰的问题，即利用气动阀控制气缸，以气缸驱动隔离开关动作。为减小电磁干扰，电磁阀尽量远离试验场集中安装。但这些设计无疑增加了控制的中间环节，降低了控制系统的可靠性。尤其是气动控制系统，随着设备使用年限的增加，其可靠性越来越低，维修量越来越大。

国外著名电器试验室以及国内某些电器试验室一般都采用PLC控制继电器，由继电器控制电磁阀控制气缸。这种方法采用复杂的防止电磁干扰防治措施，包括接地、屏蔽、加装滤波装置等，但是隔离开关误动作还是不能避免。国内某电器试验室改进技术，先用PLC控制，再用小电磁阀控制小气动阀，由小气动阀控制气缸。为了避免电磁干扰，将小电磁阀全部集中到屏蔽室。这种方法导致安装量增加，回路复杂，调试困难，也使得以后检修的难度增大。

2系统组成

系统采用基于Profibus-DP现场总线技术的阀岛作为气动系统中各个执行机构，进行协调工作的控制单元；采用西门子S7-300顺序控制实现继电保护运行，利用Profibus现场总线通过总线型阀岛、输入设备与上位机自由交换信息，实现远程操作和控制，以满足目前大容量试验对隔离开关安全可靠的分布式控制的要求。

2.1　系统配置

为使整个控制系统安全可靠运行，设计遵循分布式控制系统思想，即分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。系统由现场控制、数据通信系统、人机接口单元、机柜、电源等部分组成。

PLC选用西门子S7-315-2PN/DP。该PLC采用模块化结构设计，含有多种模块，可进行单独组合，使用灵活且易于维护，具有不同的通信接口。FESTO阀岛接口板选用CPX-FB13，然后根据阀岛的具体控制、返回信号配置输入输出模块。

S7-315-2PN/DP与上位机之间的通信采用高速以太网，以西门子X104-2作为S7-315-2PN/DP和上位机之间、S7-315-2PN/DP之间的通信网络。远程控制箱1RP1控制的阀岛系统图如图1所示。

图1　远程控制箱1RP1控制阀岛系统图

图1中，1VT11等为阀岛。在系统中，S7-315-2PN/DP作为主站，阀岛作为从站，3个PLC主站分别连接5、6、12个阀岛从站。系统通过总线将所有的阀岛单元连接起来，并通过总线连接到试验控制主系统。

隔离开关的状态是通过磁性开关合分返回信号的，信号返回到到阀岛数字量输入模块，阀岛通过Profibus-DP总线模块和S7-315-2PN/DP通信，把隔离开关的合分状态显示在上位机。上位机软件直接读写PLC中设置好的地址控制隔离开关合分，S7-315-2PN/DP和阀岛之间通过Profibus-DP总线通信控制阀岛数字量输出模块气路输出，以气缸驱动隔离开关的合分。

2.2　硬件组态

阀岛1VT1连接的隔离开关状态及控制输入输出地址分配表如表1所示。

表1　阀岛1VT1输入输出点数分配

Step7是用于Simatic S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，其具备强大的编辑处理功能，并提供方便的组态复杂控制系统的能力，易于组态，易于使用。利用Step7软件对阀岛系统进行硬件组态时，需要先导入FESTO公司提供的GSD文件，然后根据阀岛配置的输入输出模块、总线接口等进行组态。

2.3　阀岛和S7-300的通信

阀岛与S7-300以Profibus-DP协议通信。该协议明确规定了用户数据在总线各站之间传递方式，Profibus行规中具体说明了用户数据的含义。该协议也支持不同厂商所生产的不同设备互换使用，与应用有关的含义在行规中均作了精确的规定说明。

Profibus的传输速率为9.6 kbit/s～12 Mbit/s，最大传输距离范围：在9.6~187.5 kbit/s时为1 000 m，500 kbit/s时为400 m，1 500 kbit/s时为200 m，3 000 kbit/s~12 000 kbit/s时为100 m，可用中继器延长至10 km。精确测量各个阀岛到PLC的距离，最远距离约200 m。考虑到最远的阀岛同PLC中间隔了11个阀岛，信号在阀岛的输入输出接口都有衰减，因此，将系统Profibus-DP的传输速率设为187.5 kbit/s，以保证正常通信。而PLC[11-12]和阀岛之间的传输介质选用双绞线，最多可挂接127个站点，完全满足系统需要。

3人机界面

人机界面又称用户界面或使用者界面，是人与控制系统交换信息的媒介和对话接口，是控制系统的重要组成部分，是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介。

本系统采用组态王作为上位机人机交互软件，它提供了丰富的、简捷易用的配置界面。以组态王为上位机软件开发发电机组系统的控制软件是中文界面，具有人机界面友好、结果可视化的优点，能够动态显示主系统图，真实显示隔离开关的合分状态位置，并且对历史数据自动进行存储。同时，可以通过上位机软件直接控制隔离开关的合分，方便操作，安全直观。

4结束语

基于阀岛技术的隔离开关群控制同常规电磁阀相比，减少了功耗，故障诊断迅速，系统可靠性提高，运行成本降低。该系统的体系结构具备开放性特点，当现场设备变化时，系统可方便地修改控制方式和扩充控制设备的I/O点。系统在恶劣的试验环境下具有高度的可靠性，维修方便、工艺先进，非常适宜在电磁环境复杂的高压开断试验室工作。控制系统在功能和物理上真正分离，系统内任一组件发生故障，均不会影响整个系统的工作。系统的参数、报警、自诊断及其他管理功能均在上位机实现，成功解决了开关电器在强磁场下自动化控制困难的难题。系统已在相关检测机构和电器开关的自动化控制等强磁场环境得到应用。

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中图分类号：TP29

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501009

修改稿收到日期：2014-06-26。