基于可编程控制器的试品控制电源研制

胡新明，陈国平

(1.甘肃电器科学研究院，甘肃 天水 741018;2.新疆科学技术学院 阿克苏筹建办公室，新疆 阿克苏 843100)

0 引言

随着社会的不断发展，我国电力系统容量不断增加，短路时故障电流也相应增大，因而对电力系统中的断路器、成套设备等关键设备进行短路开断能力的验证至关重要［1］。试验室对试品进行相关试验，配置高质量，安全可靠，使用方便，输出精度高的试品控制电源是一个必要条件［2-5］。

为此设计一种适用于高压大容量试验室的试品控制电源系统，采用可编程控制器作为核心控制器件，具有输出电源的智能控制、系统交直流电压的实时监测，触摸屏就地和远程控制功能，能够以RS232、RS422、RS485接口连接采集模块触摸屏等设备，采用Modbus等方式通讯，该电源可输出交流AC 0 V～430 V、直流四路DC24 V、DC48 V、DC110 V、DC220 V和较大容量的二路DC110 V、DC220 V电源。可调范围大、输出容量高、升压速度快、输出电压精度高。

1 试品控制电源对开断试验的影响

高压断路器是电力系统中最重要的设备之一，也是大容量试验室试验的主要试品。控制回路中的电源电压波动将直接影响断路器的合分闸动作时间，但是影响断路器动作时间的因素很多，且难以量化分析，因合分闸线圈是一个电磁铁机构，而电磁铁的动作特性和电压、电流有一定的函数关系，即t=f(u，i)。可以认为试品电源的输出电流和电压对断路器动作时间有影响［6］。

对于断路器，控制电源须选择合适的容量、自动化程度高、供电质量高、可靠性高、使用维护方便。对于直流电源则要求直流纹波系数小、对交流输入电源要求范围宽，在输入电源波动较大或严重不平衡时，仍能输出稳定的直流电，以保证合分闸时能保持电压、电流稳定。

2 试验电源系统参数

2.1 试品控制系统电源

见表1，一般10 kV～40.5 kV高压断路器操动系统控制电源分为交流、直流二种，有永磁机构、电磁铁控制的气动和弹簧储能机构等。直流电源一般是直流屏供电，铅酸蓄电池作为能量来源，其纹波系数比直接整流供电等其他方式供电小。本系统使用DC24 V、48 V、110 V、220 V直流屏充电模块作为电磁铁控制直流断路器的控制电源，以真实模拟变电站的使用环境。

2.2 直流电源参数

电磁铁机构的断路器控制直流电源采用充电模块供电，其采用谐振电压型双环控制的谐振开关电源技术，具有体积小、重量轻、效率高、可靠性高等优点。配有标准 RS-485接口，易于与自动化系统对接，适用于各类变电站、发电厂及水电站。具体参数。

表1 输出电源电压电流表

输入:AC380 V±20%;(三相三线)效率:≥95%;功率因数:≥0.93;稳压精度:±0.5%;稳流精度:±0.5%;纹波系数:≤0.1%。

3 试验电源系统结构

3.1 试品电源主回路

试品电源主回路输入是三相四线AC380 V，通过断路器和继电器连接高频电源充电模块、调压器、多分接变压器，形成四路较小容量的直流输出，应用于电磁机构合分闸操作，二路较大容量的直流输出，应用于高压永磁断路器的合分闸操作。系统主回路如图1所示。

图1 试品电源系统主回路

3.2 电源参数采集系统

在输出交流电压时，需要对交流调压器电压调节进行闭环控制，以控制调压器的电压精确输出，调压器的输出电压采用交流参数采集模块实时检测。该模块能将采集到的交流参数信号转换，一路RS485接口，以Modbus RTU协议同PLC通讯。

在用充电模块输出直流电压时，充电模块的输出直流电压通过直流电压变送器将直流电压信号转换，把转换后的电压信号送至PLC，通过对采集到的电压和设定电压的比较，PLC可通过充电模块配的标准RS-485接口以Modbus RTU协议通讯对模块的输出直流电压进行一定范围的调节。

3.3 试品电源控制

3.3.1 输入输出点分配

对电源的继电控制主要是通过继电器的合分，控制电源的输入输出，对系统的功能仔细分析之后，将直流整流电源110 V输出返回信号等九个返回信号作为开关量输入点，按照表1分配输入设备和地址。将KMA1合分调压器输入控制等十一个控制输出作为开关量输出点，按照表2分配输出设备和输出点地址。

3.3.2 控制过程

可编程控制器DVP40ES2的数字量模块实现电源的交直流电压选择功能，电源的输入输出控制，故障指示，故障报警，调压器的升压降压控制，同时对电源的各种返回状态进行监控。如要实现交流电压的输出，Y0输出，KMA1合，调压器得电输出，交流参数采集模块对调压器输出电压采集后数据通过COM3口传输到PLC(见表2、表3)，若此时输出电压低于设定电压，Y7输出，控制调压器升压，一直到输出电压等于设定电压，则Y7停止输出。如果输出电压高于设定电压，则Y10输出控制调压器降压，直到输出电压等于设定电压后Y10停止输出。

表2 PLC控制电源输入点分配表

表3 PLC控制电源输出点分配表

DVP40ES2的COM1～COM3口可以 RS232，RS422，RS485方式通讯，通过COM口连接直流电压变换器，充电模块，交流电参数采集模块，监视直流电压、交流电压的变化。COM3口直接连接人机设备DOP B05S100触摸屏，此触摸屏作为上位机就地控制试品电源和电源参数设置。COM1连接远方试验小室的远控人机设备DOP B05S100触摸屏，以方便试验接线人员就地选择和调整电压。试品电源控制系统原理如图2所示。

图2 试品电源控制系统原理

4 程序设计

4.1 人机界面

本系统人机界面采用台达DOP-B05S100，该产品有人性化的使用界面和高速的硬件构架，支持多厂家PLC，具有USB上下载功能。系统的画面编辑软件采用Screen Editor，该软件利用宏功能可以有效的帮助PLC处理复杂的运算功能及分担PLC控制器的工作量。亦可配合通讯宏指令自行撰写通信协议，并透过串行口与特定系统或控制器连接。利用 USB Ver1.1上/下载人机画面程序，大大缩短传输数据的时间。

能提供方便好用类似Excel的配方编辑器，让使用者可以轻松的编辑配方;并且可以同时输入多组的配方。把配方表数据下载到人机后，便可利用内部存储器来切换。使用者根据不同的项目，如果想变更配方表的数据，亦可单独下载更新配方表的内容。用户可于人机程序的设计过程中，先行于计算机端进行程序仿真动作与除错。而在人机软件里提供离线仿真与在线仿真。人机界面如图3所示。

图3 试品电源控制系统人机界面

4.2 PLC程序设计

电源控制系统主程序的功能是负责管理整个子程序的调度运行，具体功能则由子程序完成。对系统进行分析，根据系统控制对象的不同和控制功能的不同，划分了交流控制子程序、高频直流电源模块子程序、直流整流子程序、串行通讯等子程序。子程序具体执行了系统所能实现的各种功能，如交直流的选择，电压的调节，继电器合分控制、通讯等。整个系统的程序控制流程如图4所示。PLC程序设计软件为WPLSoft 2.34。

图4 电源控制系统程序控制流程图

5 结束语

该试品电源自投入运行以来，已经在大容量试验室正常工作至今，操作方便，运行安全可靠，电压调节方便直观，且电压调节范围大，试验室就地安装的远控触摸屏能方便地就地选择电压输出方式，调节电压。对大容量试验室各种开断试验正常进行有极大的辅助作用。

［1］史宏伟，张海峰，孙海波，等.大容量短路发电机同步信号采集装置的设计与应用［J］.高压电器，2010，46(6):83-85.

［2］贺开华，彭海波.直流断路器大容量试验室的现状与进展［J］.船电技术，2010，30(9):55-57.

［3］王安，姚斯立，阎对丰，等.新一代的大容量试验测量系统［J］.高压电器，2012，48(6):38-42.

［4］杨海芳，杨志宇，李玉春.断路器合成试验瞬态恢复电压调节线路的确定［J］.高电压技术，2006，32(8):26-29.

［5］赵亚明，王晶.在超高压大容量试验室的应用［J］.自动化与仪表，2003，23(6):45-47.

［6］白志红，周玉虎.电磁铁的动态特性的仿真与分析［J］.电力学报，2004，19(3):200-204.