陈韶光，陈炳森，唐正权，胡华丽

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁530023）

0 引言

在我国电力系统中，220 kV变电站属于地区枢纽变电站，主要接受500 kV电网及本地区中型发电厂的电力并向地级市、县级市及大用户供电。近年来，南方电网广西分公司考虑到各市县地区负荷容量及地方经济发展趋势，新建或改扩建的220 kV户外变电站常选用配置采用ONAF冷却方式（油浸风冷），电压等级为220/110/35 kV或220/110/10 kV，容量为120/150/180MVA的油浸式三绕组电力变压器（简称主变）。

使用ONAF方式的大中型主变，多采用配备DBF系列低噪声变压器专用风扇的散热冷却吹风系统（简称风冷系统），并根据主变所带负荷大小、主变油温的高低自动启停[1]相应的风扇电动机（简称风机），以实现主变正常工作时的散热冷却。

由于主变对电力系统供电可靠性影响甚大，一旦出现故障，停电范围大，时间长，会造成较大的经济损失，因此，主变对其风冷系统工作可靠性要求极高，一方面要选用优质的控制电器，另一方面要采用双电源供电，确保主变风冷控制系统有较高的可靠性。

1 传统主变风冷控制系统的存在问题

传统的主变风冷控制系统采用继电器—接触器的硬接线逻辑控制，能满足主变风冷控制的基本要求，但也存在风机启动顺序固定，主变投运前期所带负荷不大时部分风机长期停转，各风机工作时间难以平衡的问题；逻辑控制硬接线相对较为复杂，为简化风机控制逻辑，风机普遍采用分组控制，一组对应2台以上风机并使用时间继电器延时分组启动，难以实现对每台风机运行状态的精确监控；虽然采用双电源设计来保证供电可靠性，但双电源不具备自动切换功能，需要现场人工切换，难以满足220 kV变电站无人值守的要求。

PLC是近年来在自动控制领域广泛应用的小型工业控制用计算机装置，可靠性高，安装及编程调试方便，如将其应用于主变风冷控制，可有效解决上述传统控制的不足，还可以优化控制逻辑，提升自动控制功能，简化接线，借助其网络通信功能可实现主变风机的远程监控，更好地实现220 kV变电站无人值守对主变风冷控制系统监控的要求。

但是，PLC作为一种计算机装置，避免不了死机或故障状态出现，如何解决PLC死机或故障时对主变风冷系统控制的影响是必须要解决的问题。

2 主变风冷控制系统改进技术要点

根据传统主变风冷电气控制的基本要求，综合考虑变电站无人值守对主变风冷控制系统的远程监控，利用PLC改进主变风冷系统控制设计时应实现以下技术要点：

（1）双电源设计。风机控制采用双电源，正常情况下，一个电源工作，另一个电源在工作电源故障时自动投入。两个电源可以自动切换[2]，任一个电源故障或消失时，应发出相应的故障报警信号。

（2）自动控制功能。当风冷控制系统置于“就地”位且各风机均置于“自动”位时，风机应根据变压器油温高低和负荷电流大小自动实现启停控制，且为防止系统过于频繁启停风机，当启动条件低于预设条件10 min就消失时，PLC将保持系统运行10 min后停止风扇工作。

（3）手动控制功能。当某台风机置于“手动”位时，可不经过油温、负荷电流以及PLC控制而直接启动相应的风机，当切至“停止”位时，则停止相应的风机，实现主变各台风机的手动控制。

（4）根据主变工作状况投退风冷系统。当主变风冷置于自投控制“工作”位时，只有主变高压侧断路器处于合闸位风机才能运行，否则风机停止运行；当退出“工作”位时，主变风冷系统不受高压侧断路器投退的控制。

（5）备用模式。对于主变风机应采用分组控制，一般分成两组，相互间隔。设置“备用”模式控制开关，当投入备用模式时，从每一组中任设一台风机作为备用风机，在其它风机出故障时投入运行，此备用风机每启动一次进行轮换。当退出备用模式时，不再留备用风机待用。

（6）远控模式。当主变风冷系统置于“远控”模式时，风机将不受控制柜内部逻辑控制，而由远方的主变测控装置输出开关触点对各台风机进行远程控制，相当于设置了一套备用风机控制器，在PLC故障等情况下可由远方实现对风机的控制。

3 基本PLC的主变风冷控制系统设计

基于以上的控制技术要点，设计了一套以西门子S7-200PLC为控制器的220 kV、150 MVA三圈变风冷电气控制系统，主电路如图1所示。

图1 主变风冷电气控制主回路

3.1 主变风冷电气控制主回路设计

变电站配有两个站用380 V交流电源并分别接至Ⅰ段和Ⅱ段站用交流电源母线，正常运行情况下，两个电源各带一段母线负荷并作为另一个电源的备用，当各段母线工作电源故障时备用电源能自动投入。风机控制的双电源分别取自站用交流电源母线的Ⅰ段和Ⅱ段，经过电源空气开关（简称空开）QF1、QF2和电源接触器KM1、KM2后作为风机的电源；电源监视及双电源自动切换由右侧控制回路实现。1QF、2QF为引自两个电源的电源监视及自动切换控制空开，KM1、KM2 为电源接触器，KA1、KA2 为电源监视用中间继电器，KV1、KV2为具有相序和缺相检测功能的三相电源控制继电器，当三相电源相序正确且三相带电时，其常开触点接通，否则其常开触点断开，切断相应电源接触器控制回路，退出该电源。

SA1为两路电源转换开关，当切至“Ⅰ工作”时，其触点1-2、5-6接通，Ⅰ段电源为工作电源，Ⅱ段电源为备用电源。当Ⅰ段电源因故消失，KV1复归，KV1的16-18触点断开，电源监视继电器KA1线圈失电，KA1的13-14触点断开，KM1线圈失电主触头断开，切断Ⅰ段电源至风机的供电回路；KA1的51-52触点接通，如果Ⅱ段电源正常，则KV2、KA2动作，KM2线圈得电，KM2主触头将Ⅱ段电源接至风机供电回路，实现了工作电源失电自动切至备用电源的转换。当Ⅰ段作为工作电源恢复时，则会自动又切回至工作电源供电状态。

当SA1切至“Ⅱ工作”时，Ⅱ段电源为工作电源，Ⅰ段电源为备用电源，电源的自动切换原理同上；当切至“0停止”时，两段电源均退出。当任一电源故障（包括相序异常、缺相、失压）时，KA1、KA2动作，其常闭触点发出相应的电源故障信号给PLC。

每台风机设一个电源空开QF、一个接触器KM和一个热继电器FR实现对风机的启停控制和保护，电气控制回路中各转换开关触点分合情况见图2.

图2 各转换开关触点分合表

3.2 主变风冷控制PLC输入输出回路设计

主变风冷电气控制用PLC选用S7-200系列CPU226（DI24/DO16）并扩展 EM223（DI16/DO16）模块，共有40点输入，32点输出，具体输入输出回路接线见图3～图6.

“远方/就地”控制风机启停接线如图3所示。3QF为PLC工作电源及风机控制回路电源空开，当3QF合上，PLC和远控装置即可控制各台风机的启停。SA5为“远方/就地”转换开关，当SA5置于“远控”位时，其5-6触点接通，此时远控装置（变电站主控室主变测控装置）输出开关触点S1～S10接通，控制KM3～KM12动作，实现远程控制M1～M10风机（见图1）启停。SA6～SA15为风机控制转换开关，当开关置于“手动”位时其1-2触点接通，此时可直接启动相应风机；当开关置于“停止”位时风机则仅由PLC或远程装置控制启停。

图3 “远方/就地”控制风机启停

自投控制风机启停接线如图4所示，当主变高压侧断路器在分位（K6常开触点接通，见图5）或在合位但主变风冷自投控制开关SA3在“工作”位（SA3的1-2触点接通）时，给PLC一个主变退出的信号，停止所有风机的自投控制。当任一路电源处于工作状态时，相应的KM1或KM2动作，给PLC相应的电源运行信号。当任一路电源处于故障状态（相序异常、缺相、失压）时，其相应的KA动作，给PLC相应的电源故障信号。

图4 自投控制风机启停

当SA5置于“就地”位且各台风机对应的风机控制开关SA6～SA15在“I自动”位时，由PLC根据主变负荷、油温高低按程序启停相应的风机。

当KM3～KM12全部常闭辅助触点接通时，说明全部风机均停止，给PLC一个风机全停输入信号（见图 5）。

图5 向PLC输入风机故障信号的拓展模块

图5 中，从主变保护柜送来的反映主变负荷值（由主变运行规程值整定）的电流信号触点LJ以及高压侧断路器辅助触点TW，从主变油面信号器发来的油面低温触点和高温触点信号OT分接控制K1～K6继电器，再将其触点信号输入至PLC，作为风机启停的控制依据（见图4）。每台风机的热继电器动作，其常开触点控制KD20、KD21（见图4）和KD22～KD29（见图5）继电器动作，向PLC输入相应风机故障信号，由PLC停止该风机。

3.3 主变风冷电气控制远程信号设计

考虑到PLC故障或通信网络故障时，无法通过通信方式上传主变风冷控制系统的故障及运行状态信号，为此，设计了一系列的远程开关信号通过硬接线方式接至主控室的主变测控装置，以实现主变风冷系统运行状态的远程监视，如图6所示。具体信号如下：

（1）电源短路故障信号。正常情况下，两路电源空开QF均应在合位，当运行过程中空开跳开，其常闭辅助触点接通，发出电源短路故障信号。

（2）电源断相信号。当电源空开QF在合位，但电源监视继电器KA的21-22触点在分位时，说明该电源失电、缺相或者电源相序异常，发出电源故障信号。

（3）电源投入运行信号。当两路电源的KM动作即发出电源投入运行信号，由于有KM1、KM2互锁功能设计，正常情况下最能只能有一路电源投入运行。

（4）备用风机故障信号。当PLC根据需要启动备用风机，却收到备用风机故障信号时，发出该信号。

（5）风机全停信号。当PLC收到全部风机停止（KM3～KM12均未动作）的输入信号时控制KA16动作或两路电源KM均未动作（如电源消失）时，判断并发出风机全停信号。

（6）风机运行信号。当风机的电源空开QF合位且KM动作时，发出相应的风机运行信号。

（7）风机故障信号。当风机的热继电器FR动作引起相应继电器KD动作后，利用KD触点发出相应风机故障信号。

图6 主变风冷系统运行状态的远程监视

3.4 PLC故障导致风机全停的技术处理技巧

PLC可靠性高，平均无故障运行时间可长达10年，利用其控制主变风冷系统，具有很多优点，但是，一旦PLC因受干扰或别的原因出现死机等故障，主变风冷系统突然失控，在无人值守变电站，虽远程调度中心可通过主变测控装置采集到图6的信号分析到故障原因，但无法迅速赶到现场处理，可能会造成主变停电的严重事故，这也是技术人员最为担心的问题。为此，在PLC内部设计有一个看门狗（监视定时器WDT），S7-200 PLC看门狗定时时间默认为500 ms[3]，其它类型PLC可根据需要设定。PLC是按程序循环扫描的工作方式运行的，在系统程序的控制下顺序扫描各输入点状态、按用户程序进行运算处理，然后顺序向各输出点发出相应控制信号[4]，从而完成一个工作循环，再周而复始工作，在每一次循环开始时复位看门狗。每一个循环的工作时间因输入输出点数多少、控制程序长短、运算复杂程序不同而有所差别，但一般不会超过500 ms，小于看门狗的设定时间，因此，正常运行情况下看门狗不会动作。

当运行过程中的PLC受到强烈外部干扰，出现程序“跑飞”现象或PLC控制程序存在缺陷，运行过程中进入了死循环状态，此时均无法在看门狗设定时间内扫描回到程序的开头，看门狗动作将PLC由RUN（运行）模式切至STOP（停止）模式。

对于S7-200 PLC，输出继电器在STOP模式下的默认值为线圈失电状态，即输出为“0”状态，但也可根据需要设定为“1”状态。图7是进入S7-200 PLC编程软件，选中“项目→系统块→输出表”进入数字量输出表，将各台风机的PLC输出继电器Q0.2～Q1.3选上，当PLC从RUN模式切换至STOP模式时，Q0.2～Q1.3将全部动作，启动全部风机运转，解决了前述PLC故障时风机全停的问题，给运行维护人员争取了故障处理时间。

图7 PLC停止状态开关量输出状态设置

4 设计应用效果

基于S7-200 PLC实现的220kV主变风冷电气控制设计方案已在南方电网广西分公司的无人值守变电站使用，在调试过程中，对前述的技术和功能要求进行了详细的动作试验，各控制逻辑动作正确，整定值动作准确，模拟PLC故障时能进入STOP模式并启动全部风机运转。投运多年后，系统使用效果良好，未发生异常状态，可推广应用到主变风冷系统中。