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【摘 要】大型变压器进行负载、温升试验时，为减小试验电源输出容量，通常采用电容补偿。本文介绍了一种补偿电容塔的二次控制与保护监控系统，采用了可编程控制器（PLC），具有可靠性高，抗干扰能力强，编程方便易于使用的优点，适用于恶劣的工业环境。
【关键词】变压器试验；补偿电容塔；二次控制；PLC
引言
大型变压器通常需进行负载、温升试验，且多采用试验发电机组供电。机组容量主要按负载及温升试验时有功损耗考虑，容量较小。试验时输入电流多为感性无功电流，为减小电源输出容量，通常采用电容补偿【1】。补偿电容塔是可调式电容补偿装置，本文根据补偿电容塔一次原理设计图，按不同试验所需电容器组的接线方式与容量、电压、频率等参数，对各个隔离开关进行投切控制和状态监控，从而满足试验所需要补偿电容量【2】。
本电容器塔二次控制与保护监控系统主要控制部分采用可编程控制器（PLC），具有可靠性高，抗干扰力强，编程方便易于使用等优点，适于恶劣工业环境。由于采用气动隔离开关，其分合控制与状态都由导气管连接至执行和检测部分，提高了整体控制系统的安全可靠性。整体操作界面简明直观，易于使用。
1.工作原理
电容器塔中所有的电容投切都是通过气动隔离开关完成【2】。PLC控制部分是整个系统核心。它可以接受远方控制计算机或者本地触摸屏的控制指令，通过中间继电器输出至气动电磁阀，由控制电磁阀的通断来控制刀闸的开关；刀闸的开关状态又通过装在刀闸上的气动机控阀控制检测导气管，再由气动压力开关检测气路通断，从而将刀闸开合位置状态转变为电信号，輸入至PLC；PLC根据输入状态信号状态判断刀闸合闸、分闸状态，并将此状态上传至远方工控机和现场触摸屏，在相应的画面中显示【3】。
监控和保护是保证系统安全运行的必要环节。工作时的电容器塔运行状态直接由PLC的状态输出至远方和就地控制器的显示屏，同时电容器室配置摄像监控系统，在监控器上实时监视电容器的运行情况，并对系统的整个过程进行视频存储、记录。
整个保护系统由硬件和软件两个部分组成。硬件部分是有单台电容器外熔断器保护、某些关键刀闸的硬件互锁和防护栏指示灯与安全电气连锁组成；软件部分有PLC编程构成相关刀闸的互锁和自锁，监测系统电流是否越限，检测气源压力是否符合要求，并且在气动失压和断电的情况下保持闭锁状态。
2.技术参数
2.1 电源
交流电源：220V 频率：50Hz
2.2 功耗
PLC 柜 ：120W 电磁阀柜：300W
检测柜 ：100W 工控机 ：300W
2.3 环境参数
正常工作温度：0～40℃ 极限工作温度：-10～50℃
2.4 控制柜尺寸
检测柜尺寸：2200（高）*800（宽）*600（厚）
PLC控制柜尺寸：2200（高）*1000（宽）*600（厚）
气动控制柜尺寸：2200（高）*1000（宽）*600（厚）
操作台尺寸：1400（高）*1200（宽）*800（厚）
柜体颜色：微机灰
2.5 通讯方式
PLC-触摸屏：标准MODBUS PLC-工控机：TCP/IP或标准MODBUS（视现场情况定）
3.装置整体介绍
气动控制及保护监控系统由五部分组成：气动电磁阀控制输出部分、气动刀闸位置检测部分、PLC控制部分、上位组态部分、视频监视部分。相应的装置部分分别为：气动控制柜，气动检测柜，PLC控制柜，远方控制计算机（上位机）和视频监控系统。
3.1气动刀闸位置检测部分
由一面气动检测柜组成。每个隔离开关有两个机控阀分别检测开关的分、合位置，控制位置检测气管的导通；位置检测气管联结至气动检测柜的气动压力开关，把气管导通与关闭（气压情况）转换为电信号，并输出至PLC控制器。
3.2气动电磁阀控制输出部分
由一面气动控制柜组成。柜内主要部件电磁阀接收PLC控制器的控制信号，控制与其连接的控制气管的导通与否，实现气动隔离开关的投入与切除。同时，检测柜内的主气管压力和电源情况，把其信号传送至PLC控制器，在气管失压和电源掉电的时自动闭锁电磁阀以防止误动。
3.3 PLC控制部分
有一面PLC控制柜组成。柜内主要有PLC模块和中间继电器组成。PLC控制器接收来自触摸屏或上位机的控制命令，通过中间继电器输出至气动控制柜的电磁阀；同时接收来自气动检测柜的隔离开关位置信号，输出至触摸屏或上位机实现状态显示。
PLC控制柜门上设置触摸屏，实现就地控制和工作状态的模拟画面显示。
3.4 上位组态部分
由一套远方控制室内的工控机系统及其操作台组成。上位工控机是整个控制系统的主要人机对话窗口，它通过数据线或网络（距离较远时使用）与PLC系统相连接，可以完成系统状态的显示、接受操作员控制指令完成远程操作、设定系统工作参数、存储并记录系统运行数据、生成数据报表、报警记录等。
3.5 视频监视系统
由摄像头和视频监控计算机组成。摄像头安装在电容器室，信号传输至远方控制室的视频监控计算机，实现对电容器室工作状态的实时监视。该监控系统有存储功能，便于分析运行记录。
3.6 软件功能
操作界面：试验人员通过计算机屏幕界面操作，在上述各种操作方式下，发出对应的气动阀的控制信号，可编程控制器接受上位机指令后执行操作，输出至中间继电器，控制电磁阀，接通气路；通过合、分气动隔离开关，达到调整电容器组的单相/星形/三角变换及容量调整。 操作过程中，控制界面的模拟系统图，报警画面和检修画面能实时动态显示开关和电容器组态情况。同时PLC系统会自动剔除错误指令，并能够实现设定的各种状态的保护及连锁功能。
工控机操作系统实现的对电容器投入和切除的功能如下：
“隔离开关单个操作”方式：用于对功能开关的逐项选择操作和检修操作。
1）“隔离开关组合操作”方式：操作人员输入操作组合代码，计算机按照代码显示相应试验参数和开关组合，供操作人员确认后执行操作。
2）“隔离开关智能操作”方式。操作人员在参数输入框中输入试验电压、容量、相数和频率等参数，由计算机提供推荐组合，供操作人员确认后执行操作。
3）“隔离开关接地检修”方式：“检修”操作时，操作执行10min后，操作人员方可入内，其间系统提示：“为了您和设备的安全请稍等十分钟！”。检修状态时可以执行“隔离开关单个操作”方式。
系统对所有气动隔离开关进行巡回位置信号检测，不符合操作要求，监控系统报警提示，并且不执行下一步操作；系统故障报警，并显示故障位置。
装置的主隔离开关与试验系统的主隔离开关进行联锁。系统合闸后，自动禁止操作电容器隔离开关，当误操作时，系统自動弹出“试验系统主开关处于合闸状态，禁止对电容器组操作”提示框。
故障报警：气动隔离开关分合闸不到位报警；气压高、低报警；过电流报警；报警均有报警时间记录，并自动存入数据库归档和诊断提示。并可以生成相应的报表或曲线。
参考文献：
[1] 唐志华 张后立 .大型电力变压器温升试验电容补偿方法.电气制造（ELECTRICAL MANUFACTURING），2009.11，59
[2] 张永刚，李普恩.大型变压器温升试验电容补偿电容塔的设计 变压器，1992，09.65
[3] T.F.佛特曼，K.L.海兹著，吕林等译：《线性控制系统引论》，机械工业出版社，北京，1980。（T.F. FortmannandK.L.Hitz，An Introduction to Linear Control Systems， Marcel Dekker，New York，1977.）
作者简介：
马明阳（1984-），男，陕西西安人，本科，工学学士，电气工程及其自动化专业，助理工程师现供职于国网天津市电力公司检修公司，主要从事电力系统电气试验相关工作。
雷英智（1984-），女，辽宁营口人，本科，工学学士，电气工程及其自动化专业，助理工程师现供职于国网天津市电力公司滨海供电分公司，主要从事电力系统调控相关工作。
马国雷，（1981-）男，山东菏泽人，工学硕士，副高级工程师，国网公司技能专家，从事电力系统网络维护工作。
【关键词】变压器试验；补偿电容塔；二次控制；PLC
引言
大型变压器通常需进行负载、温升试验，且多采用试验发电机组供电。机组容量主要按负载及温升试验时有功损耗考虑，容量较小。试验时输入电流多为感性无功电流，为减小电源输出容量，通常采用电容补偿【1】。补偿电容塔是可调式电容补偿装置，本文根据补偿电容塔一次原理设计图，按不同试验所需电容器组的接线方式与容量、电压、频率等参数，对各个隔离开关进行投切控制和状态监控，从而满足试验所需要补偿电容量【2】。
本电容器塔二次控制与保护监控系统主要控制部分采用可编程控制器（PLC），具有可靠性高，抗干扰力强，编程方便易于使用等优点，适于恶劣工业环境。由于采用气动隔离开关，其分合控制与状态都由导气管连接至执行和检测部分，提高了整体控制系统的安全可靠性。整体操作界面简明直观，易于使用。
1.工作原理
电容器塔中所有的电容投切都是通过气动隔离开关完成【2】。PLC控制部分是整个系统核心。它可以接受远方控制计算机或者本地触摸屏的控制指令，通过中间继电器输出至气动电磁阀，由控制电磁阀的通断来控制刀闸的开关；刀闸的开关状态又通过装在刀闸上的气动机控阀控制检测导气管，再由气动压力开关检测气路通断，从而将刀闸开合位置状态转变为电信号，輸入至PLC；PLC根据输入状态信号状态判断刀闸合闸、分闸状态，并将此状态上传至远方工控机和现场触摸屏，在相应的画面中显示【3】。
监控和保护是保证系统安全运行的必要环节。工作时的电容器塔运行状态直接由PLC的状态输出至远方和就地控制器的显示屏，同时电容器室配置摄像监控系统，在监控器上实时监视电容器的运行情况，并对系统的整个过程进行视频存储、记录。
整个保护系统由硬件和软件两个部分组成。硬件部分是有单台电容器外熔断器保护、某些关键刀闸的硬件互锁和防护栏指示灯与安全电气连锁组成；软件部分有PLC编程构成相关刀闸的互锁和自锁，监测系统电流是否越限，检测气源压力是否符合要求，并且在气动失压和断电的情况下保持闭锁状态。
2.技术参数
2.1 电源
交流电源：220V 频率：50Hz
2.2 功耗
PLC 柜 ：120W 电磁阀柜：300W
检测柜 ：100W 工控机 ：300W
2.3 环境参数
正常工作温度：0～40℃ 极限工作温度：-10～50℃
2.4 控制柜尺寸
检测柜尺寸：2200（高）*800（宽）*600（厚）
PLC控制柜尺寸：2200（高）*1000（宽）*600（厚）
气动控制柜尺寸：2200（高）*1000（宽）*600（厚）
操作台尺寸：1400（高）*1200（宽）*800（厚）
柜体颜色：微机灰
2.5 通讯方式
PLC-触摸屏：标准MODBUS PLC-工控机：TCP/IP或标准MODBUS（视现场情况定）
3.装置整体介绍
气动控制及保护监控系统由五部分组成：气动电磁阀控制输出部分、气动刀闸位置检测部分、PLC控制部分、上位组态部分、视频监视部分。相应的装置部分分别为：气动控制柜，气动检测柜，PLC控制柜，远方控制计算机（上位机）和视频监控系统。
3.1气动刀闸位置检测部分
由一面气动检测柜组成。每个隔离开关有两个机控阀分别检测开关的分、合位置，控制位置检测气管的导通；位置检测气管联结至气动检测柜的气动压力开关，把气管导通与关闭（气压情况）转换为电信号，并输出至PLC控制器。
3.2气动电磁阀控制输出部分
由一面气动控制柜组成。柜内主要部件电磁阀接收PLC控制器的控制信号，控制与其连接的控制气管的导通与否，实现气动隔离开关的投入与切除。同时，检测柜内的主气管压力和电源情况，把其信号传送至PLC控制器，在气管失压和电源掉电的时自动闭锁电磁阀以防止误动。
3.3 PLC控制部分
有一面PLC控制柜组成。柜内主要有PLC模块和中间继电器组成。PLC控制器接收来自触摸屏或上位机的控制命令，通过中间继电器输出至气动控制柜的电磁阀；同时接收来自气动检测柜的隔离开关位置信号，输出至触摸屏或上位机实现状态显示。
PLC控制柜门上设置触摸屏，实现就地控制和工作状态的模拟画面显示。
3.4 上位组态部分
由一套远方控制室内的工控机系统及其操作台组成。上位工控机是整个控制系统的主要人机对话窗口，它通过数据线或网络（距离较远时使用）与PLC系统相连接，可以完成系统状态的显示、接受操作员控制指令完成远程操作、设定系统工作参数、存储并记录系统运行数据、生成数据报表、报警记录等。
3.5 视频监视系统
由摄像头和视频监控计算机组成。摄像头安装在电容器室，信号传输至远方控制室的视频监控计算机，实现对电容器室工作状态的实时监视。该监控系统有存储功能，便于分析运行记录。
3.6 软件功能
操作界面：试验人员通过计算机屏幕界面操作，在上述各种操作方式下，发出对应的气动阀的控制信号，可编程控制器接受上位机指令后执行操作，输出至中间继电器，控制电磁阀，接通气路；通过合、分气动隔离开关，达到调整电容器组的单相/星形/三角变换及容量调整。 操作过程中，控制界面的模拟系统图，报警画面和检修画面能实时动态显示开关和电容器组态情况。同时PLC系统会自动剔除错误指令，并能够实现设定的各种状态的保护及连锁功能。
工控机操作系统实现的对电容器投入和切除的功能如下：
“隔离开关单个操作”方式：用于对功能开关的逐项选择操作和检修操作。
1）“隔离开关组合操作”方式：操作人员输入操作组合代码，计算机按照代码显示相应试验参数和开关组合，供操作人员确认后执行操作。
2）“隔离开关智能操作”方式。操作人员在参数输入框中输入试验电压、容量、相数和频率等参数，由计算机提供推荐组合，供操作人员确认后执行操作。
3）“隔离开关接地检修”方式：“检修”操作时，操作执行10min后，操作人员方可入内，其间系统提示：“为了您和设备的安全请稍等十分钟！”。检修状态时可以执行“隔离开关单个操作”方式。
系统对所有气动隔离开关进行巡回位置信号检测，不符合操作要求，监控系统报警提示，并且不执行下一步操作；系统故障报警，并显示故障位置。
装置的主隔离开关与试验系统的主隔离开关进行联锁。系统合闸后，自动禁止操作电容器隔离开关，当误操作时，系统自動弹出“试验系统主开关处于合闸状态，禁止对电容器组操作”提示框。
故障报警：气动隔离开关分合闸不到位报警；气压高、低报警；过电流报警；报警均有报警时间记录，并自动存入数据库归档和诊断提示。并可以生成相应的报表或曲线。
参考文献：
[1] 唐志华 张后立 .大型电力变压器温升试验电容补偿方法.电气制造（ELECTRICAL MANUFACTURING），2009.11，59
[2] 张永刚，李普恩.大型变压器温升试验电容补偿电容塔的设计 变压器，1992，09.65
[3] T.F.佛特曼，K.L.海兹著，吕林等译：《线性控制系统引论》，机械工业出版社，北京，1980。（T.F. FortmannandK.L.Hitz，An Introduction to Linear Control Systems， Marcel Dekker，New York，1977.）
作者简介：
马明阳（1984-），男，陕西西安人，本科，工学学士，电气工程及其自动化专业，助理工程师现供职于国网天津市电力公司检修公司，主要从事电力系统电气试验相关工作。
雷英智（1984-），女，辽宁营口人，本科，工学学士，电气工程及其自动化专业，助理工程师现供职于国网天津市电力公司滨海供电分公司，主要从事电力系统调控相关工作。
马国雷，（1981-）男，山东菏泽人，工学硕士，副高级工程师，国网公司技能专家，从事电力系统网络维护工作。