基于PLC的供电系统分时段节能控制研究.pdf
电 气 自 动 化 } 2 0 1 0 年 第3 2 卷第1 期 设 计 实 例 .De s i gn I d e a s 基于 P L C的供 电系统分时段节能控制研究 R e s e a r c h o n T ime - s e g m e n t e d E n e r g y s a v in g C o n t r o l o f P o w e r S u p p ly S y s t e m B a s e d o n PL C 淮海工学院 电-TT程学院 江苏 连云港 2 2 2 0 0 5 秦绪平 H u a i h a i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , L i a n y u n g a n g J i a n g s u 2 2 2 0 0 5 , C h i n a Q i n X u p i n g 摘要 许多用电负荷具有波动大 、 呈周期性变化等特点 , 如果采用一 台变压器供电, 会导致变压器运行效率的降低 , 浪费大量的电能 。 如 果采用两台变压器分时段切换控制供电 , 可以达到节能 的目的。文章以某学校供电系统为例 , 详 细阐述 P L C在校园供电系统分 时段节能控制中的应用 , 给出了程序流程图和部分 P L C控制程序。对于其它具有类似变化规律的负荷, 具有参考意义。 关键词 P L C 供电系统分时段控制节能 Ab s t r a c t S o me e l e c t r i c i t y l o a d f l u c t u a t e g r e a t a n d p r e s e n t t h e c h a r a c t e r i s t i c o f p e r i o d i c i t y c h a n g i n g e t c .Wh e n a d o p t i n g a t r a n s f o r me r p o w e r s u p p l y w i ll c a u s e t h e r e d u c i n g o f t h e t r a n s f o r me r o p e r a t i o n a l e f fi c i e n c y a n d wa s t e a l a r g e a mo u n t o f e l e c t r i c e n e r g y . A d o p t i n g t w o t r a n s f o r me r s t h a t a r e t i me s e g me n t e d c o n t r o l l e d c a n a c h i e v e t h e p u r p o s e o f e n e r g y s a v i n g .T h i s p a p e r i l l u s t r a t e s i n d e t ml t h e a p p l i c a t i o n o f P L C i n t i me - s e g me n t e d c o n t r o l o f c a mp u s p o we r s u p p l y s y s t e m. T h e p r o g r a m fl o w d i a g r a m a n d s o me P L C c o n t r o l p rog r a m a r e p r o v i d e d .T h i s r e s e a r c h h a v e me a n i n g o f c o ns u l t i ng f o r o t h e r l o a d s s i mi l a r t o v a r i e t y l a w. Ke y wor ds PL C po we r s u p pl y s y s t e m t i me s e g me n t e d c o nt r o l e n e r g T s a v i n g 【 中图分类号 】 T P 2 7 3 【 文献标识码] B[ 文章编号 ] 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 0 0 1 0 0 7 6 . 0 3 1 引言 随着社会的不断进步 与科学技术 的不断发展 ,人们越来越认 识到能源的重要性 ,要从根本上解决能源问题 ,除 了寻找新 的能 源 , 节能是 目前最直接有效 的重要措施之一 。通过努力 , 人们在节 能技术 的研究和产品开发上都取得 了巨大的成果。 节 约电能 ,除 了加强人们 的节能意识 教育和加强用 电管理之 外 , 积极采用技术节能更是行之有效的途径 。日常生活中, 许 多用 电部门如学校、 居民小区和部分厂矿企业 , 用电负荷具有很明显 的 特点, 如昼夜负荷落差大 、 呈周期性变化等 , 根据这些特点 , 本文对 相关供 电系统进行 了电气改造 ,通过对两台变压器实行基于 P L C 的分时段控制 , 达到 了节能的 目的。 2 供 电系统节能的途径 许 多用 电单位 如学校 、 居民小 区等 的负荷变化具有明显 的 周期性 , 且落差较大。对于学校 , 负荷比较集 中的时间是 7 O 0 1 6 0 0 , 负荷率在 7 0 %左右 , l 6 o 0以后部分 教师下班 , 学生下课 , 负荷率降至 4 0 %左右,而 2 l 3 O以后随着教室关闭和学生的就 寝, 负荷降到了最低点, 变压器的负荷率也只有 2 0 %左右, 同时, 学校在周末和寒暑假期 大约 1 5 0天 , 负荷率也会很低 。 对 于居 民 小 区, 早晨 6 0 0 8 0 0 、 中午 1 1 0 0~1 4 O 0以及 晚上 1 7 0 0~ 2 3 0 O , 负荷率最高 ; 而在其 它时间 , 随着小区居民的外 出工作和就寝 , 变压器的负荷率变的很低 。 供电系统 中变压器 的效率和损耗是与其负荷率相关 的,其关 系如图 1 所示 “ l 。从图中可 以看出 , 负荷率在 5 0 % 6 0 %之间效 率最高。变压器的损耗包括铁损和铜损两部分 】 , 其中铁损只取 7 6 l Ele c t r i c a l Au toma t i o n 决 于变 压器的材料 和 制作 工艺 ,与负荷 无 1 0 0 关 , 即铁损为常量 ; 而 一R 0 铜损却 和负荷率 的平 方成正 比 当负荷率 竣 b U 降低时 , 铜损减少 , 而 4 O 变压器 的铁损并 未减 少 ,它有 可能成 为损 耗的主体 , 因此 , 供电 系统节能 的途径就 是 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 负荷率 % 要尽 量避免 变压器 的 图 1 变压器的效 率特性 低负荷率运行和空载运行 , 以减少不必要 的损耗 。 根据用电单位负荷周期变化的特点,在不同时段选择合适的 供电方式,可以提高变压器的负荷率,从而实现节能的目的。例 如, 某学校由两台变压器供电, 可以选择分时段运行, 即在负荷高 的时段 7 0 0~ 2 1 3 O 由两台变压器同时供电, 而在负荷低的时段 2 l 3 0 7 o 0 、 周末和节假 日 由一台变压器集中供电, 这样既可 以省掉一台变压器的铁损,又可使另一台变压器运行在较高效率 区间, 从而达到节能的目的。在论文 [ 1 】 中, 采用两台 6 3 0 K V A变 压器交替运行与选用一台 1 2 5 0 K V A变压器独立运行相比较, 一年 可节约 1 4 3 8 0 K W h的电能, 3 5年即可收回多余投资, 具有较 大 的社会效益和经济效益。 校园负荷具有典型的周期性变化的规律 , 本文以某学校供电系 统为例 , 详细阐述 P L C在校园供电系统分时段节能控制中的应用。 3 供电系统主回路 】 O KV 出线出线出线 联络线 出线出线出线 图 2 供电系统主回路 设 计 实 例 .D. . . . .e. . . .s....i.g. . . .n. . . . . . .I..d....e. . . as 某 学 校 供 电 系 统 主 回路 如图 2所示 。 该 供 电 系 统 选 用 两 台 变 压器 。 根据上面 分 析 的 节 能 供 电方式 , 在负荷 高 时 由两 台 变 压 器同时供 电 , 而 在 负 荷 低 时 由一 台 变 压 器 集 中供电 。 实现 对变压器的切换运行 , 实 际就是对 Q F 1 、 Q F 2 、 Q F 3 、 Q F 4以及联络 开关 K M进 行协调 控制 。当需要 两台变压 器 同时供电 时 ,Q F 1 、 Q F 2 、 Q F 3和 Q F 4均闭合 , K M 断开 ; 当需 要一台变压器集中供电 时 , Q F 1 、 Q F 2或 Q F 3 、 Q F 4中的~组和 K M闭合 , 另一组断开 , 同 时 , 还应该可以人为地选 择由哪~ 台变压器集 中供 电。 1 0 .0 Q O . 0 1 0 . 1 QO . 1 QO . 2 1 0 . 2 1 0_ 3 Q o I 3 1 0 .4 QO .4 l M l L 图 3 P L C外部接 线图 4 P L C 的接 线 本 设 计 选 择 s 73 0 0 P L C 。 P L C的 接线如图 3 所示 。 S B 1为 启 动 按 钮 , 按下该按钮时 , 系 统启动并 自动进 入分 时段 自动 控制 模式 , 此时在一天之中 ,负 荷高的时段 7 0 o~ 2 1 3 0 由两台变压器同时供电 , 而在负荷低 的时段 2 l 3 0~7 0 O 由一 台变压器集中供电 , 连续运行 5天后到达周末 , 由一 台变压 器 供 电。按下 S B 1 时 .必须先选择单 台集 中供 电方式 ,否则不 能启 动 。 转换开关 s s向右 4 5 。 选择 l 变压器单 台集 中供 电 , 向左 4 5 。 选 择 2 变压器单 台集 中供电 。 在设计时 , 还考虑到 了寒暑假期 低 负荷 和特殊情况 例 如要 求两变压器同时供电 的需要 。按下 S B 2时 ,进入低负荷运行模 式 , 这时 由一台变压器集中供 电 , 此操作需要手动切换 ; 当要求两 台变压器同时供电时 , s s打到中间“ 0 ” 位 , 此时进入高负荷运行模 式 , 两台变压器 同时供 电, 此操作 也需要手 动切换 。 输 出端 Q O . 0~Q O . 3用于控制 Q F 1 、 Q F 2 、 Q F 3和 Q F 4的闭合 和断开 , 0 0 . 4用于控制联络开关 K M的闭合和断开 ,以实现对变 压器的切换。 5 P L C 中定时范 围的扩展 在本设计 中, 白天 7 0 0~2 l 3 0高负荷 , 需要定时 l 4 . 5 h , 晚上 2 1 3 0~ 7 o 0 低负荷 , 需要定时 9 . 5 h , 周末需要定时 4 8 h 2 天 , 都需 要超长定时。 而在 S 7 3 0 0中定时器的最长定时时间为 9 9 9 0 s b l 4 , 约 为两个多小时 ,显然不能满足需要 , 必须对定 时器的定时范围进行 电气 自动化} 2 0 1 0年第 3 2卷 第 1期 “ O 定时器 图 4利用计数器扩 展定时器定 时范 围 扩展 。 为了解决这个 问题 , 在编程时利用计数器和定时器的配合 , 来 实现定 时时间的扩展 , 达到了延长定 时的 目的。 如图 4所示 为利用 计数器扩展定 时器定 时范围的梯形 图,采用接通延时定时器 和减 计数器。 在梯形图中, 把定时器预置值设定为3 0 1 8 0 0 s , 计数值设定为 2 9 。 计数器赋值语句前加 正边 沿触发指令 , 保证计数器初值 只赋值 一 次 。 当3 0 mi n到 , 定时器常开触点 闭合 , 计数器 的计数值减1 , 同时 M1 . 1 线 圈得 电, 其 常闭触 点断开 , 定 时器重新定 时。 每次定时时间 到, 计数值就减1 , 直到计数值减为0 , 此时计时时间为3 0 m i n X 2 9 1 4 . 5 h , 实现了白天 高负荷 1 4 . 5 小时的定时。 当计数值减为0 时 , 计 数器 的常闭触点闭合 , M 0 . 2 置⋯ 1 ’ , 进入晚上 低负荷 定时状态 。 用 同样 的方法可实现晚上 9 . 5 h和周末 4 8 h的定时 。 s 7 3 0 0中最多支持 5 I 2 个定 时器 ,最多允许使用 5 1 2个计 数器 , 每个计数器计数值 可达 9 9 9 t , 由此 可见 , 只要设置合适的 定时器 预置值 和计数值 , 超长定时的问题就可 以迎刃而解了。 图 5 P L C控 制程序流程 图 E le c t r ic a 1 Au t o ma t i o n I 7 7 H 电 气自 动 化 } 2 0 1 0 年 第3 2 卷第1 期 设 计 实 例 .D.....e. . . .s. . . .i.g. . . . .n. . . . . . .I .d . . . e...as 国 d h u蠡 ‘ n 吐矗t群 t l 吼I l I n d H Il p 一 x 1 lo I 计欺曩 ; c 0 l 0计数嚣,与0 触 器 台实现i 4 . 刊、 时定时 2 l 1 耕 敢 叠 { c 1 ; c D 计 数器, 与l 定时器配 合实现 9 . 5 , J 、时定时 3 } 嚣计数嚣 c 2 ;; 面 F 聂器, 廊 _- 到厨 对夭薮许甄 ⋯ ⋯ ’ 、 ’ 4 晦骄鞭器⋯一 薯 ~ ⋯⋯3 - 一 l 面讦数器 写 窟封器 配台实 理i 0 埘定时 6 I居莉l I o . o }德两臻 班菇 ~ 避 按 时段节 i 芝 运 聩惹 一 ⋯ 6 层-确2 i 1 0 . 1 l 启动按} 丑 s B 2 ,避入低负荷运行状悫 7 谢 罩 面 压曩 i 1 0 . 2 运率时再 百 i 亍 i 变匝器单吾幕中供电 8 诱撵葡碍 舀 西 喇; 霹 ~⋯一 孤 麓平 酎 . _进 嵩 莳 运行 状态⋯ ⋯ “ 。 。 9 落薜程 鞋 E 翟 r 一 『 f ~⋯ ⋯ i 藏呈 1中 时两 i 耍珏器 单备 砗 『供电⋯一 l O I Q F lQ o . 0 i 时 一 嗣 罾 1 1 2 口 F Q 0 . 1 为 1 耐 , 确 F 闭 台 1 2 ∞F Q 0 . 2 酊■i 涧 吾 ~ l S 4 Q F Q 0 . 3 H 为 1 时,4 删j j_『 台 1 4 麒 q 0 . 4 l 五 ⋯ 孵 g 并哭 【寸1 吾 一 ⋯ 1 5 0 娟 时誉 T 0 “ 菇圣爵 奢 一 写6 讲 薮臻配否实现1 i . 一 冈 定时 1 6 茼 毒 T 1 s D 酃誊,与1 计数器配台实现9 . 引埘定时 1 7 定时 蠢 T 2 j葡萄嘏 酾 讯辫蝤倍; 觏 ; 琏酎一 ⋯ 麓 ● ‘ t F 1 h t H . 1 p . 图 6 P L C程序中的 I / O、 计数器和存储器 6 供 电系统分 时段运行的 P L C控制程序 图 5为某学校供 电系统 P L C控制程序流程图 ; 图 6为 P L C程 序 中用到的的 I / 0、 计数器 和存储器 , 以及对它们的说 明, 图 6也 是 S 73 0 0 P L C程序 的符号表。 当 P L C接通电源时 , 首先进行初始化 , 包括对各个 M B及计数 器复位。 当按下 S B 1 按钮 I O . 01 时, 进入分时段 自动控制模式 , 程 序进入白天 高负荷 控制状态, O 计数器和 0 ≠ } 定时器配合实现1 4 . 5 小时的定时, 相关定时程序参见图 4 ; 此时 M O . I 为 l , Q F 1 、 Q F 2 、 Q V 3 和 Q V 4 线 圈得 电, 触点闭合 , 两台变压器同时供电。如图 7 所示。 当定时时间到 , 计数器 的常闭触点闭合 , M 0 . 2置 1 , M 0 . 1 复 位为 0 , 进入晚上 低负荷 定时状态, l 撑 计数器和 l 撑 定时器配合实 现 9 . 5 小时的定 时; M 0 . 2为 l , “ K M” 线圈得电 , 联络开关闭合 , 当 “ 选择 T I 变压器” 时, M 4 . 0为 1 , Q F 1 和 Q F 2线圈得电 , 此时 l 变 压器单独供电 ; 当“ 选择 T 2 变压器” 时 , M 4 . 2为 1 , Q F 3和 Q F 4线 圈得 电, 此时 2 群 变压器单独供电。 程序中还考虑了周末情况 。设置 2 减计数器 , 预置初值为 5 , 计数运行的天数 。 如图 8所示。 如果 2 计数器计数值不为 0 , 表 明 未到周末 , 返 回, 进行下一天的运行控制 , 重复前一天 的控制 内容; 如果 2 计数器计数值为 0时 , 表 明已运行 5天 , 其常闭触点闭合 , 进入周末运行控制状态 , M0 . 3置 l , 一 台变压器单独集 中供电。 此 时 3 卅 数器和 2 碇 时器配合实现 4 8小时的定时 , 定时时问到 , 返 回, 进行下一周的运行控制 , 重复前一周的控制 内容。 在设计时, 还考虑到了寒暑假期 低负荷 和特殊情况 例如要 求两变压器 同时供电 的需要 。 当松开 S B I 按下 S B 2时, 切断分时段 自动控制模式, 进入低负荷运行模式, 各 MB和计数器复位, M 0 . 4 置 1 , 这时由一台变压器集中供电;当要求两台变压器同时供电时, s s 打到中间 ⋯ 0 ’ 位, 此时进人高负荷运行模式 , 各 MB和计数器复位 , M O . 5 置 1 , 两台变压器同时供电。变压器切换参照图 7 。 7 结束语 程序经过调试运行 , 满足实际要求 , 达到 _『 节 能的 目的 , 具有 较好的经济效益和社会效益。但本设计是关于分时段控制的 ,所 以对投入运行的起始点要求特别严格 ,如果起始点不同 ,所谓 的 “ 时段” 也就失去了意义, 所以程序中设置了自动校正起始点的功 能 , 由于与本文 内容相关不大 , 在此不再详叙 。 本 文阐述的基于 P L C的供电系统分 时段控 制方法是 以校园 供电系统为例 ,程序中时间的设置可以参照实际情况而定 。校园 7 8 l E le c t r ic a I Au t o ma t io n Ne t w o r k i 5 Ti t 1 e Ne t wo r k 1 6Ti t 1 e 0 M 4 . 2 “ Q F I I / l l r N et wo r k 1 8 Ti t 1 e M 4 . 0 3 Q F 图 7 变压器切换控制程序 N e t w o r k 9 C D 计数器, 从周一到周五对天数计数 .2 “ l 计数器 。 2 Il 计数器 Ne t w o r k 1 0 Ti t l e C D _ - 一 动 i ” M 2 . 4 2 计数器 卜 P 卜 S C 卜 C 5 0 . 2“ 1 计数器 “ 2 计 数器 M o . 3 图 8 设置 2 计数器 负荷具有典型的周期性变化规律, 对于其它具有类似规律的负荷, 具有参考意 义 参考文献 f l J 刷芝 峰. 变压器的合理使用 与节能 【 J 】 . 变压器, 2 0 0 7 , 4 4 4 5 4~5 5 。 【 2 ] 李 发海. 王岩. 电机与拖 动基础 【 M] . 北京 清华大学出版社, 1 9 9 4 ; [ 3 I 廖 常初 大中型 P L C应用教程【 M】 . 北京 机械工业 出版社 , 2 0 0 6 . [ 4 l 西 门子公司. S T E P 7 编程手册 【 G】 . 2 0 0 4 . [ 作者简介】 秦绪平 1 9 7 7 一 , 男, 山东日照人, 讲师, 硕士, 主要从事电力 电 if - 与 电力 传 动 方 面 的研 究 。