基于PLC的校園供電系統(tǒng)分時(shí)節(jié)能設(shè)計(jì)

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)基于PLC的校園供電系統(tǒng)節(jié)能控制摘要：對于學(xué)校而言，用電負(fù)荷的變化周期性強(qiáng)、波動大、為供電系統(tǒng)的分時(shí)段運(yùn)行創(chuàng)造了有利條件。結(jié)合實(shí)際案例介紹了兩臺變壓器分時(shí)段運(yùn)行的控制思路和設(shè)計(jì)方法。給出了控制系統(tǒng)原理圖和PLC控制的應(yīng)用程序，并對節(jié)能效果作了詳盡的計(jì)算。1、引言節(jié)能是一項(xiàng)國家長期的基本國策，學(xué)校更應(yīng)該做節(jié)能的典范。除了加強(qiáng)學(xué)生的節(jié)能意識教育和加強(qiáng)用電管理之外，積極采用技術(shù)節(jié)能更是行之有效的途徑，在某校供電系統(tǒng)的改造中，根據(jù)學(xué)校負(fù)荷晝夜落差大、呈周期性變化的特點(diǎn)，對兩臺變壓器實(shí)行基于PLC控制的時(shí)段切換運(yùn)行,達(dá)到了節(jié)能的目的。2、供電現(xiàn)狀與負(fù)荷分析該學(xué)校占地面積約m2，有教學(xué)樓七棟，綜合辦公樓和行政辦公樓兩棟，學(xué)生公寓八棟，學(xué)生實(shí)習(xí)用車間四個(gè)，食堂、圖書館和多功能活動中心各一個(gè)。學(xué)?？偟挠?jì)算負(fù)荷為900KV·A由兩臺600KV·A的油浸式變壓器供電，由于學(xué)校逐步擴(kuò)建的原因，兩臺變壓器相隔數(shù)年先后投運(yùn)。投運(yùn)后，線路沒有很好地梳理，只是為了兩臺變壓器的負(fù)荷平衡，對供電對象做了一些簡單調(diào)整。兩臺變壓器之間沒有聯(lián)絡(luò)，檢修和調(diào)度都不方便。為了尋找節(jié)電途徑，對學(xué)校的負(fù)荷運(yùn)行情況做了長期的跟蹤監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)負(fù)荷的變化具有明顯的周期性，且落差較大。負(fù)荷比較集中的時(shí)間是7：30～16：00負(fù)荷率大約在70﹪，16：00以后部分教師下班，學(xué)生下課，負(fù)荷率降至38﹪而21：00以后隨著圖書館和教室的關(guān)閉，負(fù)荷降到最低點(diǎn)，變壓器的負(fù)荷率只有18﹪左右。3、分時(shí)段運(yùn)行的節(jié)能效果與計(jì)算3.1節(jié)能途徑分析變壓器的效率是與負(fù)荷率相關(guān)的。一般而言，負(fù)荷率在55﹪左右時(shí)其效率最高。其關(guān)系如圖所示。由圖可以看出21：00至次日7：30之間負(fù)荷最小，變壓器的負(fù)荷率不足最高時(shí)的1/3，此時(shí)變壓器是處于低效率運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)然是不利的。變壓器的損耗包括鐵損和銅損兩部分。其鐵損只取決于變壓器的材料和制作工藝，與負(fù)荷無關(guān)，即鐵損為常量。而銅損卻和負(fù)荷率的平方成正比。當(dāng)負(fù)荷率降低時(shí)，其鐵損并未減少，它有可能成為損耗的主體。因此，著眼點(diǎn)就是要盡量避免變壓器的低負(fù)荷運(yùn)行或空載運(yùn)行。這也就是尋找的節(jié)能途徑。該學(xué)校由兩臺變壓器供電，如果能分時(shí)段運(yùn)行，即在負(fù)荷高時(shí)，即21：00～7：30之間，照常由兩臺變壓器供電，而在21：00以后或節(jié)假日，也就是負(fù)荷最低時(shí)，由一臺變壓器集中供電，這樣既可以省掉一臺變壓器的空載損耗，又可使另一臺變壓器運(yùn)行在較高效率區(qū)間，從而達(dá)到節(jié)能的目的。3.2節(jié)能計(jì)算通過上述分析提出了一種節(jié)能的途徑，究竟能否節(jié)能可以通過以下的計(jì)算來判定。從設(shè)備手冊中得知變壓器的參數(shù)為：型號S9—630/10，電壓10/0.4KV,鐵損1.3KW，銅損6KW。為了計(jì)算方便，不妨設(shè)變壓器的鐵損為W1,銅損為Wc，效率為m，則變壓器的損耗為：W1=Wi+Wcm2根據(jù)實(shí)際情況，僅就21：00至次日7：30這段時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。在這期間，兩臺變壓器同時(shí)運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷率為18﹪，合并為一臺變壓器運(yùn)行時(shí)負(fù)荷率為36﹪，于是可計(jì)算如下：一臺變壓器集中供電的損耗為：W1=Wi+Wcm2=1.3+6×0.362KW=2.07KW兩臺變壓器同時(shí)供電時(shí)的損耗為：W2=（Wi+Wcm2）×2=（1.3+6×0.182）×2KW=2.99KW由此可以看出合并為一臺變壓器運(yùn)行時(shí)的節(jié)省功率為（2.99－2.07）KW=0.92KW。學(xué)校每年正常工作日為40周，共計(jì)200天，其余為假期，共計(jì)165天，正常工作日單臺變壓器集中供電的時(shí)間為11h，假日單臺變壓器集中供電的時(shí)間為24h。于是，就可以計(jì)算出一年的節(jié)電量為W=(0.92×200×11+0.92×165×24)KW·h=5667KW·h，折算成資金為一萬多元錢，用這筆錢可以創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)和社會效益。值得提醒的是，本文的控制方法對于負(fù)荷變化周期性強(qiáng)且晝夜落差明顯的用電單位才有節(jié)電空間，對于其他用戶是否適用!需具體情況具體分析。4.供電系統(tǒng)的改進(jìn)通過以上分析計(jì)算可知，如果對兩臺變壓器按時(shí)段切換運(yùn)行，就可以節(jié)電。為此，對供電系統(tǒng)的主回路和控制回路進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，按照工程量最小、用料最省的原則，在最短的時(shí)間內(nèi)完成了改造。4.1主回路設(shè)計(jì)原來線路的問題主要有兩方面，一是兩臺變壓器之間沒有聯(lián)絡(luò)，不能起到互為備用作用，更滿足不了時(shí)段切換運(yùn)行的需求；二是變壓器的負(fù)荷分配不合理，造成部分負(fù)荷線路超載，如食堂經(jīng)常會由于線路壓降過大而影響設(shè)備的使用，無故增加了供電的緊張氣氛。針對上述問題，首先對線路的負(fù)荷重新計(jì)算，線路重新調(diào)整，對負(fù)荷大的線路進(jìn)行分流，對重點(diǎn)負(fù)荷改用專線供電，基本上做到了合理配電和安全用電。為了滿足按時(shí)段切換運(yùn)行的要求，在兩段低壓母線之間增加了聯(lián)絡(luò)開關(guān)，考慮到頻繁操作的要求和低負(fù)荷運(yùn)行的實(shí)際情況，聯(lián)絡(luò)開關(guān)采用CKJ5—630/1.14型低壓交流接觸器，CKJ5系列交流真空接觸器適用于額定電壓至1140V，額定電流630A，的饋電線路中，適用于頻繁操作的場合。為了使變壓器能與電源隔離，在保留原有高壓側(cè)真空斷路器的基礎(chǔ)上，又在變壓器低壓側(cè)增加了ZN7型低壓真空斷路器!該斷路器容量大，可以較頻繁地操作。真空斷路器和接觸器的操作電壓都選擇AC220V，使用方便。改造后的部分供電系統(tǒng)如圖所示。4.2控制回路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對兩臺變壓器的切換運(yùn)行，實(shí)際就是對 QF1、QF2、QF3、QF4以及KM進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。當(dāng)需要兩臺變壓器同時(shí)供電時(shí)，QF1、QF2、QF3、和QF4均閉合，KM斷開；當(dāng)需要一臺變壓器集中供電時(shí)，QF1、QF2和QF3、QF4中的一組和KM閉合而另一組斷開?？紤]到長假期和特殊情況的需要，控制系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了手動/自動操作選擇。當(dāng)選擇手動操作時(shí)，由操作人員確定是一臺變壓器集中供電還是兩臺變壓器分別供電，當(dāng)需要一臺變壓器供電時(shí)，還可以人為選擇是哪一臺變壓器供電；當(dāng)選擇自動工作制時(shí)，變壓器的切換由PLC來控制，系統(tǒng)會按PLC的程序自動運(yùn)行，控制原理圖如圖所示。圖中SS1為手動/自動選擇，向左45°為自動，向右45°為手動；SS2為單臺或兩臺運(yùn)行選擇，向右45°時(shí)，KA1得電，1﹟變壓器（T1）單臺集中供電，向左45°時(shí)，KA2得電，2﹟變壓器（T2）單臺集中供電，當(dāng)打到中間“0”位時(shí)KA2得電，此時(shí)為兩臺變壓器分別供電。KA3、KA4、KA5三個(gè)接點(diǎn)來自PLC的外接繼電器。當(dāng)選擇自動工作制時(shí)，它們就會在PLC程序的控制下，自動完成單臺供電或兩臺變壓器供電的按時(shí)段切換控制。5.PLC的接線與編程5.1PLC接線根據(jù)該校的要求，選用了三菱公司的FX2N—16MR型PLC，該P(yáng)LC總的I/O點(diǎn)數(shù)為16點(diǎn)，體積小，重量輕，經(jīng)濟(jì)耐用。按鈕SB是自動工作制時(shí)的投入起動按鈕，它和SS1串聯(lián)后接入X0，SS2的4、5、6三個(gè)回路分別接X1、X2和X3的輸入接口。斷路器的輔助接點(diǎn)分別接到PLC的X4至X7。輸出端口Y0、Y1、Y2和Y3分別接圖4PLC接線示意圖四個(gè)繼電器，其接點(diǎn)分別與圖3中的相關(guān)繼電器連接，以實(shí)現(xiàn)對變壓器的切換控制。PLC接線圖如圖4所示。另外，PLC的電源也受SS1的控制。當(dāng)SS1選擇自動工作制時(shí)，PLC電源接通并轉(zhuǎn)入運(yùn)行（RUN）狀態(tài)。此時(shí)只要按下SB起動按鈕，PLC程序就開始執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的自動運(yùn)行。5.2PLC應(yīng)用程序的編制5.2.1計(jì)時(shí)器的擴(kuò)展編程在自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，計(jì)時(shí)器幾乎是不可缺少的，自從有了PLC之后，時(shí)間控制變得更加簡單和方便。PLC中的定時(shí)器種類多（有普通定時(shí)器和積算式定時(shí)器），數(shù)量大（總共有256個(gè)的定時(shí)器可供選用），精度高（定時(shí)精度可到ms）。即便如此，對于超長延時(shí)的需求而言，還顯得有些不足。例如，在設(shè)計(jì)中，一臺變壓器集中供電和兩臺變壓器分散供電的轉(zhuǎn)換就是靠時(shí)間來控制的，從7：30～21：00這個(gè)時(shí)段，需要計(jì)時(shí)長達(dá)13.5h，而FX2N系列PLC的最大計(jì)時(shí)長度也僅有3276.7s，不到1h。為了解決這個(gè)問題，在編程時(shí)利用計(jì)數(shù)器和定時(shí)器的配合，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)器的時(shí)間擴(kuò)展，達(dá)到了長延時(shí)的目的把定時(shí)器設(shè)定為1800s（30min），定時(shí)器每到達(dá)設(shè)定值時(shí)#就重新開始計(jì)時(shí)，這樣，當(dāng)定時(shí)器完成一個(gè)計(jì)時(shí)過程時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就加1，當(dāng)計(jì)數(shù)器累計(jì)到27時(shí)，定時(shí)器就延時(shí)了13.5h。即30×27min=810min=13.5h。PLC中計(jì)數(shù)器有100多個(gè)，每個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可高達(dá)32767，由此可見，只要用該方法編程，就不存在超長計(jì)時(shí)問題了。定時(shí)器擴(kuò)展的程序如圖5所示。5.2.2應(yīng)用程序編制因?yàn)樽儔浩鞯那袚Q具有明確的周期性，且遵循嚴(yán)格的時(shí)間關(guān)系，比較適合采用步進(jìn)順控指令（SFC）編程。步進(jìn)指令簡單明了，運(yùn)行可靠。變壓器時(shí)段運(yùn)行的步進(jìn)指令狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示。從轉(zhuǎn)移圖中可知，當(dāng)PLC接通電源時(shí)，初始脈沖M8002激活狀態(tài)S0，使S20、S21、C0和C1復(fù)位；一旦SS1選擇自動并且SB按鈕閉合，PLC的X0使能，激活狀態(tài)S20，使Y1輸出，KA4得電，QF1—QF4閉合，1#、2#兩臺變壓器同時(shí)運(yùn)行；由T0和C0組成的計(jì)時(shí)環(huán)節(jié)也開始計(jì)時(shí)；當(dāng)時(shí)間到達(dá)設(shè)定值時(shí)，C0輸出，激活狀態(tài)S21，PLC的輸出Y3使能，使聯(lián)絡(luò)接觸器KM吸合。同時(shí)，根據(jù)SS2的選擇位置不同，Y0和Y2必有且只有一個(gè)得電，以完成由兩臺變壓器分散供電到由一臺變壓器集中供電的轉(zhuǎn)換。單臺變壓器集中供電的時(shí)間，由T1和C1組成的計(jì)時(shí)環(huán)節(jié)控制，到達(dá)時(shí)間設(shè)定值且C2的計(jì)數(shù)值不到5，狀態(tài)就會轉(zhuǎn)到S20，開始下一個(gè)循環(huán)，這樣周而復(fù)始，每天就會按照設(shè)計(jì)，保證變壓器的分時(shí)段可靠運(yùn)行。程序中還考慮了雙休日的特殊情況，因?yàn)閷W(xué)校雙休日都是放假的，且一年中也天數(shù)不少，應(yīng)該給以重視。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中的S22就是雙休日的控制部分，計(jì)數(shù)器C2反映了KM1（Y3）的得電次數(shù)，當(dāng)C2計(jì)數(shù)值累計(jì)到5時(shí)，說明已到周末，程序自動轉(zhuǎn)入狀態(tài)S22，于是原來工作的單臺變壓器繼續(xù)工作48h，直到周一7：30轉(zhuǎn)入正常時(shí)段運(yùn)行。5.2.3程序的不足整個(gè)系統(tǒng)的控制思想以時(shí)段為基礎(chǔ)，也就是只考慮了一個(gè)區(qū)間的長短，如果投入運(yùn)行的起始點(diǎn)不同，所謂的“時(shí)段”就失去意義了。而程序中沒有自動校正起始點(diǎn)的功能，只能靠人工控制投入運(yùn)行的時(shí)間點(diǎn)/r/