摘要110kV 气体绝缘金属全封闭开关（简称GIS）由于组合电器元件多，电器元件间联锁逻辑复杂，运行过程需要监视信号多，给目前采用的电磁机械式二次装置带来了越来越复杂的布线要求，使得就地控制柜体积庞大，接线复杂，给现场调试安装带来极大不便。同时由于数量庞大的二次元件故障给运行造成不必要的故障，甚至事故。采用大型可编程控制器替代原有电磁机械式二次装置，即可保证运行可靠，又简化了设计，减少元件使用，方便现场安装，同时采用光纤通讯，确保在高电位条件下通讯可靠，防止误操作。本文介绍了基于西门子S7-300的可编程控制器在GIS开关操作、远动、在线监测和自诊断等智能化改进中方案和应用, 省去了传统的模拟控制板、光字牌和中间继电器等外设元件，它们都将以模拟或者数字信号的方式存在于PLC程序中或者直接显示于触摸屏。其中中间继电器均以中间变量的形式存在于PLC程序中，而模拟控制板和光字牌则直接在触摸屏或计算机中以图形状态体现，同时与PLC程序中的对应变量相关联。因此它不仅节省了元件成本，同时也提升了系统的安全性和稳定性。
气体绝缘金属全封闭组合电器（GIS）是指整个开关站设备包封在金属壳内并充以SF6气体作绝缘，这类设备具有尺寸小、占地面积小、可抵御苛酷环境条件、可靠性高等优点。近几年，随着智能化电气的发展,特别是智能化开关[1]、光电式互感器等机电一体化设备的出现,以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用,使以GIS开关为原型的变电站信息的采集、传输实现全智能化处理提供了理论和物质基础。
随着可编程逻辑控制器（PLC）的发展，PLC的功能得到极大的提升，形成了各种规模的系列化产品，以适用于各种环境和规模的工业控制场合。同时，随着电子技术的发展，PLC的硬件功能不断增强，除了提供逻辑处理功能以外，PLC还不断完善了数据运算能力，以便用于各种数字控制领域。随着PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。在保留PLC功能的前提下，采用面向现场总线网络的体系结构，采用开放的通信接口，如以太网、高速串口等；同时，PLC采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路具备很强的抗干扰能力，一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间更长。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。因此，整个系统具有极高的可靠性，在变电站综合自动化中得到了广泛的应用。
国内外发展现状
国外智能GIS发展现状
当前，世界上大型高压开关制造公司竞相改革GIS的二次技术，尤其欧洲几大制造公司表现的更为突出。
西门子公司
最新型8DN9 GIS采用了在线检测系统，利用计算机辅助的电子控制和监视单元进行连续控制和监测。用电流和电压传感器取代传统电流电压互感器。带间隔处理能力的数字间隔控制系统用于监测和记录所有基本运行参数，这样可以进行系统发展趋势分析，实现“状态检修”。
Alstom公司
在就地控制柜中安装计算机控制二次功能。用密度计、光电传感器、电流传感器和局放测量传感器对GIS进行周期性或永久性的状态监测，用光纤或屏蔽电缆传送信号，数字技术和计算方法将所有信息不仅用于间隔的自动控制，也用于监测整个设备。
ABB公司
GIS产品分为EXK和ELK型，其产品很有特点。ABB公司早在1984年就开始更新高压电器设备的二次系统控制技术，将一次和二次技术融合在一起，在二次技术上经历了3个发展阶段：传统技术、现代技术和智能技术。其中在EXK为智能化产品[2]有72.5、123KV电压等级，其中EXK-01型Smart-GIS中体现了智能技术应用，是先进的一次设备制造技术、新型传感器和现代计算机技术的整合。
我国智能GIS发展现状
随着淮北110千伏桓谭变电站投运，我国已建成的智能变电站数量已经超过10座以上。 其中有北川110千伏智能变电站、220千伏西泾智能变电站以及500千伏兰溪变电站，特别是世界最高电压等级的智能变电站——750千伏延安变电站投运，标志着我国智能变电站试点工程不断取得进展。这将拉开我国开始大规模建设智能变电站的序幕，同时对于我国建设坚强智能电网[4]也具有重要意义。
我国在淮北110千伏桓谭变电站的建设过程中，采用大量的新技术、新工艺、新设备来实现整个变电站的数字化、智能化。工程建设中应用国内领先的纯光纤电子式电流互感器；断路器独立地执行其当地功能，一次开关实现智能化；应用国内领先光学电压互感器技术；应用统一的信息共享平台；将通过配置光伏发电系统，以实现变电站的“零损耗”；应用智能化告警与分析策略高级智能功能应用智能站用电源及辅助设备系统；应用变压器新型光纤光栅温度传感器在线监控系统应用；采用GOOSE网络，实现网络化、信息共享标准化；应用GIS组合电气采用SF6压力、微水在线监测系统等，采用数字化的监视和控制手段减少了设备停电检修的几率和时间，实现一次设备100%在线监控。
基于可编程控制器的110kV智能化GIS二次控制系统设计与实现系统控制要求
系统总体控制要求
传统的GIS控制系统主要是模拟控制板、多位控制开关、光字牌、辅助开关、中间继电器、接触器等构成，用户通过手动操作模拟控制台，通过一系列的中间继电器的联锁验证后，在满足主回路逻辑条件和内部电控元件的自锁保护条件下，对开关进行输出控制，光字牌则主要用来直接反映开关位置状态和其它报警信号。其现场安装接线和调试工作量大，大量元件造成整个系统可靠性较低，容易拒动和误动作，而且，无法进行智能控制和在线监控功能。
本文提出的基于PLC系统的GIS二次智能化控制和监测系统，省去了模拟控制板、光字牌和中间继电器等外设元件，它们都将以模拟或者数字信号的方式存在于PLC程序中或者直接显示于触摸屏。一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。
其中中间继电器均以中间变量的形式存在于PLC程序中，而模拟控制板和光字牌则直接在触摸屏中以图形状态体现，同时与PLC程序中的对应变量相关联。因此它不仅节省了元件成本，同时也提升了系统的安全性和稳定性。
同时，为监测GIS一次元件的正常运行，早日发现事故隐患，本系统根据GIS开关运行特性，除应满足电力系统要求的“五防”和“四遥”外，还增加了如下的智能化程序模块，以便用户能迅速判断开关的运行状况，更准确地确定开关的检修时间，使开关的状态检修更加有针对性，最终达到节约成本目的：
1) 断路器、三工位隔离、接地开关、快速接地开关等操作元件的合分闸操作记录，用于监视各一次主要操作元件是否达到额定的机械寿命。
2) 断路器事故分闸记录，记录开断电流的加权值，间接测量断路器弧触头的烧损情况[1]。
3) 记录各元件气室的SF6气体密度变化情况，同时增加监视SF6气体的下降变化率，以便更准确地判断故障。
4) 断路器、三工位隔离、接地开关、快速接地开关等操作元件的操作回路监视，包括常规的回路断线，电机回路故障等，还增加了电机操作电流监视，以判断机构有无卡涩等情况。
系统的主要功能组成
整个系统由设备控制部分、在线监测部分和安全监控部分组成。设备控制部分主要完成数据和状态信号采集、现场控制输出。在线监测部分主要进行现场模拟量数据的收集、分析，并向用户提供状态检修意见和报警功能。监控部分则通过比较经过CPU处理的数据，实时显示系统各元件的工作状态，并向设备控制层发出控制指令，实现“遥信、遥测、遥控、遥调”功能。
系统监控层通过西门子的软件STEP7和SIMATIC WINCC FLEXIBLE操作屏组态软件进行编程，它承担了控制操作、状态显示、数据处理、操作记录等功能。用户在就地操作时，可通过触摸屏了解整个系统的工作状态，查看报警信息、发出控制信号；用户在远方操作时，可通过WINCC组态后的画面，了解整个系统的工作状态，查看报警信息、发出控制信号。
此监控层实现的主要功能如下：
1）控制操作：对系统内的所有被控断路器和辅助开关进行实时控制。
2）状态显示：用图形实时地显示一次主接线图内主要元件的运行状态。
3）数据处理：利用实时数据和历史数据，对系统内采集的各状态量进行逻辑判断。
4）操作记录：实时地记录用户对本系统的每一个操作（包括日期、用户名、设备名、具体操作结果等）
5）报警功能：当某一指定状态量发生变位时，直接通过触摸屏中的虚拟光字牌显示系统报警信号。
6）安全设置：可以设置多级密码，按不同的操作权限分别加密，以特定管理员来限定用户级别，并记录其它用户信息；普通用户将无法创建其它用户或者查看其它用户信息；管理员和普通用户均须登录成功后方可进行控制操作或者查看操作记录。
可编程控制器的选型
系统的硬件配置和构成
GIS控制系统硬件配置与一次元件的构成是相互相存的，主要根据一次元件的内容来配置二次元件功能和配置：
其中CT11-CT14为电流互感器，用于测量一次系统电流，PT01为母线侧电压互感器，用于测量变电站母线电压，PT11为线路侧电压互感器，用于测量线路侧电压，CB11为线路断路器，DSES11为母线侧三工位开关，DSES13为线路侧三工位开关，FES1开关为线路侧快速接地开关。
深圳鑫诺尔的HTS-2000VA正弦波逆变电源专门为通信系统、电力系统及工业自动化应用而设计的高品质逆变器，产品具有直流输入过欠压、输出过载保护、短路保护、直流输入与交流输出完全电气隔离等保护功能。并可提供RS232数字通信口、输入与输出有或无的故障干接点，也可通过计算机进行监控逆变电源的工作状态及历史记录，同时可以通过LCD或LED显示逆变电源的工作状态。
SF6密度变送器采用秦川集团宝鸡仪表有限公司 MSK—20型远传六氟化硫气体密度控制器，该仪器用于高压开关设备灭弧气体—六氟化硫(SF6)密度监测[3]的专用仪表，是该公司最新研制的机电一体化产品。仪表由MS-20型六氟化硫气体密度变送器、YX—100SF6六氟化硫气体压力（密度）表组合而成。变送器输出的4~20mA信号可接入PLC实时显示六氟化硫气体的密度，并可实现报
警和闭锁功能。仪表外观新颖，美观大方。具有独特先进的环境温度补偿功能，改变了传统的一般六氟化硫气体压力表的压力监测值与温度压力变化曲线对照来计算六氟化硫气体实际密度的繁杂检测过程。该表在使用温度范围内的任何温度下指示的压力值即指示的是室温20℃的压力（密度）值。
断路器三相电流二次测量采用香港恒发科技有限公司 HF-SD(DP)420E型交流电流传感器，采用霍尔电流元件，输入电流（交流）0-10A，电流测量范围0-50A ，输出电流4-20mA，响应时间≤20mS，线性度 ≤1%FS，直流电源为5-24VDC。能满足断路器三相故障电流采样使用。
可编程控制器采用SIMSTIC S7-300系统，是西门子公司的新一代高端产品，它具有完善的指令集，且采用了模块化的设计，使得其在计算性能、可扩展性和稳定性等方面有突出的优势；彩色触摸屏TP277配以西门子经典组态软件SIMATIC WINCC FLEXIBLE操作屏组态软件，使得整个人机界面操作简单灵活，且管理功能强大，可以直观准确的实现GIS系统的各项监控功能，并完全满足系统智能控制的要求；远方控制中心采用基于西门子WINCC控制系统的上位PC机，用于就地设备的操作、状态显示、历史记录、SOE显示和RTU功能。
PLC硬件配置
硬件设备中PLC元件表见表3.1，其中包括CPU（中央处理单元）、电源模块、开关量输入模块、开关量输出模块、光纤接口PROFIBUS DP主站或从站等，这些模块均为西门子SIMATIC S7-300 PLC系列的标准模块。其中数字量输入模块（DI16XDC24V SM321输入模块）采用高速输入响应模块，响应时间小于200μS，满足高压开关开入量10ms测量要求。模拟量输入模块采用高速输入响应模块，响应时间小于10mS，能满足电流测量要求。
结论
本次论文主要完成了间隔层的智能化GIS开关操作柜设计研究，说明了西门子S7-300型在GIS智能化设计过程的应用情况，通过S7-300丰富的编程功能和强大的硬件配置，完成了基本间隔要求的开关操作、联锁设计、就地电量/电度采集，实现了变电站的遥控，遥信和遥测的功能，有效地实现了高压开关的最安全控制；利用采集的开关机构操作过程电流信号以及操作时间，可以进一步分析开关机械设备的状况；同时，由于GIS自身的结构特点，不可避免存在SF6气体的泄漏，本次系统对SF6气体压力在线连续监视和诊断，很大程度上确保GIS的安全运行，促使用户在压力波动大时提前检修设备，避免事故的发生，为用户的实现状态检修提供依据；智能判断故障设备并自动告警，进一步提高了系统的可用性；采用标准的通信协议以及高速安全的网络通信与电站级管理系统连接，实现了变电站综合自动化对高压电器的智能化要求。