中低壓配電網自動化及其PLC實現方案 PLC論文

北京天運順通科技發展有限責任公司 ，作者：車向民

摘　要：從現代社會對配電的要求、電力企業自身的發展需要、國內外配網自動化發展的狀況等方面，論述了中低壓配電網自動化的必要性；對配電網自動化的幾種現有方案進行了比較，提出了用可編程序控制器（PLC）來實現中低壓配電網自動化的解決方案，并對PLC方案的具體實現作了詳細的介紹。
　　
　　　　關鍵詞：配電網；自動化；可編程控制器
　　
　　　　隨著科學技術的發展，實現中低壓配電網的自動化已成為電力系統發展的趨勢。中低壓配電網作為輸配電系統的最后一個環節，其實現自動化的程度與供用電的質量和可靠性密切相關。為此，本文特對中低壓配電網自動化的必要性及其實現方案作簡單的討論。
　　
　　　　1　實現中低壓配電網自動化的必要性
　　
　　　　1．1　實現中低壓配電網自動化是提高人們生活質量、發展國民經濟的要求
　　
　　　　在現代社會中，供電質量的好壞，不僅反映一個國家或地區人們的生活質量、水平和投資環境的好壞，更是影響經濟發展的重要因素，它決定著工業發展的方向、規模。實際上，信息時代的到來，要求不間斷供電的計算機設備越來越多，給供電提出了更高的要求。停電或限電會導致減產，而忽然的停電則會危害工廠的重要設備。只有實現中低壓配電網的自動化，才可能最大限度地提高供電質量，滿足人們日常生活工作與生產的需要。
　　
　　　　1．2　實現中低壓配電網自動化是電力企業自身發展的需要　　
　　
　　　　實現中低壓配電網自動化，可提高供電的質量和可靠性。實現中低壓配電網自動化，可減少故障次數，縮小事故范圍，縮短事故時間，為恢復供電、快速分析、診斷、報告事故原因提供有效的依據。
　　
　　　　實現中低壓配電網自動化，可以提高整個電力系統的經濟效益：減輕維護人員的勞動強度；減少操作人員；增強電力系統的免維護性；有利于提高設備的安全和健康水平，延長使用壽命。
　　
　　　　實現中低壓配電網自動化，可以提高整個電網的管理水平。主要包括：為電力系統計算機管理自動、準確、及時地提供更為詳盡、豐富的數據和信地方、任何用戶的計劃停電、供電；可以方便、直觀地監控全局內各個用戶的用電、供電情況，實現總體控制。
　　
　　　　1．3　中低壓配電網是我國配電網自動化的薄弱環節　　
　　
　　　　配電網自動化建設，在我國盡管起步較晚，但也已經進行了近20年的研究和實踐，取得初步成效。但是研究與實踐成果大多數都是在高壓配電網（35 k V以上）層次上進行的，而在中低壓配電網（配電房這一層次）的自動化問題上，還是一片空白，既沒有總體的規劃，也沒有一個統一的技術原則。不僅如此，目前的縱向監控一般只限于變電站的出線以前，對于從變電站饋線到終端用戶等屬于用電管理范疇的監控，除少數大用戶的負荷控制外，尚無其它監控手段。
　　
　　　　2　中低壓配電網自動化方案
　　
　　　　2．1　電力系統自動化現有方案的比較　　
　　
　　　　中低壓配電網（主要指開關站、開關房、開閉所）的自動化和變電站的自動化具有一定的相似性。因此，分析一下變電站自動化的實現方法，對于正確確定中低壓配電網自動化方案具有重要意義。
　　
　　　　變電站自動化系統由5個部分組成：主站、遠方終端單元（re mote terminal units，RTU）、線路傳感器、遠方控制SF6或真空開關、通信電纜。其中，RTU裝置位于變電站現場，可以自動采集各種開關狀態量（遙信）、模擬量（遙測），并經專用通道傳遞到監控中心的主站系統；有的RTU還可以按監控人員的意圖和指令執行特定的遙控操作，并將操作結果返送監控中心主站系統。
　　
　　　　從變電站RTU可以實現的功能來看，變電站的自動化包括3個方面的內容：遙信、遙測、遙控。除此之外，有的系統還可以根據遙測的結果實現電能量總加功能。與此相應，變電站自動化系統可以分為兩類：一類只實現了遙信、遙測的功能，即傳統的SCADA系統；而最新的SCADA系統則屬于另外一類，它應該可以實現所有“三遙”功能。這兩類系統對應著電力系統自動化的不同階段和水平。
　　
　　　　從變電站RTU實現遙測的方法來看，RTU存在兩種實現方案：
　　
　　　　a）直流采樣方案
　　
　　　　這種類型的RTU裝置在采集模擬量之前，先利用變送器將交流轉化成直流，然后再使用RTUA／D轉換元件將直流量表示成數字量。其裝置以模擬電路為主，輔以少量的數字電路。其特點在于需要變換器，無需高級的數字處理單元（CPU等），難以反映模擬量的瞬時變化，無法進行諧波分析，電能量總加功能的實現比較復雜困難。
　　
　　　　b）交流采樣方案
　　
　　　　這種類型的RTU裝置直接使用A／D轉換元件對交流電量進行采集計算，無需變送器之類的轉換設備，但需要快速的數字處理單元進行配合，以對采集到的數據進行分析、綜合。它不僅可以反映電量的瞬時變化，而且可以進行諧波分析，計算頻率，簡單地實現電能量總加功能。它們多使用微型計算機（如8 X86等）配合多個單片機（如8051、8098等）、并加上大量的A／D轉換電路，來實現開關量、模擬量的采集。
　　
　　　　當前在數字技術得到充分發展和應用的情況下，交流采樣方案是配網自動化的一個合理選擇。它以數字電路為主，輔以少量的模擬電路，功能強大，擴充容易，可靠性較直流采樣方案有較大提高，綜合成本低。
　　
　　　　2．2　中低壓配網自動化的應用特點
　　
　　　　中低壓配網自動化系統由主站、遠方終端單元（RTU）、線路傳感器、遠方控制SF6或真空開關、通信電纜等五個部分組成。中低壓配電網自動化的應用有自己不同的特點：
　　
　　　　a）傳統的變電站RTU在功能上偏重遙信、遙測，但中低壓配電網的自動化對象（開關房、開閉所和配電房）數目繁多，開關操作頻繁，更注重遙信、遙控功能。
　　
　　　　b）中低壓配電網的自動化對象遍布城市、農村等各種不同環境，被不同層次的用電管理人員（包括農村電工）所操作。更要求其具有安裝靈活、易操作、免專業維護、抗惡劣環境等特點。
　　
　　　　c）應用于中低壓配電網的RTU，在功能上應具有模塊化結構，在硬件上要越簡單、越可靠越好。最好是同一套簡單硬件，只要簡單進行一下設置，就可以滿足不同場合、不同規模的要求。
　　
　　　　由此可見，有必要開發新型的、不同于傳統結構的RTU，以適合中低壓配電網自動化的特點和需要。
　　
　　　　2．3　中低壓配電網自動化RTU的PLC實現
　　
　　　　可編程序控制器（programmable logic con－troller，PLC）技術經過幾十年的發展，已經相當成熟。其品種齊全，功能繁多，已被廣泛應用于工業控制的各個領域。用PLC來實現中低壓配電網自動化的RTU功能，能夠很好地滿足RTU的特有的要求。在國內市場，有來自許多著名廠家的PLC產品。這些產品從簡單到復雜，都自成系列，可以滿足不同應用的特殊要求。大多數中低檔次的PLC產品，都包含有離散點輸入和輸出（點數的多少可以依據應用情況增減）、模擬采樣輸入、時鐘、通信等功能。利用這類PLC的現成功能，可以方便地實現中低壓配電網自動化的 RTU功能。使用PLC的離散輸入點來實現遙信、用PLC的離散輸出點來實現遙控、用PLC的模擬采樣輸入來實現遙測、用PLC的通信功能來實現和主機的通信。完成這些功能，都無需額外的硬件，只需根據開關房的實際情況，對PLC進行簡單編程即可。不僅如此，利用PLC的模擬輸出功能，甚至還可以實現配電網的遙調。例如調節調壓變壓器的變比，調節靜止無功補償設備的電壓、電流相角等。
　　
　　　　這樣一種基于PLC的中低壓配電網自動化的RTU實現方案，完全可以滿足中低壓配網自動化的特殊要求。它具有以下特點和優勢：硬件結構簡單，完全免維護；規模可大可小，只需將 PLC的擴展模塊連接在一起，就可以實現遙控點、遙信點、遙測點的增加；抗惡劣環境；高可靠性；編程實現各種功能，免硬件調試；費用低廉。
　　
　　　　PLC方案在具體設計時，包括以下幾個步驟：
　　
　　　　a）獲取操作點數。了解配電網的基本情況及自動化的具體要求，確定系統需要進行遙控、遙信、遙測、甚至遙調的設備，統計各處配電房需要這4種信號的具體點數。
　　
　　　　b）確定通信方案。根據配電網的規模及分布情況，確定總體設計方案，主要是通信方案的設計和選擇。
　　
　　　　c）PLC選型。根據各處各種操作的點數以及所確定的通信方案，選擇恰當型號的PLC來實現RTU功能。
　　
　　　　由于RTU需接受監控中心的指令，并上傳配電網、開關柜的信息，所以通信功能是選擇PLC的主要考慮因素。
　　
　　　　由于各開關房、開關柜的操作類型、操作點數往往相差很大，因此，PLC是否具有模塊化結構和組態能力，是否能夠靈活、經濟地組成輸入點、輸出點、測量點（A／D）、調節點（D／A）的規模可變系統，是選擇PLC型號的另一個主要考慮因素。
　　
　　　　目前，很多廠家的產品，都可以滿足通信以及模塊化的要求。例如，SIEMENS的 S7－214以上系列，三菱的A1S系列，松下的較高級別的PLC系列等。根據具體情況，在一個配網自動化工程中，整個配電網系統可以選用同一個廠家的PLC，也可以根據配電房的具體情況，選用不同廠家的PLC，以利用各廠家PLC的優勢和特色。
　　
　　　　3　RTU功能的PLC實現
　　
　　　　RTU功能的PLC實現包括硬件實現和軟件實現兩個方面。
　　
　　　　3．1　硬件實現方面
　　
　　　　在硬件方面，主要存在PLC的電源如何提供，PLC如何實現長距離的通信，遙控、遙信、遙測、遙調如何具體實現等問題。
　　
　　　　由于PLC都有配套的專用電源模塊，因此在設計RTU時，主要應考慮電網斷電后PLC的供電問題，通常以配置充電電池的方式解決。
　　
　　　　一般PLC的通信模塊只具有短距離的通信能力，雖然有些公司為PLC提供配套的組網模塊，但通信距離也限制在若干千米以內。而配電網的特點是點多、面廣，因此，必須借助其它方式以延長PLC的通信距離。方法很多，有電話調制解調器方案、專線調制解調器方案、無線方案、尋呼臺服務方案、光纖方案等。在同一個配電自動化工程中，可以根據具體情況，采用單一方法，也可以采用多種方法組合。
　　
　　　　在RTU的四遙操作方面，由于PLC的電平以及功率容量同操作設備不可能正好一致，加上有電氣隔離的要求，因此，必須增加輔助的電位轉換、功率放大、電氣隔離等模塊和器件。
　　
　　　　對于遙控，當PLC收到開關指令時，輸出點到內部電源的通路被接通或關斷，如果直接用輸出點的輸出電流去操作開關設備，則功率根本不夠。因此，可把PLC的輸出點作為一個小功率繼電器的激磁電源，以控制該繼電器的常開或常閉觸點的開合，再由該繼電器去控制配電網的配電開關的操作電源，使配電開關動作，線路或配電設備被投切。
　　
　　　　對于遙信，則是將被測開關的輔助觸點兩端引線接到PLC的輸入點和地，當配電開關動作時，輔助觸點相應開閉，PLC的相應輸入點與地之間被斷開或短接，從而在PLC內部獲得一個高電平或低電平。
　　
　　　　對于遙測，經互感器出來的信號，必須落在PLC的A／D轉換模塊的測量范圍之內，才能接入到相應模塊的輸入端。此外，在選擇PLC的A／D模塊時，還要考慮采樣周期問題。周期太長，將無法獲得精確數值。
　　
　　　　PLC可以實現遙調功能，但因電網中應用很少，這里不予詳述。
　　
　　　　3．2　軟件實現方面
　　
　　　　在PLC軟件方面，由于PLC以循環掃描和中斷兩種方式來執行程序，因此為了完成所有RTU功能，PLC軟件應包括：循環掃描執行的主程序；通信程序（接收和發送報文）；收到報文分析程序；上發報文產生程序；輸入點電平中斷掃描程序；操作執行程序（遙控、遙信、遙測等）。
　　
　　　　在上述程序模塊的編制中，應重點考慮以下問題：
　　
　　　　a）PLC的主CPU的速度是否足夠快？如何編制出執行時間短的程序？
　　
　　　　b）PLC和監控中心的通信要利用一套復雜的通信規約，PLC的程序容量能否容下所有程序？如何編制出短小精干的程序？
　　
　　　　c）PLC是通過循環掃描輸入點的內存映像以獲取輸入點的輸入狀態的，在配電開關動作時，相應輔助觸點往往存在短暫的抖動。抖動的機械頻率雖然很高，但相對于PLC的程序掃描執行的頻率卻是很低的，因此這種抖動會在PLC的內存映像中反映為多次不相干的開關動作，如何在程序上消除這種開關動作的假象？
　　
　　　　實踐證明，采用恰當的編程技巧，以上各種問題都可以得到圓滿解決。
　　
　　　　4　結論
　　
　　　　實現我國中低壓配電網自動化，是提高供電質量、用電可靠性和提高電力企業自身水平的需要。利用PLC來實現中低壓配電網的RTU功能，具有簡單、可靠、易用等特點，是一個比較有應用前景的實現方案。