變電站綜合控制

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摘要本文將PLC分級遞階控制引入變電站綜合控制中，有效的提高了控制系統(tǒng)的可靠性；同時引入智能控制技術(shù)，大大減少了變壓器故障，提高了供電質(zhì)量。

關(guān)鍵詞PLC分級遞階控制變電站智能技術(shù)

1引言

眾所周知變電站是電力系統(tǒng)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，由于它擔(dān)負(fù)著電能轉(zhuǎn)換和電能重新分配的繁重任務(wù)，對電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行起著重要的作用。但是，現(xiàn)存的許多老式變電站由于存在安全性、可靠性不能適應(yīng)電力系統(tǒng)實時控制等一系列缺點而無法滿足電力系統(tǒng)現(xiàn)代化的各項要求。因此提出一種安全、可靠、能提高電力系統(tǒng)運行、管理水平的變電站綜合自動化設(shè)計方案已成為一項十分緊迫的任務(wù)。目前，已經(jīng)實際運行的綜合自動控制系統(tǒng)有：LAS系統(tǒng)、基于CAN/LON網(wǎng)的分散分布式變電站控制系統(tǒng)等，它們在實際應(yīng)用中取得了較好的成效，但也存在著技術(shù)和經(jīng)濟上的各種缺點。本文在研制智能型有載調(diào)壓變壓器監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從變電站綜合自動化發(fā)展的大方向(即從集中控制型向分散(層)網(wǎng)絡(luò)型發(fā)展；從專用設(shè)備向平臺發(fā)展；從傳統(tǒng)控制向綜合智能方向發(fā)展)出發(fā)，提出了一種新型的變電站綜合自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，可應(yīng)用于變電站綜合自動控制系統(tǒng)中，有著廣泛的應(yīng)用前景。

變電站綜合自動化包括的內(nèi)容很多，它是將變電站的二次設(shè)備(控制信號、測量保護(hù)、自動裝置及遠(yuǎn)動裝置等)利用計算機技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)經(jīng)過功能組合和優(yōu)化設(shè)計，對變電站執(zhí)行自動監(jiān)視、控制和協(xié)調(diào)的一種綜合性的自動化系統(tǒng)。以下僅以變壓器有載調(diào)壓監(jiān)控系統(tǒng)為例，說明PLC分級遞階控制這種結(jié)構(gòu)體系在變電站綜合自動控制中是有效、可行的。

2PLC分極遞階控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

可編程控制器(PLC)被稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱(PLC、機器人和CAD/CAM)之一，具有可靠性高，易于控制，編程使用簡單，性價比高，環(huán)境適應(yīng)性強等特點，已被廣泛地應(yīng)用于控制領(lǐng)域，在變電站綜合自動控制中也已有應(yīng)用。但是PLC在數(shù)據(jù)、信息處理與圖象顯示等方面仍顯不足，還無法與計算機相比，因而未能充分發(fā)揮其強大功能，一般只是用PLC對開關(guān)量進(jìn)行控制。但近年來隨著PLC通信網(wǎng)絡(luò)功能的不斷增強，已可以方便的將PLC與計算機連接。利用計算機運算速度快，信息處理方便，顯示性能高的優(yōu)點，將其作為上位機，行使管理功能，與PLC形成一個優(yōu)勢互補的分級遞階控制系統(tǒng)。這樣，PLC就可以執(zhí)行復(fù)雜的控制職能，從而可以對變電站進(jìn)行最優(yōu)綜合控制。

分級遞階控制思想的實質(zhì)是將一個大的控制系統(tǒng)按功能或結(jié)構(gòu)進(jìn)行層次分配，將全系統(tǒng)的監(jiān)視和控制功能劃屬于不同的級別去完成，各級完成分配給它的功能，并將有關(guān)信息傳遞到上一級，接受上一級管理。綜合控制功能由最高一級決策執(zhí)行，各級的工作相互協(xié)調(diào)，力求整個控制系統(tǒng)達(dá)到最佳效果。

分級遞階控制依據(jù)“層次越高，智能越高，控制精度越低；層次越低，智能越低，控制精度越高”的擬人的原則進(jìn)行設(shè)計。基于PLC的分級遞階控制系統(tǒng)共分為三級：組織級、監(jiān)控/協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級。

(1)組織級(OrganizationLevel)這是整個系統(tǒng)的最高級，其智能程度最高，執(zhí)行組織管理決策的智能，對下進(jìn)行指導(dǎo)和監(jiān)控。該級對上通過人機接口與管理人員進(jìn)行友善的人機對話，執(zhí)行管理決策的職能。對下監(jiān)視、指導(dǎo)協(xié)調(diào)級的所有行為。其智能程度最高，但精度不高，宜粗不宜細(xì)，以便進(jìn)行宏觀指導(dǎo)。該級還可以根據(jù)實際生產(chǎn)過程和環(huán)境等信息，采用人—機結(jié)合的方式自動或半自動的提出合理的控制目標(biāo)或指標(biāo)，形成相應(yīng)的命令或任務(wù)向低層下達(dá)。這部分通常由高功能的計算機來完成。

(2)監(jiān)控/協(xié)調(diào)級(CoordinationLevel)該級主要根據(jù)組織級的命令協(xié)調(diào)下位PLC的運行，避免下位PLC發(fā)生沖突，并將下位PLC的信息傳輸?shù)缴衔挥嬎銠C。監(jiān)控/協(xié)調(diào)機既可以是工業(yè)控制計算機也可以是主PLC或PLC終端，可根據(jù)控制要求進(jìn)行選擇。

(3)執(zhí)行級(ExecutiveLevel)這是控制系統(tǒng)的最低級，執(zhí)行現(xiàn)場控制功能，是自動控制系統(tǒng)中控制的關(guān)鍵級。該級智能最低，但可靠性、控制精度和實時性要求最高，因而PLC正是最佳選擇。同時，該級的PLC可通過現(xiàn)場總線與上位的監(jiān)控協(xié)調(diào)級連接進(jìn)行實時的在線控制和協(xié)調(diào)?，F(xiàn)場總線技術(shù)一般采用塌陷結(jié)構(gòu)，使用開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型的低層協(xié)議，因而結(jié)構(gòu)簡單，實時性強。

上述結(jié)構(gòu)，利用計算機運算速度快，信息處理功能強大的優(yōu)勢，使計算機集中管理各控制子系統(tǒng)，對現(xiàn)場信息進(jìn)行綜合處理，給出最優(yōu)解決方案。同時，控制級計算機可以通過局域網(wǎng)與其它計算機相連，既可以實現(xiàn)資源共享，又可以使不同系統(tǒng)在統(tǒng)一調(diào)度下，協(xié)調(diào)工作，減少資源浪費。下位PLC或遠(yuǎn)程工作站分散后進(jìn)行連網(wǎng)，這樣，執(zhí)行級各控制器件就可在現(xiàn)場實現(xiàn)分散控制，并通過網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞到上位控制機，使上位機進(jìn)行集中管理。即使下位PLC或遠(yuǎn)程工作站個別設(shè)備出現(xiàn)故障，也不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓，整體性能好，運行可靠。

3PLC分級遞階控制系統(tǒng)在變電站綜合控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

當(dāng)前，已有變電站將PLC引入控制系統(tǒng)中，但是僅僅利用PLC對開關(guān)量進(jìn)行控制，如對有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)的調(diào)節(jié)，并聯(lián)補償電容器的投切等。遠(yuǎn)沒有充分發(fā)揮PLC的強大功能。

3.1在變電站綜合控制系統(tǒng)中PLC分級遞階控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

利用本文上面提到的分級遞階控制結(jié)構(gòu)，我們可以按照三級機構(gòu)設(shè)計變電站綜合控制系統(tǒng)。

(1)組織級的設(shè)計

組織級是本系統(tǒng)的最高級，承擔(dān)著最優(yōu)決策的功能。當(dāng)前變電站綜合控制大部分仍是按照傳統(tǒng)的九區(qū)控制方法，利用電壓和無功功率雙參數(shù)將變電站運行狀態(tài)分為九個區(qū)，根據(jù)各個區(qū)所對應(yīng)的控制方案進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是，在該控制系統(tǒng)中，無功調(diào)節(jié)判據(jù)是一個與電壓無關(guān)的平行于電壓坐標(biāo)軸的固定邊界，沒有充分考慮無功調(diào)節(jié)與電壓調(diào)節(jié)相互間的協(xié)調(diào)關(guān)系。根據(jù)“保證電壓合格，無功基本平衡，盡量減少調(diào)節(jié)次數(shù)”的變電站電壓和無功綜合調(diào)節(jié)的基本原則，無功調(diào)節(jié)邊界應(yīng)當(dāng)是一個受電壓狀態(tài)影響，且在一定范圍內(nèi)服務(wù)于電壓調(diào)節(jié)的模糊邊界。因此，我們對傳統(tǒng)的控制策略也作了改進(jìn)，引入了無功調(diào)節(jié)判據(jù),提出了模糊邊界的無功調(diào)節(jié)?；陔妷号c無功的相互影響,對電容器組的投切判據(jù)建立如下數(shù)學(xué)模。

式中：U0為標(biāo)準(zhǔn)電壓；Q0為每組電容器的容量；U為電壓實時值；Q為實時功率值；α1，α2為權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)上面推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型，可以得到修正后的電壓無功雙參數(shù)調(diào)節(jié)的模糊邊界,如圖2所示。

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我們利用計算機進(jìn)行模糊推理，得到最優(yōu)控制策略，形成控制規(guī)則表，將其傳遞到下級進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。同時該級為操作人員提供了良好的人機界面，將電壓、電流、有功、無功等信息以曲線圖、柱狀圖等形式實時反映出來，并且在出現(xiàn)異常情況時可進(jìn)行聲光報警，使操作人員可以及時全面的了解系統(tǒng)運行情況，并可對生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。該級計算機裝有專家知識庫，在變電站內(nèi)出現(xiàn)故障時，可在專家系統(tǒng)的引導(dǎo)下，盡快解除故障。定時召喚打印功能和無人抄表功能可以方便的使變電站綜合控制實現(xiàn)無人職守。根據(jù)各變電站的實際運行情況和不同時段的電壓、無功波動情況，還可以通過控制級計算機設(shè)定電壓整定值和靈敏度參數(shù)，而且根據(jù)控制要求還可以由功能按鈕直接對有載調(diào)壓變壓器的分接頭和補償電容進(jìn)行控制，以進(jìn)一步增加控制的靈活性。

該級的計算機還可以通過Ethernet、ARCNET等局域網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)信息共享，對某一區(qū)域進(jìn)行綜合控制，這樣既可以從整體上進(jìn)行控制，更有利于提高整個地區(qū)的供電質(zhì)量，還可以減少資源的浪費。

(2)監(jiān)控/協(xié)調(diào)級的設(shè)計

該級的主要功能是完成組織級下達(dá)的命令，負(fù)責(zé)執(zhí)行級PLC的協(xié)調(diào)工作。該級可由計算機或主PLC構(gòu)成，隨著PLC性能價格比的不斷提高，一般變電站的監(jiān)控/協(xié)調(diào)級都可由主PLC承擔(dān)。在變電站中，多變壓器的同步調(diào)節(jié)主要由該級負(fù)責(zé)，同時它還負(fù)責(zé)執(zhí)行級現(xiàn)場信息的傳輸，在整個分級遞階控制中起著橋梁作用。

在小型的變電站中，為了節(jié)省投資，也可以將組織級和監(jiān)控/協(xié)調(diào)級集成在一個高性能的計算機中。

(3)執(zhí)行級的設(shè)計

執(zhí)行級的智能程度最低，但控制精度和實時性要求最高。由于變電站電磁干擾嚴(yán)重，常規(guī)的控制器件難以達(dá)到精確控制，因而可靠性高、實時性好、性能價格比高的PLC是最佳選擇。由于PLC與計算機聯(lián)網(wǎng)，可以將最優(yōu)控制結(jié)果下載到PLC，利用PLC實現(xiàn)各種最優(yōu)控制。對于主要器件如主變壓器，可以采用PLC的冗余技術(shù)更進(jìn)一步提高可靠性。所謂PLC冗余技術(shù)即正常運行時，一臺PLC作為主PLC進(jìn)行控制，其它的PLC作為備用，監(jiān)視系統(tǒng)運行。當(dāng)主PLC發(fā)生故障時，由PLC協(xié)調(diào)器件指定另外一臺PLC作為主PLC，控制系統(tǒng)運行，將有故障的PLC換下維修。由于PLC發(fā)生故障的幾率十分小，采用冗余技術(shù)后的故障率幾乎為零。

現(xiàn)在的PLC大多提供了現(xiàn)場總線技術(shù)，利用組態(tài)軟件可以方便的將現(xiàn)場的多臺PLC組成現(xiàn)場總線局域網(wǎng)?，F(xiàn)場總線采用開放式的標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，可以十分方便的將分散的智能化設(shè)備連接起來，有利于徹底的實現(xiàn)分布式控制，而且有利于各臺PLC的協(xié)調(diào)動作，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.2通信口的設(shè)計

C系列的C200H配有HOSTLINK通信模塊，對上可與計算機通信，進(jìn)行組網(wǎng)連接；對下可通過RS-232、RS-485等實現(xiàn)近程或遠(yuǎn)程的通信，實現(xiàn)對生產(chǎn)線各個監(jiān)控點的監(jiān)控。本系統(tǒng)中鏈接的PLC不多，故可采用“輪詢”式的工作方式，依次對鏈接的PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上位機對來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)經(jīng)特征識別、分析判斷后，針對不同的狀態(tài)，再經(jīng)過通信口給下級下達(dá)命令。操作人員還可經(jīng)PLC終端對PLC的工作進(jìn)行可視性監(jiān)控，通過觸摸屏開關(guān)下達(dá)命令。因此整個系統(tǒng)運行的正常與否和通信口的設(shè)計關(guān)系極大。為保證通信暢通可靠，在編制程序時應(yīng)注意以下幾點：

(1)波特率的設(shè)定應(yīng)與HOSTLINK單元的SW3的設(shè)置保持一致；

(2)為保證傳輸可靠，對指令幀每一字符進(jìn)行“異或”邏輯運算，形成通信指令檢驗的FCS碼；

(3)對由HOSTLINK單元返回的響應(yīng)幀在判讀其相應(yīng)位為“00”后處理，若FCS校驗錯或響應(yīng)幀相應(yīng)位不為“00”，顯示錯誤信息，重新發(fā)送指令。

基于PLC分級遞階控制的變電站綜合自動控制系統(tǒng)既吸取了集散控制系統(tǒng)“信息集中，控制分散”的優(yōu)勢，又保留了PLC所固有的可靠性、靈活性及性能價格比高的優(yōu)點，同時大大降低了傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)的成本，提高了系統(tǒng)性能，以最低成本來完成高技術(shù)的自動化。

該控制系統(tǒng)各級之間既有分工又有聯(lián)系，協(xié)調(diào)工作。同時按照現(xiàn)場實際控制需要，將執(zhí)行級的PLC采用分散控制結(jié)構(gòu)，將各個PLC分散后進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，一方面可將變電站的全部信息通過網(wǎng)絡(luò)傳至組織級計算機以實現(xiàn)信息集中管理，另一方面可避免因個別設(shè)備出現(xiàn)故障而造成整個系統(tǒng)的癱瘓，提高了可靠性。

由于控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)形式，各變電站可依據(jù)自己的需要選擇不同數(shù)量、不同規(guī)格的PLC模塊，整個系統(tǒng)采用分級分散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，使增加或去除某些單元不會影響整個系統(tǒng)的功能。同時，PLC可以實現(xiàn)在線編程，根據(jù)不同的需要對設(shè)定值進(jìn)行整定，而不需要改變整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因而大大提高了系統(tǒng)的靈活性。

4結(jié)論

本文將PLC分級遞階控制的先進(jìn)思想引入變電站綜合控制中，提出了一種先進(jìn)、可靠、有較高性能價格比的變電站綜合自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。其基本思想是：通過通信網(wǎng)絡(luò)將PLC可靠性高、靈活性好、性能價格比高的優(yōu)勢與計算機信息處理快、顯示性能強的優(yōu)勢相結(jié)合，實現(xiàn)了變電站“管理集中，控制分散”的集散式控制。同時，將模糊控制與專家系統(tǒng)等智能技術(shù)引入變電站綜合控制，可以有效減少分接頭和補償電容器的動作次數(shù)，減少變壓器故障，提高電壓質(zhì)量?，F(xiàn)場實驗證明本設(shè)計可靠性高，成本低，實用性強，符合變電站綜合控制向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向。

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