PLC分級遞階控制在變電站綜合控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
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)艾猜，由于它擔負著電能轉(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霉枢。但是首冒，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)代化的各項要求吐梗。因此提出一種安全突仆、可靠、能提高電力系統(tǒng)運行桐赠、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)穆垦。目前，已經(jīng)實際運行的綜合自動控制系統(tǒng)有：LAS系統(tǒng)涌粱、基于CAN/LON網(wǎng)的分散分布式變電站控制系統(tǒng)等辱郑，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)濟上的各種缺點侵选。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)上糟糊，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)展盐儿；從傳統(tǒng)控制向綜合智能方向發(fā)展)出發(fā)讳臣，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)中稠鼻，有著廣泛的應(yīng)用前景冈止。
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(控制信號候齿、測量保護熙暴、自動裝置及遠動裝置等)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)計慌盯，對變電站執(zhí)行自動監(jiān)視周霉、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俱箱、可行的国瓮。
2PLC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)之一狞谱，具有可靠性高巍膘，易于控制，編程使用簡單芋簿，性價比高，環(huán)境適應(yīng)性強等特點穴眨，已被廣泛地應(yīng)用于控制領(lǐng)域扎瞧，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)料悟、信息處理與圖象顯示等方面仍顯不足草颤，還無法與計算機相比，因而未能充分發(fā)揮其強大功能墙弛，一般只是用PLC對開關(guān)量進行控制捏表。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與計算機連接降井。利用計算機運算速度快镊迟，信息處理方便，顯示性能高的優(yōu)點隘吆，將其作為上位機箭溜，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)晕石。這樣桦陨，PLC就可以執(zhí)行復雜的控制職能，從而可以對變電站進行最優(yōu)綜合控制据途。
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)進行層次分配绞愚，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颖医，并將有關(guān)信息傳遞到上一級位衩，接受上一級管理。綜合控制功能由最高一級決策執(zhí)行便脊，各級的工作相互協(xié)調(diào)蚂四，力求整個控制系統(tǒng)達到最佳效果。
分級遞階控制依據(jù)“層次越高哪痰，智能越高遂赠，控制精度越低；層次越低，智能越低跷睦，控制精度越高”的擬人的原則進行設(shè)計筷弦。基于PLC的分級遞階控制系統(tǒng)共分為三級：組織級抑诸、監(jiān)控/協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級友移。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
(2)監(jiān)控/協(xié)調(diào)級(Coordination Level)該級主要根據(jù)組織級的命令協(xié)調(diào)下位PLC的運行莱衩，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娇澎。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終端笨蚁，可根據(jù)控制要求進行選擇。
(3)執(zhí)行級(Executive Level)這是控制系統(tǒng)的最低級趟庄，執(zhí)行現(xiàn)場控制功能括细，是自動控制系統(tǒng)中控制的關(guān)鍵級。該級智能最低戚啥，但可靠性奋单、控制精度和實時性要求最高，因而PLC正是最佳選擇猫十。同時览濒，該級的PLC可通過現(xiàn)場總線與上位的監(jiān)控協(xié)調(diào)級連接進行實時的在線控制和協(xié)調(diào)。現(xiàn)場總線技術(shù)一般采用塌陷結(jié)構(gòu)拖云，使用開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型的低層協(xié)議贷笛，因而結(jié)構(gòu)簡單应又，實時性強。
上述結(jié)構(gòu)石被，利用計算機運算速度快鲜映，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)低吠，對現(xiàn)場信息進行綜合處理袭仲，給出最優(yōu)解決方案。同時非淹，控制級計算機可以通過局域網(wǎng)與其它計算機相連箭基，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)度下周讯，協(xié)調(diào)工作的唆，減少資源浪費。下位PLC或遠程工作站分散后進行連網(wǎng)浅仑，這樣，執(zhí)行級各控制器件就可在現(xiàn)場實現(xiàn)分散控制屁样，并通過網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞到上位控制機屿扮，使上位機進行集中管理。即使下位PLC或遠程工作站個別設(shè)備出現(xiàn)故障我衬，也不會導致整個系統(tǒng)的癱瘓叹放，整體性能好，運行可靠挠羔。
3PLC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
當前井仰，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)量進行控制破加，如對有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)的調(diào)節(jié)俱恶，并聯(lián)補償電容器的投切等。遠沒有充分發(fā)揮PLC的強大功能范舀。
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)合是，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)的最高級锭环，承擔著最優(yōu)決策的功能聪全。當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)辅辩，根據(jù)各個區(qū)所對應(yīng)的控制方案進行調(diào)節(jié)难礼。但是，在該控制系統(tǒng)中墩倔，無功調(diào)節(jié)判據(jù)是一個與電壓無關(guān)的平行于電壓坐標軸的固定邊界涂颠，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)系固脸。根據(jù)“保證電壓合格，無功基本平衡扑认，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)的基本原則逻事，無功調(diào)節(jié)邊界應(yīng)當是一個受電壓狀態(tài)影響，且在一定范圍內(nèi)服務(wù)于電壓調(diào)節(jié)的模糊邊界犯舆。因此畜溺，我們對傳統(tǒng)的控制策略也作了改進，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)壮僵±碚拢基于電壓與無功的相互影響,對電容器組的投切判據(jù)建立如下數(shù)學模。
式中：U0為標準電壓清腌；Q0為每組電容器的容量厂均；U為電壓實時值；Q為實時功率值帆摊；α1碱茁，α2為權(quán)重系數(shù)。
根據(jù)上面推導出的數(shù)學模型仿贬，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所示纽竣。
我們利用計算機進行模糊推理，得到最優(yōu)控制策略茧泪，形成控制規(guī)則表蜓氨，將其傳遞到下級進行協(xié)調(diào)控制。同時該級為操作人員提供了良好的人機界面队伟，將電壓穴吹、電流、有功嗜侮、無功等信息以曲線圖港令、柱狀圖等形式實時反映出來，并且在出現(xiàn)異常情況時可進行聲光報警锈颗，使操作人員可以及時全面的了解系統(tǒng)運行情況缠借，并可對生產(chǎn)過程進行調(diào)節(jié)和控制。該級計算機裝有專家知識庫宜猜，在變電站內(nèi)出現(xiàn)故障時泼返，可在專家系統(tǒng)的引導下，盡快解除故障寇杆。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)無人職守沥卦。根據(jù)各變電站的實際運行情況和不同時段的電壓、無功波動情況构演，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)辩钢，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行控制辉召，以進一步增加控制的靈活性。
該級的計算機還可以通過Ethernet沛三、ARCNET等局域網(wǎng)進行聯(lián)網(wǎng)影虫，實現(xiàn)信息共享，對某一區(qū)域進行綜合控制墩衍，這樣既可以從整體上進行控制跛农，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谢市。
(2)監(jiān)控/協(xié)調(diào)級的設(shè)計
在小型的變電站中礼仗，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逻悠。
(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韭脊。由于變電站電磁干擾嚴重童谒，常規(guī)的控制器件難以達到精確控制，因而可靠性高沪羔、實時性好饥伊、性能價格比高的PLC是最佳選擇。由于PLC與計算機聯(lián)網(wǎng)蔫饰，可以將最優(yōu)控制結(jié)果下載到PLC陈谜，利用PLC實現(xiàn)各種最優(yōu)控制。對于主要器件如主變壓器喇暴，可以采用PLC的冗余技術(shù)更進一步提高可靠性牍系。所謂PLC冗余技術(shù)即正常運行時，一臺PLC作為主PLC進行控制倍熄，其它的PLC作為備用户寺，監(jiān)視系統(tǒng)運行。當主PLC發(fā)生故障時混检，由PLC協(xié)調(diào)器件指定另外一臺PLC作為主PLC抢督，控制系統(tǒng)運行稼注，將有故障的PLC換下維修。由于PLC發(fā)生故障的幾率十分小喧雹，采用冗余技術(shù)后的故障率幾乎為零栓堕。
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)≡矫現(xiàn)場總線采用開放式的標準總線結(jié)構(gòu)裤爆，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)分布式控制米苹，而且有利于各臺PLC的協(xié)調(diào)動作糕伐，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HOST LINK通信模塊蘸嘶，對上可與計算機通信良瞧，進行組網(wǎng)連接；對下可通過RS-232训唱、RS-485等實現(xiàn)近程或遠程的通信褥蚯，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不多况增，故可采用“輪詢”式的工作方式赞庶，依次對鏈接的PLC進行數(shù)據(jù)傳輸。上位機對來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)經(jīng)特征識別澳骤、分析判斷后歧强，針對不同的狀態(tài)，再經(jīng)過通信口給下級下達命令为肮。操作人員還可經(jīng)PLC終端對PLC的工作進行可視性監(jiān)控摊册，通過觸摸屏開關(guān)下達命令。因此整個系統(tǒng)運行的正常與否和通信口的設(shè)計關(guān)系極大果喊。為保證通信暢通可靠找骏，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HOST LINK單元的SW3的設(shè)置保持一致；
(2)為保證傳輸可靠实朗，對指令幀每一字符進行“異或”邏輯運算测捐，形成通信指令檢驗的FCS碼；
(3)對由HOST LINK單元返回的響應(yīng)幀在判讀其相應(yīng)位為“00”后處理垮撇，若FCS校驗錯或響應(yīng)幀相應(yīng)位不為“00”法简，顯示錯誤信息，重新發(fā)送指令状堰。
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)“信息集中眼骗，控制分散”的優(yōu)勢，又保留了PLC所固有的可靠性伪滤、靈活性及性能價格比高的優(yōu)點方秤，同時大大降低了傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)的成本燎厘，提高了系統(tǒng)性能，以最低成本來完成高技術(shù)的自動化益锻。
該控制系統(tǒng)各級之間既有分工又有聯(lián)系蠢琳，協(xié)調(diào)工作。同時按照現(xiàn)場實際控制需要镜豹，將執(zhí)行級的PLC采用分散控制結(jié)構(gòu)傲须，將各個PLC分散后進行聯(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)信息集中管理趟脂，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)的癱瘓泰讽，提高了可靠性。
由于控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)形式昔期，各變電站可依據(jù)自己的需要選擇不同數(shù)量已卸、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)形式硼一，使增加或去除某些單元不會影響整個系統(tǒng)的功能累澡。同時，PLC可以實現(xiàn)在線編程般贼，根據(jù)不同的需要對設(shè)定值進行整定愧哟，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)的靈活性哼蛆。
4結(jié)論
本文將PLC分級遞階控制的先進思想引入變電站綜合控制中蕊梧，提出了一種先進、可靠沮念、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)計方案配亮。其基本思想是：通過通信網(wǎng)絡(luò)將PLC可靠性高、靈活性好营俘、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)合尚蔗，實現(xiàn)了變電站“管理集中毛凶，控制分散”的集散式控制。同時篡搓，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帘圣，可以有效減少分接頭和補償電容器的動作次數(shù)，減少變壓器故障页镜，提高電壓質(zhì)量”矗現(xiàn)場實驗證明本設(shè)計可靠性高，成本低纸牌，實用性強瘾显，符合變電站綜合控制向網(wǎng)絡(luò)化愧杯、智能化發(fā)展的方向。
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