中低壓配電網(wǎng)自動化及PLC實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

中低壓配電網(wǎng)自動化及PLC實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

中低壓配電網(wǎng)作為輸配電系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，其實(shí)現(xiàn)自動化的程度與供用電的質(zhì)量和可靠性密切相關(guān)。為此，本文特對中低壓配電網(wǎng)自動化的必要性及其實(shí)現(xiàn)方案作簡單的討論。

1 實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動化的必要性

1.1 實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動化是提高人們生活質(zhì)量、發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的要求

在現(xiàn)代社會中，供電質(zhì)量的好壞，不僅反映一個國家或地區(qū)人們的生活質(zhì)量、水平和投資環(huán)境的好壞，更是影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，它決定著工業(yè)發(fā)展的方向、規(guī)模。實(shí)際上，信息時代的到來，要求不間斷供電的計(jì)算機(jī)設(shè)備越來越多，給供電提出了更高的要求。停電或限電會導(dǎo)致減產(chǎn)，而忽然的停電則會危害工廠的重要設(shè)備。只有實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)的自動化，才可能最大限度地提高供電質(zhì)量，滿足人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ髋c生產(chǎn)的需要。

1.2 實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動化是電力企業(yè)自身發(fā)展的需要　　

實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動化，可提高供電的質(zhì)量和可靠性。實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動化，可減少故障次數(shù)，縮小事故范圍，縮短事故時間，為恢復(fù)供電、快速分析、診斷、報告事故原因提供有效的依據(jù)。

實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動化，可以提高整個電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益：減輕維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度；減少操作人員；增強(qiáng)電力系統(tǒng)的免維護(hù)性；有利于提高設(shè)備的安全和健康水平，延長使用壽命。

實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動化，可以提高整個電網(wǎng)的管理水平。主要包括：為電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)管理自動、準(zhǔn)確、及時地提供更為詳盡、豐富的數(shù)據(jù)和信地方、任何用戶的計(jì)劃停電、供電；可以方便、直觀地監(jiān)控全局內(nèi)各個用戶的用電、供電情況，實(shí)現(xiàn)總體控制。

1.3 中低壓配電網(wǎng)是我國配電網(wǎng)自動化的薄弱環(huán)節(jié)　　

配電網(wǎng)自動化建設(shè)，在我國盡管起步較晚，但也已經(jīng)進(jìn)行了近20年的研究和實(shí)踐，取得初步成效。但是研究與實(shí)踐成果大多數(shù)都是在高壓配電網(wǎng)（35 k V以上）層次上進(jìn)行的，而在中低壓配電網(wǎng)（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(guī)劃，也沒有一個統(tǒng)一的技術(shù)原則。不僅如此，目前的縱向監(jiān)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(jiān)控，除少數(shù)大用戶的負(fù)荷控制外，尚無其它監(jiān)控手段。

2 中低壓配電網(wǎng)自動化方案

2.1 電力系統(tǒng)自動化現(xiàn)有方案的比較　　

中低壓配電網(wǎng)（主要指開關(guān)站、開關(guān)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(shí)現(xiàn)方法，對于正確確定中低壓配電網(wǎng)自動化方案具有重要意義。

變電站自動化系統(tǒng)由5個部分組成：主站、遠(yuǎn)方終端單元（re mote terminal units，RTU）、線路傳感器、遠(yuǎn)方控制SF6或真空開關(guān)、通信電纜。其中，RTU裝置位于變電站現(xiàn)場，可以自動采集各種開關(guān)狀態(tài)量（遙信）、模擬量（遙測），并經(jīng)專用通道傳遞到監(jiān)控中心的主站系統(tǒng)；有的RTU還可以按監(jiān)控人員的意圖和指令執(zhí)行特定的遙控操作，并將操作結(jié)果返送監(jiān)控中心主站系統(tǒng)。

從變電站RTU可以實(shí)現(xiàn)的功能來看，變電站的自動化包括3個方面的內(nèi)容：遙信、遙測、遙控。除此之外，有的系統(tǒng)還可以根據(jù)遙測的結(jié)果實(shí)現(xiàn)電能量總加功能。與此相應(yīng)，變電站自動化系統(tǒng)可以分為兩類：一類只實(shí)現(xiàn)了遙信、遙測的功能，即傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)；而最新的SCADA 系統(tǒng)則屬于另外一類，它應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)所有“三遙”功能。這兩類系統(tǒng)對應(yīng)著電力系統(tǒng)自動化的不同階段和水平。

從變電站RTU實(shí)現(xiàn)遙測的方法來看，RTU存在兩種實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)化成直流，然后再使用RTUA／D轉(zhuǎn)換元件將直流量表示成數(shù)字量。其裝置以模擬電路為主，輔以少量的數(shù)字電路。其特點(diǎn)在于需要變換器，無需高級的數(shù)字處理單元（CPU等），難以反映模擬量的瞬時變化，無法進(jìn)行諧波分析，電能量總加功能的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)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(zhuǎn)換元件對交流電量進(jìn)行采集計(jì)算，無需變送器之類的轉(zhuǎn)換設(shè)備，但需要快速的數(shù)字處理單元進(jìn)行配合，以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、綜合。它不僅可以反映電量的瞬時變化，而且可以進(jìn)行諧波分析，計(jì)算頻率，簡單地實(shí)現(xiàn)電能量總加功能。它們多使用微型計(jì)算機(jī)（如8 X86等）配合多個單片機(jī)（如8051、8098等）、并加上大量的A／D轉(zhuǎn)換電路，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)量、模擬量的采集。

當(dāng)前在數(shù)字技術(shù)得到充分發(fā)展和應(yīng)用的情況下，交流采樣方案是配網(wǎng)自動化的一個合理選擇。它以數(shù)字電路為主，輔以少量的模擬電路，功能強(qiáng)大，擴(kuò)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(wǎng)自動化的應(yīng)用特點(diǎn)

中低壓配網(wǎng)自動化系統(tǒng)由主站、遠(yuǎn)方終端單元（RTU）、線路傳感器、遠(yuǎn)方控制SF6 或真空開關(guān)、通信電纜等五個部分組成。中低壓配電網(wǎng)自動化的應(yīng)用有自己不同的特點(diǎn)：

a）傳統(tǒng)的變電站RTU在功能上偏重遙信、遙測，但中低壓配電網(wǎng)的自動化對象（開關(guān)房、開閉所和配電房）數(shù)目繁多，開關(guān)操作頻繁，更注重遙信、遙控功能。

b）中低壓配電網(wǎng)的自動化對象遍布城市、農(nóng)村等各種不同環(huán)境，被不同層次的用電管理人員（包括農(nóng)村電工）所操作。更要求其具有安裝靈活、易操作、免專業(yè)維護(hù)、抗惡劣環(huán)境等特點(diǎn)。

c）應(yīng)用于中低壓配電網(wǎng)的RTU，在功能上應(yīng)具有模塊化結(jié)構(gòu)，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(jìn)行一下設(shè)置，就可以滿足不同場合、不同規(guī)模的要求。

由此可見，有必要開發(fā)新型的、不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的RTU，以適合中低壓配電網(wǎng)自動化的特點(diǎn)和需要。

2.3 中低壓配電網(wǎng)自動化RTU的PLC實(shí)現(xiàn)

可編程序控制器（programmable logic con－troller，PLC）技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)相當(dāng)成熟。其品種齊全，功能繁多，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。用PLC來實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動化的RTU功能，能夠很好地滿足RTU的特有的要求。在國內(nèi)市場，有來自許多著名廠家的PLC產(chǎn)品。這些產(chǎn)品從簡單到復(fù)雜，都自成系列，可以滿足不同應(yīng)用的特殊要求。大多數(shù)中低檔次的PLC產(chǎn)品，都包含有離散點(diǎn)輸入和輸出（點(diǎn)數(shù)的多少可以依據(jù)應(yīng)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(xiàn)成功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動化的 RTU功能。使用PLC的離散輸入點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)遙信、用PLC的離散輸出點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)遙控、用PLC的模擬采樣輸入來實(shí)現(xiàn)遙測、用PLC的通信功能來實(shí)現(xiàn)和主機(jī)的通信。完成這些功能，都無需額外的硬件，只需根據(jù)開關(guān)房的實(shí)際情況，對PLC進(jìn)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(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的遙調(diào)。例如調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器的變比，調(diào)節(jié)靜止無功補(bǔ)償設(shè)備的電壓、電流相角等。

這樣一種基于PLC的中低壓配電網(wǎng)自動化的RTU實(shí)現(xiàn)方案，完全可以滿足中低壓配網(wǎng)自動化的特殊要求。它具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢：硬件結(jié)構(gòu)簡單，完全免維護(hù)；規(guī)模可大可小，只需將 PLC的擴(kuò)展模塊連接在一起，就可以實(shí)現(xiàn)遙控點(diǎn)、遙信點(diǎn)、遙測點(diǎn)的增加；抗惡劣環(huán)境；高可靠性；編程實(shí)現(xiàn)各種功能，免硬件調(diào)試；費(fèi)用低廉。

PLC方案在具體設(shè)計(jì)時，包括以下幾個步驟：

a）獲取操作點(diǎn)數(shù)。了解配電網(wǎng)的基本情況及自動化的具體要求，確定系統(tǒng)需要進(jìn)行遙控、遙信、遙測、甚至遙調(diào)的設(shè)備，統(tǒng)計(jì)各處配電房需要這4種信號的具體點(diǎn)數(shù)。

b）確定通信方案。根據(jù)配電網(wǎng)的規(guī)模及分布情況，確定總體設(shè)計(jì)方案，主要是通信方案的設(shè)計(jì)和選擇。

c）PLC選型。根據(jù)各處各種操作的點(diǎn)數(shù)以及所確定的通信方案，選擇恰當(dāng)型號的PLC 來實(shí)現(xiàn)RTU功能。

由于RTU需接受監(jiān)控中心的指令，并上傳配電網(wǎng)、開關(guān)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(guān)房、開關(guān)柜的操作類型、操作點(diǎn)數(shù)往往相差很大，因此，PLC是否具有模塊化結(jié)構(gòu)和組態(tài)能力，是否能夠靈活、經(jīng)濟(jì)地組成輸入點(diǎn)、輸出點(diǎn)、測量點(diǎn)（A／D）、調(diào)節(jié)點(diǎn)（D／A）的規(guī)?？勺兿到y(tǒng)，是選擇PLC型號的另一個主要考慮因素。

目前，很多廠家的產(chǎn)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(jù)具體情況，在一個配網(wǎng)自動化工程中，整個配電網(wǎng)系統(tǒng)可以選用同一個廠家的PLC，也可以根據(jù)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(yōu)勢和特色。

3 RTU功能的PLC實(shí)現(xiàn)

RTU功能的PLC實(shí)現(xiàn)包括硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)兩個方面。

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)方面

在硬件方面，主要存在PLC的電源如何提供，PLC如何實(shí)現(xiàn)長距離的通信，遙控、遙信、遙測、遙調(diào)如何具體實(shí)現(xiàn)等問題。

由于PLC都有配套的專用電源模塊，因此在設(shè)計(jì)RTU時，主要應(yīng)考慮電網(wǎng)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(wǎng)模塊，但通信距離也限制在若干千米以內(nèi)。而配電網(wǎng)的特點(diǎn)是點(diǎn)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(diào)制解調(diào)器方案、專線調(diào)制解調(diào)器方案、無線方案、尋呼臺服務(wù)方案、光纖方案等。在同一個配電自動化工程中，可以根據(jù)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(shè)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(zhuǎn)換、功率放大、電氣隔離等模塊和器件。

對于遙控，當(dāng)PLC收到開關(guān)指令時，輸出點(diǎn)到內(nèi)部電源的通路被接通或關(guān)斷，如果直接用輸出點(diǎn)的輸出電流去操作開關(guān)設(shè)備，則功率根本不夠。因此，可把PLC的輸出點(diǎn)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(diǎn)的開合，再由該繼電器去控制配電網(wǎng)的配電開關(guān)的操作電源，使配電開關(guān)動作，線路或配電設(shè)備被投切。

對于遙信，則是將被測開關(guān)的輔助觸點(diǎn)兩端引線接到PLC的輸入點(diǎn)和地，當(dāng)配電開關(guān)動作時，輔助觸點(diǎn)相應(yīng)開閉，PLC的相應(yīng)輸入點(diǎn)與地之間被斷開或短接，從而在PLC內(nèi)部獲得一個高電平或低電平。

對于遙測，經(jīng)互感器出來的信號，必須落在PLC的A／D轉(zhuǎn)換模塊的測量范圍之內(nèi)，才能接入到相應(yīng)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(shù)值。

PLC可以實(shí)現(xiàn)遙調(diào)功能，但因電網(wǎng)中應(yīng)用很少，這里不予詳述。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)方面

在PLC軟件方面，由于PLC以循環(huán)掃描和中斷兩種方式來執(zhí)行程序，因此為了完成所有RTU功能，PLC軟件應(yīng)包括：循環(huán)掃描執(zhí)行的主程序；通信程序（接收和發(fā)送報文）；收到報文分析程序；上發(fā)報文產(chǎn)生程序；輸入點(diǎn)電平中斷掃描程序；操作執(zhí)行程序（遙控、遙信、遙測等）。

在上述程序模塊的編制中，應(yīng)重點(diǎn)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(zhí)行時間短的程序？

b）PLC和監(jiān)控中心的通信要利用一套復(fù)雜的通信規(guī)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(huán)掃描輸入點(diǎn)的內(nèi)存映像以獲取輸入點(diǎn)的輸入狀態(tài)的，在配電開關(guān)動作時，相應(yīng)輔助觸點(diǎn)往往存在短暫的抖動。抖動的機(jī)械頻率雖然很高，但相對于PLC的程序掃描執(zhí)行的頻率卻是很低的，因此這種抖動會在PLC的內(nèi)存映像中反映為多次不相干的開關(guān)動作，如何在程序上消除這種開關(guān)動作的假象？

實(shí)踐證明，采用恰當(dāng)?shù)木幊碳记?，以上各種問題都可以得到圓滿解決。

4 結(jié)論

實(shí)現(xiàn)我國中低壓配電網(wǎng)自動化，是提高供電質(zhì)量、用電可靠性和提高電力企業(yè)自身水平的需要。利用PLC來實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)的RTU功能，具有簡單、可靠、易用等特點(diǎn)，是一個比較有應(yīng)用前景的實(shí)現(xiàn)方案。