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中低压配电网自动化及其PLC实现方案
xiao_xiao1 发表于 2009/9/25 21:26:57 502 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]
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摘 要：从现代社会对配电的要求、电力企业自身的发展需要、国内外配网自动化发展的状况等方面，论述了中低压配电网自动化的必要性；对配电网自动化的几种现有方案进行了比较，提出了用可编程序控制器（PLC）来实现中低压配电网自动化的解决方案，并对PLC方案的具体实现作了详细的介绍。
关键词：配电网；自动化；可编程控制器
随着科学技术的发展，实现中低压配电网的自动化已成为电力系统发展的趋势。中低压配电网作为输配电系统的最后一个环节，其实现自动化的程度与供用电的质量和可靠性密切相关。为此，本文特对中低压配电网自动化的必要性及其实现方案作简单的讨论。
1 实现中低压配电网自动化的必要性
1．1 实现中低压配电网自动化是提高人们生活质量、发展国民经济的要求
在现代社会中，供电质量的好坏，不仅反映一个国家或地区人们的生活质量、水平和投资环境的好坏，更是影响经济发展的重要因素，它决定着工业发展的方向、规模。实际上，信息时代的到来，要求不间断供电的计算机设备越来越多，给供电提出了更高的要求。停电或限电会导致减产，而忽然的停电则会危害工厂的重要设备。只有实现中低压配电网的自动化，才可能最大限度地提高供电质量，满足人们日常生活工作与生产的需要。
1．2 实现中低压配电网自动化是电力企业自身发展的需要
实现中低压配电网自动化，可提高供电的质量和可靠性。实现中低压配电网自动化，可减少故障次数，缩小事故范围，缩短事故时间，为恢复供电、快速分析、诊断、报告事故原因提供有效的依据。
实现中低压配电网自动化，可以提高整个电力系统的经济效益：减轻维护人员的劳动强度；减少操作人员；增强电力系统的免维护性；有利于提高设备的安全和健康水平，延长使用寿命。
实现中低压配电网自动化，可以提高整个电网的管理水平。主要包括：为电力系统计算机管理自动、准确、及时地提供更为详尽、丰富的数据和信地方、任何用户的计划停电、供电；可以方便、直观地监控全局内各个用户的用电、供电情况，实现总体控制。
1．3 中低压配电网是我国配电网自动化的薄弱环节
配电网自动化建设，在我国尽管起步较晚，但也已经进行了近20年的研究和实践，取得初步成效。但是研究与实践成果大多数都是在高压配电网（35 k V以上）层次上进行的，而在中低压配电网（配电房这一层次）的自动化问题上，还是一片空白，既没有总体的规划，也没有一个统一的技术原则。不仅如此，目前的纵向监控一般只限于变电站的出线以前，对于从变电站馈线到终端用户等属于用电管理范畴的监控，除少数大用户的负荷控制外，尚无其它监控手段。
2 中低压配电网自动化方案
2．1 电力系统自动化现有方案的比较
中低压配电网（主要指开关站、开关房、开闭所）的自动化和变电站的自动化具有一定的相似性。因此，分析一下变电站自动化的实现方法，对于正确确定中低压配电网自动化方案具有重要意义。
变电站自动化系统由5个部分组成：主站、远方终端单元（re mote terminal units，RTU）、线路传感器、远方控制SF6或真空开关、通信电缆。其中，RTU装置位于变电站现场，可以自动采集各种开关状态量（遥信）、模拟量（遥测），并经专用通道传递到监控中心的主站系统；有的RTU还可以按监控人员的意图和指令执行特定的遥控操作，并将操作结果返送监控中心主站系统。
从变电站RTU可以实现的功能来看，变电站的自动化包括3个方面的内容：遥信、遥测、遥控。除此之外，有的系统还可以根据遥测的结果实现电能量总加功能。与此相应，变电站自动化系统可以分为两类：一类只实现了遥信、遥测的功能，即传统的SCADA系统；而最新的SCADA系统则属于另外一类，它应该可以实现所有“三遥”功能。这两类系统对应着电力系统自动化的不同阶段和水平。
从变电站RTU实现遥测的方法来看，RTU存在两种实现方案：
a）直流采样方案
这种类型的RTU装置在采集模拟量之前，先利用变送器将交流转化成直流，然后再使用RTUA／D转换元件将直流量表示成数字量。其装置以模拟电路为主，辅以少量的数字电路。其特点在于需要变换器，无需高级的数字处理单元（CPU等），难以反映模拟量的瞬时变化，无法进行谐波分析，电能量总加功能的实现比较复杂困难。
b）交流采样方案
这种类型的RTU装置直接使用A／D转换元件对交流电量进行采集计算，无需变送器之类的转换设备，但需要快速的数字处理单元进行配合，以对采集到的数据进行分析、综合。它不仅可以反映电量的瞬时变化，而且可以进行谐波分析，计算频率，简单地实现电能量总加功能。它们多使用微型计算机（如8 X86等）配合多个单片机（如8051、8098等）、并加上大量的A／D转换电路，来实现开关量、模拟量的采集。
当前在数字技术得到充分发展和应用的情况下，交流采样方案是配网自动化的一个合理选择。它以数字电路为主，辅以少量的模拟电路，功能强大，扩充容易，可靠性较直流采样方案有较大提高，综合成本低。
2．2 中低压配网自动化的应用特点
中低压配网自动化系统由主站、远方终端单元（RTU）、线路传感器、远方控制SF6或真空开关、通信电缆等五个部分组成。中低压配电网自动化的应用有自己不同的特点：
a）传统的变电站RTU在功能上偏重遥信、遥测，但中低压配电网的自动化对象（开关房、开闭所和配电房）数目繁多，开关操作频繁，更注重遥信、遥控功能。
b）中低压配电网的自动化对象遍布城市、农村等各种不同环境，被不同层次的用电管理人员（包括农村电工）所操作。更要求其具有安装灵活、易操作、免专业维护、抗恶劣环境等特点。
c）应用于中低压配电网的RTU，在功能上应具有模块化结构，在硬件上要越简单、越可靠越好。最好是同一套简单硬件，只要简单进行一下设置，就可以满足不同场合、不同规模的要求。
由此可见，有必要开发新型的、不同于传统结构的RTU，以适合中低压配电网自动化的特点和需要。
2．3 中低压配电网自动化RTU的PLC实现
可编程序控制器（programmable logic con－troller，PLC）技术经过几十年的发展，已经相当成熟。其品种齐全，功能繁多，已被广泛应用于工业控制的各个领域。用PLC来实现中低压配电网自动化的RTU功能，能够很好地满足RTU的特有的要求。在国内市场，有来自许多著名厂家的PLC产品。这些产品从简单到复杂，都自成系列，可以满足不同应用的特殊要求。大多数中低档次的PLC产品，都包含有离散点输入和输出（点数的多少可以依据应用情况增减）、模拟采样输入、时钟、通信等功能。利用这类PLC的现成功能，可以方便地实现中低压配电网自动化的 RTU功能。使用PLC的离散输入点来实现遥信、用PLC的离散输出点来实现遥控、用PLC的模拟采样输入来实现遥测、用PLC的通信功能来实现和主机的通信。完成这些功能，都无需额外的硬件，只需根据开关房的实际情况，对PLC进行简单编程即可。不仅如此，利用PLC的模拟输出功能，甚至还可以实现配电网的遥调。例如调节调压变压器的变比，调节静止无功补偿设备的电压、电流相角等。
这样一种基于PLC的中低压配电网自动化的RTU实现方案，完全可以满足中低压配网自动化的特殊要求。它具有以下特点和优势：硬件结构简单，完全免维护；规模可大可小，只需将 PLC的扩展模块连接在一起，就可以实现遥控点、遥信点、遥测点的增加；抗恶劣环境；高可靠性；编程实现各种功能，免硬件调试；费用低廉。
PLC方案在具体设计时，包括以下几个步骤：
a）获取操作点数。了解配电网的基本情况及自动化的具体要求，确定系统需要进行遥控、遥信、遥测、甚至遥调的设备，统计各处配电房需要这4种信号的具体点数。
b）确定通信方案。根据配电网的规模及分布情况，确定总体设计方案，主要是通信方案的设计和选择。
c）PLC选型。根据各处各种操作的点数以及所确定的通信方案，选择恰当型号的PLC来实现RTU功能。
由于RTU需接受监控中心的指令，并上传配电网、开关柜的信息，所以通信功能是选择PLC的主要考虑因素。
由于各开关房、开关柜的操作类型、操作点数往往相差很大，因此，PLC是否具有模块化结构和组态能力，是否能够灵活、经济地组成输入点、输出点、测量点（A／D）、调节点（D／A）的规模可变系统，是选择PLC型号的另一个主要考虑因素。
目前，很多厂家的产品，都可以满足通信以及模块化的要求。例如，SIEMENS的 S7－214以上系列，三菱的A1S系列，松下的较高级别的PLC系列等。根据具体情况，在一个配网自动化工程中，整个配电网系统可以选用同一个厂家的PLC，也可以根据配电房的具体情况，选用不同厂家的PLC，以利用各厂家PLC的优势和特色。
3 RTU功能的PLC实现
RTU功能的PLC实现包括硬件实现和软件实现两个方面。
3．1 硬件实现方面
在硬件方面，主要存在PLC的电源如何提供，PLC如何实现长距离的通信，遥控、遥信、遥测、遥调如何具体实现等问题。
由于PLC都有配套的专用电源模块，因此在设计RTU时，主要应考虑电网断电后PLC的供电问题，通常以配置充电电池的方式解决。
一般PLC的通信模块只具有短距离的通信能力，虽然有些公司为PLC提供配套的组网模块，但通信距离也限制在若干千米以内。而配电网的特点是点多、面广，因此，必须借助其它方式以延长PLC的通信距离。方法很多，有电话调制解调器方案、专线调制解调器方案、无线方案、寻呼台服务方案、光纤方案等。在同一个配电自动化工程中，可以根据具体情况，采用单一方法，也可以采用多种方法组合。
在RTU的四遥操作方面，由于PLC的电平以及功率容量同操作设备不可能正好一致，加上有电气隔离的要求，因此，必须增加辅助的电位转换、功率放大、电气隔离等模块和器件。
对于遥控，当PLC收到开关指令时，输出点到内部电源的通路被接通或关断，如果直接用输出点的输出电流去操作开关设备，则功率根本不够。因此，可把PLC的输出点作为一个小功率继电器的激磁电源，以控制该继电器的常开或常闭触点的开合，再由该继电器去控制配电网的配电开关的操作电源，使配电开关动作，线路或配电设备被投切。
对于遥信，则是将被测开关的辅助触点两端引线接到PLC的输入点和地，当配电开关动作时，辅助触点相应开闭，PLC的相应输入点与地之间被断开或短接，从而在PLC内部获得一个高电平或低电平。
对于遥测，经互感器出来的信号，必须落在PLC的A／D转换模块的测量范围之内，才能接入到相应模块的输入端。此外，在选择PLC的A／D模块时，还要考虑采样周期问题。周期太长，将无法获得精确数值。
PLC可以实现遥调功能，但因电网中应用很少，这里不予详述。
3．2 软件实现方面
在PLC软件方面，由于PLC以循环扫描和中断两种方式来执行程序，因此为了完成所有RTU功能，PLC软件应包括：循环扫描执行的主程序；通信程序（接收和发送报文）；收到报文分析程序；上发报文产生程序；输入点电平中断扫描程序；操作执行程序（遥控、遥信、遥测等）。
在上述程序模块的编制中，应重点考虑以下问题：
a）PLC的主CPU的速度是否足够快？如何编制出执行时间短的程序？
b）PLC和监控中心的通信要利用一套复杂的通信规约，PLC的程序容量能否容下所有程序？如何编制出短小精干的程序？
c）PLC是通过循环扫描输入点的内存映像以获取输入点的输入状态的，在配电开关动作时，相应辅助触点往往存在短暂的抖动。抖动的机械频率虽然很高，但相对于PLC的程序扫描执行的频率却是很低的，因此这种抖动会在PLC的内存映像中反映为多次不相干的开关动作，如何在程序上消除这种开关动作的假象？
实践证明，采用恰当的编程技巧，以上各种问题都可以得到圆满解决。
4 结论
实现我国中低压配电网自动化，是提高供电质量、用电可靠性和提高电力企业自身水平的需要。利用PLC来实现中低压配电网的RTU功能，具有简单、可靠、易用等特点，是一个比较有应用前景的实现方案。