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中低压配电网自动化与PLC实现方案

前言

        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

        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。

        实现中低压配电网自动化,可提高供电的质量和可靠性。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。 此外,它可以可以提高整个电力系统的经济效益,提高整个电网的管理水平。

        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(remote 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:
  
        (1) 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),但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。 
  
     (2) 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。  
  
2.2  中低压配网自动化的应用特点 
   
  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。 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。 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 
  
        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、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。 
  
  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: 
  
  (1) 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。 
  
  (2) 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。 
  
  (3) 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。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  
  
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: 
  
  (1) 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? 
  
  (2) 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? 
  
  (3) 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。

  
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