PLC控制系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

徐志鵬

山東新華制藥股份有限公司，山東 淄博 255000

0 引言

在智能電網(wǎng)建設(shè)期間，受到技術(shù)水平限制，傳統(tǒng)的順序控制系統(tǒng)已難以滿足電網(wǎng)運(yùn)行的需求，暴露出控制方式與使用功能單一、運(yùn)行效率低下、無法獨(dú)立完成復(fù)雜任務(wù)、抗干擾能力差等問題，進(jìn)而影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量與運(yùn)行穩(wěn)定性，沒有在真正意義上實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)與高效目標(biāo)。可編程邏輯控制器（PLC）控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，為智能電網(wǎng)發(fā)展提供了全新契機(jī)，被一致認(rèn)為是智能電網(wǎng)的未來發(fā)展趨勢。

1 PLC控制系統(tǒng)概述

1.1 特征

與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，PLC控制系統(tǒng)有著可靠、編程簡單、功能模塊齊全、運(yùn)行速度快、組態(tài)靈活的特征。其中，可靠性特征是指系統(tǒng)以PLC為核心，控制器由一定數(shù)量單片微型計(jì)算機(jī)組成，集成度遠(yuǎn)高于繼電器，且PLC裝置自身具備電路保護(hù)、自診斷等使用功能，可以在無人工干預(yù)的條件下自行發(fā)現(xiàn)并處理故障問題，維持PLC控制系統(tǒng)的高效運(yùn)行狀態(tài)。編程簡單特征指PLC控制系統(tǒng)程序，采取控制梯形圖方式，在梯形圖中添加16條左右的命令語句即可，工作人員按照特定程序進(jìn)行編程，即可在短時(shí)間完成PLC系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)工作，無須具備豐富的計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)。功能模塊齊全特征指PLC控制系統(tǒng)可以同時(shí)將開關(guān)量、電壓、電流、數(shù)字量等現(xiàn)場信號(hào)與對(duì)應(yīng)元件接入模塊輸入/輸出端，提供多元化使用功能，切實(shí)滿足智能電網(wǎng)控制需求。運(yùn)行速度快特征是指PLC控制系統(tǒng)采取程序控制執(zhí)行方式，使得系統(tǒng)運(yùn)行效率、現(xiàn)場信號(hào)處理能力遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制系統(tǒng)。組態(tài)靈活特征是指PLC系統(tǒng)創(chuàng)新性采取積木式結(jié)構(gòu)形式，由若干模塊單元拼裝形成，在智能電網(wǎng)控制需求發(fā)生變化與PLC控制系統(tǒng)升級(jí)改造期間，工作人員僅需調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增減模塊單元，即可改變系統(tǒng)規(guī)模與功能配置結(jié)構(gòu)。

1.2 應(yīng)用意義

在早期建設(shè)的智能電網(wǎng)中，受到繼電器邏輯控制系統(tǒng)限制，自動(dòng)控制、協(xié)同互動(dòng)、決策分析等使用功能發(fā)揮受限，并未實(shí)現(xiàn)預(yù)期建設(shè)目標(biāo)。例如，從控制速度角度來看，傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)采取觸點(diǎn)機(jī)械動(dòng)作控制方式，工作頻率僅達(dá)到毫秒級(jí)；而PLC系統(tǒng)采取半導(dǎo)體電路執(zhí)行程序指令的控制方式，工作頻率達(dá)到微秒級(jí)。在這一工程背景下，對(duì)PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用推廣，成為加快電網(wǎng)智能化建設(shè)步伐的重要舉措。從運(yùn)行效率角度來看，PLC系統(tǒng)可以高效處理電網(wǎng)運(yùn)行期間持續(xù)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，將所執(zhí)行的行動(dòng)保持在秒一級(jí)水平上，實(shí)現(xiàn)元件在線監(jiān)測、及時(shí)響應(yīng)、快速診斷等控制目標(biāo)。例如，在黃河大跨越-百萬伏級(jí)特高壓交流工程的決策支持場景中，PLC系統(tǒng)持續(xù)對(duì)海量系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、歸類、轉(zhuǎn)化處理，將其轉(zhuǎn)化為工作人員可理解的信息，并提供決策分析建議，從而縮減決策時(shí)間，提高決策方案可行性[1]。

2 PLC控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控

近年來，隨著微處理器更新?lián)Q代速度的加快，單片機(jī)的使用，大幅強(qiáng)化了PLC裝置的數(shù)據(jù)處理能力，使PLC控制系統(tǒng)在智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控場景中得到應(yīng)用，可以在電網(wǎng)運(yùn)行期間持續(xù)采集、轉(zhuǎn)換與分析處理實(shí)時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、記錄、信號(hào)轉(zhuǎn)換等使用功能，為智能電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估、故障定位、停電確認(rèn)、元件溫度監(jiān)測、功率因數(shù)計(jì)算等工作的開展提供信息支持。

2.2 電網(wǎng)自愈

PLC控制系統(tǒng)具備自診斷式監(jiān)控功能，以及存在大量自檢信號(hào)，在運(yùn)行期間基于程序準(zhǔn)則，不斷執(zhí)行自我評(píng)估動(dòng)作，判斷電網(wǎng)總體運(yùn)行與被控設(shè)備是否處于異常運(yùn)行狀況，對(duì)照分析預(yù)先設(shè)定的額定值與實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)檢測到參數(shù)、狀態(tài)異常時(shí)，自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，向操作人員反饋故障類型、產(chǎn)生原因、故障點(diǎn)位置等信息，快速切斷故障部分與非故障部分的連接，控制受損程度，及早恢復(fù)智能電網(wǎng)的正常運(yùn)行狀態(tài)。

此外，為了預(yù)防和減少供電服務(wù)中斷問題的出現(xiàn)，PLC系統(tǒng)在檢測到主電源因故障斷電時(shí)，將自動(dòng)在限定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行備用電源投入動(dòng)作，始終維持電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，不使用戶供電服務(wù)中斷，并在檢測到主電源斷電故障消除后，自動(dòng)切除備用電源并投入主電源，在主電源進(jìn)入正常工作狀態(tài)后對(duì)備用電源執(zhí)行充電操作。

2.3 電流保護(hù)

在電流保護(hù)場景中，早期電網(wǎng)采取繼電保護(hù)方式，配置繼電器與晶體管等元件提供電流保護(hù)，在實(shí)際應(yīng)用期間存在保護(hù)盤體積龐大、可靠性差、運(yùn)行功耗高等問題。因此，在現(xiàn)代智能電網(wǎng)工程中，逐漸采用PLC控制系統(tǒng)取代繼電保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)方式包括開關(guān)量控制與模擬式控制。其中，開關(guān)量控制方式是通過PLC輸入節(jié)點(diǎn)狀態(tài)完成電流信號(hào)表征任務(wù)，將PLC開關(guān)量輸入接口電路，根據(jù)開關(guān)閉合狀態(tài)來獲取不同的CPU讀數(shù)，完成開關(guān)量-電平量轉(zhuǎn)換操作。模擬式控制方式是通過I/O接口獲取開關(guān)量數(shù)據(jù)，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，將信息接入ADC電路轉(zhuǎn)換至數(shù)字量，根據(jù)數(shù)字量與基準(zhǔn)電壓數(shù)字量單元對(duì)比結(jié)果來判斷線路狀態(tài)，以此為依據(jù)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)輸出單元，最終執(zhí)行過流延時(shí)等保護(hù)動(dòng)作[2]。

3 PLC控制系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用建議

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，滿足智能電網(wǎng)控制需求，必須做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，以PLC裝置為系統(tǒng)核心，設(shè)置一定數(shù)量采集點(diǎn)，依托以太網(wǎng)保持主控模塊間的連接控制狀態(tài)，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拆分為信息采集、電力監(jiān)控、主控制、回路控制等模塊與人機(jī)界面。其中，信息采集模塊負(fù)責(zé)持續(xù)收集電網(wǎng)運(yùn)行期間產(chǎn)生的現(xiàn)場數(shù)據(jù)與監(jiān)測信號(hào)，按比例對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)加以縮小轉(zhuǎn)換處理，并獨(dú)立采集電壓、電流互感器數(shù)據(jù)，將所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、歸類處理后上傳至電力監(jiān)控模塊。電力監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)對(duì)所獲取電流信號(hào)加以采樣、放大、精密全波整流與遲滯比較處理，篩除信號(hào)中的高頻干擾，將處理后的信號(hào)上傳至主控制模塊。主控制模塊由PLC為核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行電壓電流信號(hào)采集、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換計(jì)算等任務(wù)，獲取方波信號(hào)相移差、有效功率、功率因數(shù)等參數(shù)，配合固態(tài)繼電器發(fā)揮回路通斷保護(hù)功能，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送至人機(jī)界面與回路控制模塊。回路控制模塊有著回路通斷控制功能，根據(jù)主控制模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，判斷是否存在超額問題，選擇性執(zhí)行斷電操作。

3.2 硬件選擇

在PLC控制系統(tǒng)中，不同型號(hào)硬件設(shè)備的容量、使用功能與性能質(zhì)量存在差異性，唯有結(jié)合智能電網(wǎng)控制需求與建設(shè)規(guī)模加以合理選擇，方可切實(shí)滿足智能電網(wǎng)控制需求，避免硬件設(shè)備性能浪費(fèi)，或是影響電網(wǎng)控制效果和PLC系統(tǒng)實(shí)際使用壽命。

以PLC的選型工作為例，應(yīng)根據(jù)工程情況，從機(jī)型、功能模塊數(shù)量、容量、響應(yīng)速度、通信聯(lián)網(wǎng)能力等多個(gè)維度綜合考量。例如，在一部分智能電網(wǎng)工程中，選擇配置西門子公司推出的S7-200系統(tǒng)中的226型號(hào)PLC，這一型號(hào)的PLC裝置有著功能強(qiáng)大、擴(kuò)展數(shù)目與開關(guān)量點(diǎn)數(shù)多、內(nèi)置電源的優(yōu)勢，且PLC系統(tǒng)的擴(kuò)展性較佳，當(dāng)組件負(fù)載超過電源額定值時(shí)，可以通過直接增加電源模塊、向直流電源提供擴(kuò)展模塊的方式解決這一問題[3]。

此外，為了便于系統(tǒng)升級(jí)改造、維護(hù)保養(yǎng)、設(shè)備檢修等工作的開展，電力企盡可量配置相同機(jī)型的PLC裝置，采取一致的結(jié)構(gòu)型式，在小規(guī)模智能電網(wǎng)工程中采取體積小、價(jià)格低廉的整體式PLC裝置，在大規(guī)模智能電網(wǎng)工程中采取擴(kuò)展性強(qiáng)、組態(tài)靈活、I/O模塊可選種類多的模塊式PLC裝置。

3.3 控制方式選擇

在智能電網(wǎng)工程中，可選擇將開環(huán)控制或是模擬量閉環(huán)控制作為PLC系統(tǒng)的控制方式，需要根據(jù)智能電網(wǎng)控制需求加以選擇。其中，開環(huán)控制是依托PLC裝置邏輯運(yùn)算能力而實(shí)現(xiàn)的一種控制方式，主要分為定時(shí)、步進(jìn)、計(jì)數(shù)等控制功能，有著簡單、可靠、穩(wěn)定的優(yōu)勢，控制效果與電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)不易受到外部因素干擾，但PLC系統(tǒng)的控制精度較低，不具備自糾偏功能，需要操作人員持續(xù)觀測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)與處理電網(wǎng)異常運(yùn)行問題。閉環(huán)控制是基于開關(guān)量輸入輸出結(jié)果、模擬量輸入輸出點(diǎn)實(shí)現(xiàn)控制目的的一種方式，在系統(tǒng)輸出端、輸入端中設(shè)置反饋回路，PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行期間產(chǎn)生的輸出信號(hào)經(jīng)過反饋回路到達(dá)輸入端，使PLC系統(tǒng)具備對(duì)比輸入量、輸出量的功能，根據(jù)反饋結(jié)果準(zhǔn)確評(píng)估電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和控制效果，對(duì)控制偏離部位采取糾偏措施，從而將電壓、電流、溫度等參數(shù)始終保持在最佳范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

綜上所述，為了切實(shí)滿足智能電網(wǎng)及控制系統(tǒng)的長期發(fā)展需要，營造安全、穩(wěn)定的發(fā)電、輸電與配電環(huán)境，電力企業(yè)需要加大對(duì)PLC控制系統(tǒng)的研究力度，從而更好地發(fā)揮PLC系統(tǒng)的價(jià)值，在數(shù)據(jù)采集監(jiān)控、電網(wǎng)自愈、電流保護(hù)等場景中實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)的落地應(yīng)用目標(biāo)。