基于FR+PLC控制的電氣倒閘操作模擬系統研究

宋坤

(國網山東省電力公司濟寧供電公司,山東,濟寧 272000)

0 引言

變電倒閘操作是指電氣設備或者電力系統由一種狀態轉變為另一種狀態、從一種運行方式轉變為另一種運行方式時必須運用的一種有序操作步驟[1]。該操作是電網廠站運行操作人員需要完成的一項極為重要的工作。為保證電力系統的安全運行,操作人員必須嚴格按照倒閘操作的要求流程完成操作,避免產生事故,但由于種種原因,導致電網倒閘成功率過低,影響了電力系統的安全運行[2]。為了提高倒閘操作的成功率,降低電力系統的安全隱患,許多電力相關的專家人員對此進行研究。例如徐洋等[3]建立的基于MCGS高壓電氣倒閘操作模擬系統,通過組態軟件MCGS實現倒閘模擬操作;曾利等[4]基于專家系統的電網操作票自動生成系統,運用專家系統技術實現倒閘操作。但是這些方法均存在一定的倒閘失敗率。基于原子引力模型的FR算法是一種具有顯著代表性的力導向算法,其可以豐富兩點之間的物理模型,加入點之間的靜電力,通過計算系統的總能量并使得能量最小化,從而達到布局的目的。而且其認為節點本身存在引力和斥力,節點之間存在斥力,通過線連接的兩節點之間存在引力,具備清晰展現圖中各點之間關系的顯著優勢[5]。而PLC由于采用現代大規模集成電路技術,內部電路采取了先進的抗干擾技術,具有很高的可靠性,能夠實現對電網倒閘操作的準確模擬,因此文章使用這兩種方法完成倒閘模擬操作。

1 倒閘操作模擬系統設計

1.1 倒閘操作模擬系統硬件部分設計

基于FR+PLC控制的電網倒閘操作模擬系統主要包含4個模塊,繪圖模塊、系統數據管理模塊、邏輯關系管理模塊和操作票管理模塊。使用人員只需通過這4個模塊建立相應的數據文件,系統就能夠根據這些相應的數據文件自動完成適合某個電網廠站的倒閘操作的模擬。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

(1) 繪圖模塊:該模塊主要作用是繪制電網廠站接線圖,能夠為構造目標系統提供接線圖圖形數據,為目標系統查找各種元件函數及各種元件的繪圖子過程。

(2) 系統數據管理模塊:該模塊是系統的核心,其主要作用是建立目標系統中所需的菜單文件、保護屏文件、操作類文件、庫文件、雜項文件的大部分外部數據文件。

(3) 邏輯關系管理模塊:該模塊的主要作用是根據“操作五制”原則要求建立邏輯關系。

(4) 操作票管理模塊:該模塊主要作用是目標系統中形成操作票時,建立其運行所需要的各種典型操作票文件、操作任務文件、操作設備文件、設備狀態文件和操作票名文件[6]。

1.2 基于FR算法的倒閘操作模擬系統軟件設計

1.2.1 電網倒閘操作點網格布局

再設計基于FR算法的倒閘操作模擬系統軟件,即確定電網倒閘操作點網格布局。這是因為通過電網倒閘操作網格布局是利用繪圖模塊實現電網廠站倒閘操作模擬的大前提。電網倒閘操作點均勻分布在畫板上,相鄰操作點的位置合理等均能體現位置布局的好壞。將電網倒閘操作點抽象和輸電線路分別視為圖中的點和線,構成圖模型,通過點的布局和兩點之間的路徑規劃實現電網倒閘操作點布局和輸電線路規劃。

FR算法可通過模擬圖中點、線與原子之間的力場調節位置關系[7]。為此,利用設置畫布的寬度和高度分別為L和H,畫布大小S的計算公式為

S=L×H

(1)

在利用布局電網倒閘操作點時,應使用必要的測量工具在現場獲得電網廠站各節點距離,并利用FR算法以及上述物理量測算電網倒閘操作點各節點的理想距離大小為

(2)

其中,|V|表示電網倒閘操作點數量。

電網倒閘操作點節點之間的歐式距離表達式為

(3)

其中,d(m,n)為電網倒閘操作點節點m和電網倒閘操作點n之間的歐式距離,mx、my分別為節點m水平和豎直方向的距離,nx、ny分別為節點n水平和豎直方向的距離。

FR算法將所有的節點都看做是電子,每個節點均會受到兩個力的作用:即斥力與引力。斥力為其他節點的庫倫力;引力為邊對點的胡克力。在力的相互作用之下,整個布局最終能夠呈現一種平衡的狀態。因此通過計算電網倒閘操作點之間的引力和斥力,可以確保節點之間的距離適當。由于全部節點中均存在斥力,兩個節點之間僅存在引力,因此可以理解為相關聯節點之間的距離較近,無關聯節點之間的距離相對較遠。那么電網廠站節點m、n之間的引力函數表達式如下:

(4)

電網倒閘操作點m、n之間的斥力函數表達式如下:

(5)

其中,引力因子為F1,即產生引力的因子,斥力因子為F2,即產生斥力的因。庫倫定理認為真空中兩個靜止的電荷之間的相互作用力,與他們的電荷量的乘機成正比,與他們的距離的平方成反比。因此以上因子可以通過昆侖定理等獲得。

采用模擬退火算法取代傳統迭代方式,避免產生局部最優現象。模擬退化算法通過模擬物理上的降溫原理,達到最終穩態。通過設定初始溫度和冷卻速率控制節點的最大位移量,位置的偏移量隨溫度的下降而更加微小,最終達到穩定狀態。

線性溫度下降公式為

Tt+1=φ×Tt

(6)

式(6)中,Tt、Tt+1分別為當前時刻和下一時刻的溫度,φ表示冷卻系數,通常為正數且小于1。

利用FR算法對上述電網倒閘操作點物理量進行處理,從而轉化為模型參數,以更好地進行計算。同時為獲取最佳布局效果,在FR算法中引入并發參數循環計算以處理上述電網倒閘操作點物理量,從而有效利用計算機計算性能,獲取電網倒閘操作點布局最優參數值。

1.2.2 電網廠站接線圖的自動生成

廠站接線圖可體現發電網廠站的不同電壓等級母線的進出線情況。在完成電網廠站網格布局后,依據布局情況,生成電網廠站接線圖。接線圖中的元件主要包括母線、開關、變壓器、刀閘等。由于廠站接線圖的畫法具有一定規范性,因此各電壓等級的母線、主變壓器、進出線等的位置均具備一定的規律性。并且同種接線類型的母線之間的差別除了支路數目的不同之外,模式均沒有任何變化和區別。母線的出線數和母線的長度,是由間隔的數目決定的。

由于電網廠站接線圖自動生成功能是作為一個組成部分融合在其他電力系統應用程序中的,其整體程序設計如圖2所示。

圖2 程序設計圖

由于廠站接線圖是由各個間隔構成,并且設備間隔是繪圖的基本單位,因此為確定各種元件的位置,需要確定接線圖中各間隔的位置。根據廠站接線圖的畫法具有一定規范性的原則,整理電網廠站接線類型及其圖形設計相關的知識和經驗,并定義成規則,構建使用者能夠擴充的規則數據庫,處理圖形的繪制的相關問題。

1.3 基于PLC的倒閘操作模擬設計

在獲得的電網倒閘操作點布局圖的基礎上需要通過系統數據管理模塊和邏輯關系管理模塊相互配合對指定地點的電網倒閘操作點進行倒閘操作模擬。PLC控制系統是在傳統的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、自動控制技術等而形成的一代新型工業控制裝置,具有通用性強、使用方便、抗干擾能力強以及編程簡單等優勢,為此使用該技術進行倒閘操作模擬。在模擬過程中,電網運行主要包含配電裝置和系統運行的控制2部分。

(1) 配電裝置包括高、低壓成套裝置、繼電保護裝置、中間繼電器、主令開關等設備組成。

(2) 邏輯關系管理模塊,負責各個配電設備之間的相互關系。在實際倒閘操作時,主令開關和位置開關是主要變化的信號[8]。為實現模擬操作,需要在滿足各個開關量變化信號后,利用與該運行系統相符合的控制邏輯完成邏輯關系管理。在進行模擬時的主要步驟為先將配電柜操作人機界面(HMI)建立在Wincc flexible編輯所需的開關量畫面上;再通過Step編寫各個功能柜分、合閘PLC控制邏輯程序,PLC主要包括母聯柜程序、進線柜程序、變壓器柜程序以及電動機程序4部分,并對HMI與PLC進行組態,利用HMI向PLC輸入信號,再由PLC對輸入信號進行分析,再輸出具體內容到HMI,以此完成倒閘操作模擬。其模擬設計思路如圖3所示。

圖3 設計思路框圖

1.4 倒閘操作模擬實現流程

電網廠站倒閘模擬操作系統程序設計采用編程中常用的結構化程序設計,充分利用PLC可以使用子程序的優勢,根據結構化的編程思想,將電網廠站的整體功能分解成相應的進線柜、母聯柜、變壓器饋線柜等子程序,通過功能柜的控制程序,實現整個系統的倒閘功能。其結構程序流程如圖4所示。

圖4 倒閘操作模擬實現流程

2 驗證分析

將本文系統使用在上海某電網廠站的倒閘操作模擬中,測試系統的實用性能,特別是如何實現倒閘操作模擬。

該電網廠站有110 kV、35 kV和10 kV 3個電壓等級,測試只選用其110 kV和10 kV 2個電壓等級,測試范圍為110 kV去除開關及主變中性點接地倒閘全部操作,主變10 kV側接地樁的倒閘操作模擬。該電網廠站接線圖登錄主界面和接線顯示界面分別如圖5、圖6所示。

圖5 登錄主界面

圖6 電網廠站DCS接線圖

倒閘模擬操作成功率決定了電網廠站的安全程度。因此倒閘操作模擬的成功率是衡量本文系統優劣的主要標準。采用基于MCGS高壓電氣倒閘操作模擬系統(文獻[3]系統)和基于專家系統的電網操作票自動生成系統(文獻[4]系統)與本文系統,對110 kV去除開關及主變中性點接地倒閘,分別進行5次模擬操作,并對比操作結果,如圖7所示。

圖7 3種系統成功率對比結果

分析圖7能夠看出:本文方法針對110 kV去除開關及主變中性點接地倒閘的模擬操作成功率均在98%以上,另外兩種對比系統的倒閘成功率均低于96%,說明本文系統的倒閘操作模擬成功率較高,更加具備實用優勢,并且能夠更好地保證電網廠站的運行安全。

為進一步分析本文方法的合理性,再對比3種方法的倒閘操作效率,得到5次對比實驗的結果如圖8所示。

分析圖8能夠看出:本文方法針對110 kV去除開關及主變中性點接地倒閘的模擬操作效率較高,最高可達到99%,而且呈現遞增的趨勢,能夠在保證成功率的基礎上減少倒閘模擬所需時間,具有一定的可行性。

3 總結

本文建立了基于FR+PLC控制的電網倒閘操作模擬系統,該系統能迅速形成目標模擬,并通過電網倒閘操作點網格布局,使倒閥模擬操作更精準,能夠較好地解決變電站倒閘操作預演系統的通用性和可移植性問題,且目標系統各功能模塊能符合電網廠站的實際工作要求,更加便于使用人員使用,同時保證倒閘模擬成功率。