PLC 控制系統在智能電網中的應用

涂 剛，譚社平

（1.廣西壯族自治區水利廳那板水庫管理中心，廣西 防城港 535500；2.廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

在智能電網建設過程中，普遍存在技術條件有限的弊端，而傳統過時的順序控制系統早已無法滿足新時代電網運行的發展需要，尤其體現在系統控制方式與使用功能單一、運行效率低、抗噪聲以及抗干擾能力差等方面，這也在一定程度上弱化了電網正常運行的效率和供電質量，無法充分發揮智能電網運行的安全性與可靠性優勢。基于此，在智能電網未來發展階段，電力企業應將重心放在PLC 控制系統的應用上，通過深化PLC 控制系統的具體應用來推動智能電網實現創新性發展與改革。

1 PLC 控制系統的概念及特點

1.1 概念

PLC 控制系統指基于順序控制器，以PLC 為核心融入自動控制、微電子等現代技術手段，并以此為基礎構成的新型柔性遠程控制系統。該系統可以對各種不同類型的設備和生產過程進行有效控制，因此其在智能電網工程中有著廣泛的應用前景，在保證電網運行安全穩定性的同時，還能從整體上提高電網建設的智能化水平[1]。

1.2 特點

PLC 控制系統相比于傳統控制系統具有明顯優勢，尤其體現在系統可靠性高、編程簡單、組態靈活等方面。其中可靠性特征指PLC 控制系統主要由一定數量的單片微型計算機構成，與傳統繼電器邏輯控制系統相比，有著較高的集成度，且PLC 裝置本身還兼具電路保護、自診斷等多個方面的功能，即便是無人干預也能在第一時間處理各種故障問題。PLC 控制系統的編程相對簡單，這是因為PLC 本身是一種特殊的計算機，其應用場景主要是在工業自動化領域中，因此其編程語言也是針對工業自動化領域的需求而設計的。相比于一般的計算機編程，PLC 的編程語言更加簡潔易懂，而且由于其特殊的應用場景，其命令語句種類也相對較少，這使得PLC 控制系統的編程非常容易上手。在PLC 控制系統中，程序的編制一般是在梯形圖中完成的，因此，常把PLC 的編程方式稱為“梯形圖編程”。在梯形圖中加入16 條左右的命令語句就可以對PLC 進行有效控制，而這些命令語句的設計也是非常簡單的，常見的命令包括“輸入口狀態檢測”“輸出口狀態設置”等等。

此外，PLC 控制系統中包含的功能模塊也較為齊全，可以將開關量、電壓、電流、等現場信號與對應元件進行有效對接，通過模塊輸入端或輸出端發揮多元化使用功能，以此達到有效控制智能電網的目的。在PLC 控制系統運行過程中，還可以通過控制程序執行方式來提高系統運行效率以及現場信號處理速度。最后，PLC 控制系統還可以采用積木式結構形式，這種結構形式可以使得系統更加模塊化和可擴展，從而更方便進行升級、轉型或者系統規模與功能配置的整改。當智能電網控制需求發生變化或者PLC 控制系統進行升級轉型時，相關工作人員只需要調整相應的模塊單元即可，大大降低了系統維護和升級的難度和成本[2]。

2 PLC 控制系統在智能電網中應用的原則和目標

2.1 原則

變電站在智能電網中發揮著至關重要的作用，其中電壓無功的調節次數可以直接影響電壓質量，只有減少調節次數，才能為電壓質量提供基本保障。一旦對分接頭的調節次數過多，就會對變壓器正常運行的安全穩定性造成一定的影響。因此，在無功穩定與電壓合格的前提下，應有效控制電壓無功的調節次數，以此保證變電站控制的質量和效果。

我國現行的電力法律法規已對電力系統的功率因數和電壓作出了明確規定，如：其中，電力法是我國電力行業的基本法律，對電力系統的運行、管理和監督都做出了詳細的規定。而電力法實施條例、電力工業發展規劃和電力監管條例等法規文件則對電力系統的功率因數和電壓作出了進一步的細化和補充。根據我國電力法規的規定，電力系統中的功率因數應當符合國家標準，即在0.95 以上。同時，電力系統中的電壓也應當符合國家標準，即220V±10%。這些規定的實施，有助于保障電力系統的穩定運行，提高電力系統的供電質量，同時也有利于推動電力行業的可持續發展。因此，在變電站運行過程中，應對現有的電力無功設備進行優化，保證調節設備控制的規范性的同時，還能結合實際運行情況靈活設定目標值，從而使得電壓無功充分滿足電力系統運行要求。

2.2 目標

PLC 變電站中的電壓控制調節系統運行期間，設備保護閉鎖信號與系統運行參數都處于開關電器狀態，其中還包含主變的分接頭檔位信息。目前PLC 控制系統在運行過程中需要達到以下幾方面的目標：

（1）穩定性：確保系統能夠長時間穩定運行，避免出現故障和停機現象。

（2）可靠性：保證系統在任何情況下都能夠正常工作，即使出現部分故障也能夠盡可能地自我修復。

（3）靈活性：能夠適應不同的生產環境和工藝要求，具備一定的可擴展性和定制性。

（4）安全性：確保系統在運行過程中不會對人員和設備造成任何傷害或損失，提供完善的安全保障措施。

（5）高效性：提高生產效率，降低生產成本，實現生產自動化和數字化。

以上是PLC 控制系統需要達到的目標，只有同時滿足這些目標，才能夠更好地服務于現代工業生產的需求。

3 智能電網中的PLC 控制技術

3.1 PRIME 技術

PRIME 技術最初是為了智能電表設計的，其與傳統PLC 架構相比，除了PHY 與MAC 之外，還多了一個CL，且該層主要以智能電表的通信協議為主體對象。 PRIME 技術下的PHY 層協議與MAC 層協議之間有著密切關聯，其中PHY 層的凈速率最高可達128.6kbit/s，在差分編碼與OFDM 調制解調技術支持下，還能利用若干個子載波完成調制過程。與此同時，MAC 層主要用到了載波偵聽多路訪問技術，在提高組網靈活性與簡便性的同時，還省去了初期設計環節，也就是通過實時組網的方式完成整個操作過程。除此之外，PRIME 還可以在MAC 層中運用中繼技術控制電力線通道中傳出的噪聲[3]。

首先，PHY 層。PHY 層主要用于接收MAC 層輸入的內容，當校驗碼加載完畢后，通過PHY 層中的協議數據單元完成相應的卷積編碼、交織工作，并利用DBPSK、DQPSK、D8PSK 完成差分調制操作，而最終獲得的數據還需要通過OFDM 調制處理。在PHY 層中添加CP，還可以有效控制符號和碼間帶來的干擾。由于電力線道極容易產生多徑時的延遲效應，特別是某些子載波會出現時延的情況，對子載波間的正交性造成不同程度的破壞性影響后，還可能產生載波間干擾。因此，在數字間還可以插入相應的保護間隔，將載波間的干擾控制在最小范圍內，使得符號處于同步定時的狀態，采用信道估計的方式進行矯正后，即可達到符號定時同步的基本要求。

其次，MAC 層。MAC 層在組網過程中，不僅有著方便快捷的優勢，在初期設計階段也無需做任何準備工作，只需要通過即用式組網的方式達到相應的目標，極大地提高了整個運行過程的安全穩定性。在PRIME 技術下的MAC 層中應用具有沖突避免功能的載波偵聽多路訪問技術，可以在復雜的信道路由中保持較高的適用性。另外，在組網過程中，還可以在每一個節點中插入一個通用的48B MAC 層地址，從而保證每個設備都能分配到相應的地址。在建立一個子網時，中繼節點扮演著重要的角色。每個中繼節點都被分配一個10 位的中繼識別碼，以便識別和跟蹤傳輸路線。這些中繼節點的職責是將信息從源節點傳輸到目標節點，以便在節點之間建立連接。在子網基礎節點升級期間，這些中繼節點從中繼池中獲取中繼識別碼，以構建完整的傳輸鏈路。這樣，中繼節點可以保持與其他節點的通信，并確保數據傳輸的高效性和穩定性[4]。

3.2 G3 PLC 技術

G3 PLC 技術設計的出發點也是智能電表，但其主要以IPv6 協議標準為核心，也就是通過互聯網與電網互聯的方式提高其拓展性與融合性，或者利用互聯網完成電表管理、家電組網等操作。G3 PLC 技術在實際使用過程中，主要適用于10 ～490 kHz 頻段，實現雙向數字通信的同時，還能有效抵抗電力線信道帶來的多種噪聲干擾，在長距離通信中最高可以達到33.4kbit/s 左右的傳輸速率，在初期設計階段同樣不需要采取任何操作，通過即插即用的方式進行安裝。此外，G3 PLC 還可以借助自適應色調映射技術、糾錯技術等獨有技術提高自身適應性與可靠性。其中自適應色調映射技術可以對不同的子信道進行監視，并在最好的信道中實現多次傳輸，極大地提高了數據傳輸速率。最重要的是，這兩層糾錯技術還有助于恢復突發噪聲導致的錯誤碼元。另外，G3 PLC 技術還可以通過魯棒運行模式，保證噪聲較大的信道達到高效傳輸的基本要求。與此同時，G3 PLC 技術還兼具跨越變壓器直接通信的功能，真正意義上省去了不必要的設備成本。

首先，PHY 層。G3 PLC 技術主要以OFDM 調制解調的方式為核心，結合不同情況有針對性地選擇DBPSK 與DQPSK 調制方案，其中PHY 層的符號數目主要與數據傳輸速率、可接受的魯棒性有關，數據傳輸速率又由PHY 層幀中符號的數量、子載波個數、通過前向糾錯增加的校驗位數量決定。在工作狀態正常的前提下，前向糾錯主要由所羅門碼與卷積碼構成，基于魯棒運行模式，在前向糾錯中進行重復編碼，就可以整體提高系統運行的可靠性。此外，PHY 層主要支持典型數據幀、ACK/NACK 幀這兩種類型，其中前者由前導、幀控制頭、數據三部分組成，后者只包括前導與幀控制頭，其前導可以起到同步檢測的作用，而幀控制頭則可以獲得解調數據幀所需的數據信息[5]。

其次，MAC 層。G3 PLC 技術的MAC 層可以與IEEE P1901 等標準相兼容，整體呈現出了良好的拓展性特點。在使用載波偵聽多路訪問技術進行尋址時，我們可以通過在數據包控制域中設置科學的色調映射請求位來獲得更有效的通信。在這種情況下，MAC 層會及時反饋色調映射響應，并通過目標設備請求原數據及色調映射信息。經過對兩點之間的通信鏈路進行科學評估后，我們就可以獲得最佳的物理參數，從而優化通信質量、提高數據傳輸速率等。因此，科學的尋址策略和正確的參數設置對于通信系統的穩定運行和性能優化至關重要[6]。

4 PLC 控制系統在智能電網中的作用

4.1 智能電網的自愈恢復

近年來我國微處理技術已經歷了多年的革新與優化，特別是單片機的使用極大地提高了PLC 裝置的信息處理能力，而PLC 控制系統在智能電網工程中也起到了良好的數據采集與監控作用，尤其在智能電網運行過程中還能實時采集、轉換、處理現場中生成的數據信息。PLC 控制系統原本就包含數據統計分析、記錄、元件溫度監測、功率因數計算，這些為各項工作的順利開展提供了科學可靠的數據參考依據。

4.2 數據采集監控

PLC 控制系統不但包含著大量自檢信號，其還兼具自診斷式監控功能。在智能電網實際運行過程中，PLC 控制系統可以連續完成自我評估動作，以此對電網運行的總體情況以及被控設備的異常運行情況進行監測，通過對比事先設定的各項參數判斷異常與否。一旦檢測出異常，就會自動發送報警信號，操作人員能夠掌握故障位置以及發生故障的具體原因，與此同時采取對應處理措施有效避免被控設備遭受更嚴重的損失，并在短時間內快速處理，達到智能電網正常運行的標準。另外，PLC 系統還能夠在智能電網運行過程中通過對電網數據的分析，預測潛在的故障風險。當系統檢測到這些風險時，它會自動采取措施來預防故障的發生，從而大大提高電網的可靠性和穩定性。此外，PLC 系統也能夠通過實時監測終端設備的狀態，及時發現可能存在的設備故障，并提供相應的解決方案，以此提高用戶的供電服務質量。最后，PLC系統還可以提供各種數據報告，幫助電網管理者了解電網的運行情況和效率，從而更好地規劃電網建設和維護。當主電源斷電故障解除后，PLC 控制系統還能自動切除備用電源，并轉接到主電源恢復正常工作狀態，并對備用電源進行充電處理。

4.3 電流開關量與模擬式保護

在智能電網運行過程中執行電流保護操作時，主要采用繼電保護的方式，但這種方式在實際使用過程中普遍存在可靠性差、運行功耗大、保護盤體積過大的問題。因此，在現代智能電網工程運行過程中，傳統繼電保護系統已無法滿足新時代發展需要，而PLC控制系統卻能通過開關量控制與模擬式控制的方式解決以上問題。在自動化控制系統中，開關量控制和模擬量控制是兩個重要的技術。其中，開關量控制主要利用PLC 輸入節點來完成相應的電流信號表征任務。通過將PLC 開關量與接口電路對接，我們可以判斷開關閉合狀態并讀取各種不同的CPU 數值，從而完成整個開關量和電平量轉換過程。在模擬量控制方面，我們主要通過I/O 接口來獲取相應的開關量數據信息。完成電流信號與電壓信號的轉換過程后，我們將信息接入到ADC 電路，并將其轉化為特定的數字量。在數字量與基準電壓數字量單元進行對比分析后，就可以根據最終的分析結果判斷線路運行情況。通過驅動對應輸出單元來完成過流延時等保護動作，從而實現系統的穩定運行和保護[7]。

5 結語

在智能電網及控制系統運行過程中，要保證發電、輸電、配電環境運行的安全穩定性，就必須深入研究PLC 控制系統在智能電網工程中的具體應用，從多個角度著手發揮PLC 控制系統的應用價值，同時圍繞著數據采集監控、電網自愈、電流保護等多個領域充分應用PLC 控制系統，不斷提高智能電網建設的現代化水平。此外，在PRIME 與G3 PLC 技術的支持下，使得智能電網保持較高的比特率、覆蓋率、靈活性以及抗干擾、抗噪聲能力。