中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化及其PLC實(shí)現(xiàn)方案

1　實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化的必要性

1.1　實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化是提高人們生活質(zhì)量、發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的要求

在現(xiàn)代社會(huì)中，供電質(zhì)量的好壞，不僅反映一個(gè)國(guó)家或地區(qū)人們的生活質(zhì)量、水平和投資環(huán)境的好壞，更是影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，它決定著工業(yè)發(fā)展的方向、規(guī)模。實(shí)際上，信息時(shí)代的到來(lái)，要求不間斷供電的計(jì)算機(jī)設(shè)備越來(lái)越多，給供電提出了更高的要求。停電或限電會(huì)導(dǎo)致減產(chǎn)，而忽然的停電則會(huì)危害工廠的重要設(shè)備。只有實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)的自動(dòng)化，才可能最大限度地提高供電質(zhì)量，滿足人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ髋c生產(chǎn)的需要。

1.2　實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化是電力企業(yè)自身發(fā)展的需要

實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化，可提高供電的質(zhì)量和可靠性。實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化，可減少故障次數(shù)，縮小事故范圍，縮短事故時(shí)間，為恢復(fù)供電、快速分析、診斷、報(bào)告事故原因提供有效的依據(jù)。

實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化，可以提高整個(gè)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益：減輕維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度;減少操作人員;增強(qiáng)電力系統(tǒng)的免維護(hù)性;有利于提高設(shè)備的安全和健康水平，延長(zhǎng)使用壽命。

實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化，可以提高整個(gè)電網(wǎng)的管理水平。主要包括：為電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)管理自動(dòng)、準(zhǔn)確、及時(shí)地提供更為詳盡、豐富的數(shù)據(jù)和信地方、任何用戶的計(jì)劃停電、供電;可以方便、直觀地監(jiān)控全局內(nèi)各個(gè)用戶的用電、供電情況，實(shí)現(xiàn)總體控制。

1.3　中低壓配電網(wǎng)是我國(guó)配電網(wǎng)自動(dòng)化的薄弱環(huán)節(jié)

配電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)，在我國(guó)盡管起步較晚，但也已經(jīng)進(jìn)行了近20年的研究和實(shí)踐，取得初步成效。但是研究與實(shí)踐成果大多數(shù)都是在高壓配電網(wǎng)(35 k V以上)層次上進(jìn)行的，而在中低壓配電網(wǎng)(配電房這一層次)的自動(dòng)化問(wèn)題上，還是一片空白，既沒(méi)有總體的規(guī)劃，也沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的技術(shù)原則。不僅如此，目前的縱向監(jiān)控一般只限于變電站的出線以前，對(duì)于從變電站饋線到終端用戶等屬于用電管理范疇的監(jiān)控，除少數(shù)大用戶的負(fù)荷控制外，尚無(wú)其它監(jiān)控手段。

2　中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化方案

2.1　電力系統(tǒng)自動(dòng)化現(xiàn)有方案的比較

中低壓配電網(wǎng)(主要指開(kāi)關(guān)站、開(kāi)關(guān)房、開(kāi)閉所)的自動(dòng)化和變電站的自動(dòng)化具有一定的相似性。因此，分析一下變電站自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)于正確確定中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化方案具有重要意義。

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)由5個(gè)部分組成：主站、遠(yuǎn)方終端單元(re mote terminal uNIts，RTU)、線路傳感器、遠(yuǎn)方控制SF6或真空開(kāi)關(guān)、通信電纜。其中，RTU裝置位于變電站現(xiàn)場(chǎng)，可以自動(dòng)采集各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)量(遙信)、模擬量(遙測(cè))，并經(jīng)專用通道傳遞到監(jiān)控中心的主站系統(tǒng);有的RTU還可以按監(jiān)控人員的意圖和指令執(zhí)行特定的遙控操作，并將操作結(jié)果返送監(jiān)控中心主站系統(tǒng)。

從變電站RTU可以實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)看，變電站的自動(dòng)化包括3個(gè)方面的內(nèi)容：遙信、遙測(cè)、遙控。除此之外，有的系統(tǒng)還可以根據(jù)遙測(cè)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)電能量總加功能。與此相應(yīng)，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)可以分為兩類：一類只實(shí)現(xiàn)了遙信、遙測(cè)的功能，即傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng);而最新的SCADA 系統(tǒng)則屬于另外一類，它應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)所有“三遙”功能。這兩類系統(tǒng)對(duì)應(yīng)著電力系統(tǒng)自動(dòng)化的不同階段和水平。

從變電站RTU實(shí)現(xiàn)遙測(cè)的方法來(lái)看，RTU存在兩種實(shí)現(xiàn)方案：

a)直流采樣方案

這種類型的RTU裝置在采集模擬量之前，先利用變送器將交流轉(zhuǎn)化成直流，然后再使用RTUA/D轉(zhuǎn)換元件將直流量表示成數(shù)字量。其裝置以模擬電路為主，輔以少量的數(shù)字電路。其特點(diǎn)在于需要變換器，無(wú)需高級(jí)的數(shù)字處理單元(CPU等)，難以反映模擬量的瞬時(shí)變化，無(wú)法進(jìn)行諧波分析，電能量總加功能的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜困難。

b)交流采樣方案

這種類型的RTU裝置直接使用A/D轉(zhuǎn)換元件對(duì)交流電量進(jìn)行采集計(jì)算，無(wú)需變送器之類的轉(zhuǎn)換設(shè)備，但需要快速的數(shù)字處理單元進(jìn)行配合，以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、綜合。它不僅可以反映電量的瞬時(shí)變化，而且可以進(jìn)行諧波分析，計(jì)算頻率，簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)電能量總加功能。它們多使用微型計(jì)算機(jī)(如8 X86等)配合多個(gè)單片機(jī)(如8051、8098等)、并加上大量的A/D轉(zhuǎn)換電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量、模擬量的采集。

當(dāng)前在數(shù)字技術(shù)得到充分發(fā)展和應(yīng)用的情況下，交流采樣方案是配網(wǎng)自動(dòng)化的一個(gè)合理選擇。它以數(shù)字電路為主，輔以少量的模擬電路，功能強(qiáng)大，擴(kuò)充容易，可靠性較直流采樣方案有較大提高，綜合成本低。

2.2　中低壓配網(wǎng)自動(dòng)化的應(yīng)用特點(diǎn)

中低壓配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)由主站、遠(yuǎn)方終端單元(RTU)、線路傳感器、遠(yuǎn)方控制SF6 或真空開(kāi)關(guān)、通信電纜等五個(gè)部分組成。中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化的應(yīng)用有自己不同的特點(diǎn)：

a)傳統(tǒng)的變電站RTU在功能上偏重遙信、遙測(cè)，但中低壓配電網(wǎng)的自動(dòng)化對(duì)象(開(kāi)關(guān)房、開(kāi)閉所和配電房)數(shù)目繁多，開(kāi)關(guān)操作頻繁，更注重遙信、遙控功能。

b)中低壓配電網(wǎng)的自動(dòng)化對(duì)象遍布城市、農(nóng)村等各種不同環(huán)境，被不同層次的用電管理人員(包括農(nóng)村電工)所操作。更要求其具有安裝靈活、易操作、免專業(yè)維護(hù)、抗惡劣環(huán)境等特點(diǎn)。

c)應(yīng)用于中低壓配電網(wǎng)的RTU，在功能上應(yīng)具有模塊化結(jié)構(gòu)，在硬件上要越簡(jiǎn)單、越可靠越好。最好是同一套簡(jiǎn)單硬件，只要簡(jiǎn)單進(jìn)行一下設(shè)置，就可以滿足不同場(chǎng)合、不同規(guī)模的要求。

由此可見(jiàn)，有必要開(kāi)發(fā)新型的、不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的RTU，以適合中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化的特點(diǎn)和需要。

2.3　中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化RTU的PLC實(shí)現(xiàn)

可編程序控制器(programmable logic con-troller，PLC)技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)相當(dāng)成熟。其品種齊全，功能繁多，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化的RTU功能，能夠很好地滿足RTU的特有的要求。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，有來(lái)自許多著名廠家的PLC產(chǎn)品。這些產(chǎn)品從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，都自成系列，可以滿足不同應(yīng)用的特殊要求。大多數(shù)中低檔次的PLC產(chǎn)品，都包含有離散點(diǎn)輸入和輸出(點(diǎn)數(shù)的多少可以依據(jù)應(yīng)用情況增減)、模擬采樣輸入、時(shí)鐘、通信等功能。利用這類PLC的現(xiàn)成功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化的 RTU功能。使用PLC的離散輸入點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)遙信、用PLC的離散輸出點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)遙控、用PLC的模擬采樣輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、用PLC的通信功能來(lái)實(shí)現(xiàn)和主機(jī)的通信。完成這些功能，都無(wú)需額外的硬件，只需根據(jù)開(kāi)關(guān)房的實(shí)際情況，對(duì)PLC進(jìn)行簡(jiǎn)單編程即可。不僅如此，利用PLC的模擬輸出功能，甚至還可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的遙調(diào)。例如調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器的變比，調(diào)節(jié)靜止無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的電壓、電流相角等。

這樣一種基于PLC的中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化的RTU實(shí)現(xiàn)方案，完全可以滿足中低壓配網(wǎng)自動(dòng)化的特殊要求。它具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，完全免維護(hù);規(guī)模可大可小，只需將 PLC的擴(kuò)展模塊連接在一起，就可以實(shí)現(xiàn)遙控點(diǎn)、遙信點(diǎn)、遙測(cè)點(diǎn)的增加;抗惡劣環(huán)境;高可靠性;編程實(shí)現(xiàn)各種功能，免硬件調(diào)試;費(fèi)用低廉。

PLC方案在具體設(shè)計(jì)時(shí)，包括以下幾個(gè)步驟：

a)獲取操作點(diǎn)數(shù)。了解配電網(wǎng)的基本情況及自動(dòng)化的具體要求，確定系統(tǒng)需要進(jìn)行遙控、遙信、遙測(cè)、甚至遙調(diào)的設(shè)備，統(tǒng)計(jì)各處配電房需要這4種信號(hào)的具體點(diǎn)數(shù)。

b)確定通信方案。根據(jù)配電網(wǎng)的規(guī)模及分布情況，確定總體設(shè)計(jì)方案，主要是通信方案的設(shè)計(jì)和選擇。

c)PLC選型。根據(jù)各處各種操作的點(diǎn)數(shù)以及所確定的通信方案，選擇恰當(dāng)型號(hào)的PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)RTU功能。

由于RTU需接受監(jiān)控中心的指令，并上傳配電網(wǎng)、開(kāi)關(guān)柜的信息，所以通信功能是選擇PLC的主要考慮因素。

由于各開(kāi)關(guān)房、開(kāi)關(guān)柜的操作類型、操作點(diǎn)數(shù)往往相差很大，因此，PLC是否具有模塊化結(jié)構(gòu)和組態(tài)能力，是否能夠靈活、經(jīng)濟(jì)地組成輸入點(diǎn)、輸出點(diǎn)、測(cè)量點(diǎn)(A/D)、調(diào)節(jié)點(diǎn)(D/A)的規(guī)?？勺兿到y(tǒng)，是選擇PLC型號(hào)的另一個(gè)主要考慮因素。

目前，很多廠家的產(chǎn)品，都可以滿足通信以及模塊化的要求。例如，SIEMENS的 S7-214以上系列，三菱的A1S系列，松下的較高級(jí)別的PLC系列等。根據(jù)具體情況，在一個(gè)配網(wǎng)自動(dòng)化工程中，整個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)可以選用同一個(gè)廠家的PLC，也可以根據(jù)配電房的具體情況，選用不同廠家的PLC，以利用各廠家PLC的優(yōu)勢(shì)和特色。

3　RTU功能的PLC實(shí)現(xiàn)

RTU功能的PLC實(shí)現(xiàn)包括硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面。

3.1　硬件實(shí)現(xiàn)方面

在硬件方面，主要存在PLC的電源如何提供，PLC如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的通信，遙控、遙信、遙測(cè)、遙調(diào)如何具體實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題。

由于PLC都有配套的專用電源模塊，因此在設(shè)計(jì)RTU時(shí)，主要應(yīng)考慮電網(wǎng)斷電后PLC 的供電問(wèn)題，通常以配置充電電池的方式解決。

一般PLC的通信模塊只具有短距離的通信能力，雖然有些公司為PLC提供配套的組網(wǎng)模塊，但通信距離也限制在若干千米以內(nèi)。而配電網(wǎng)的特點(diǎn)是點(diǎn)多、面廣，因此，必須借助其它方式以延長(zhǎng)PLC的通信距離。方法很多，有電話調(diào)制解調(diào)器方案、專線調(diào)制解調(diào)器方案、無(wú)線方案、尋呼臺(tái)服務(wù)方案