變電站綜合控制
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摘要本文將PLC分級遞階控制引入變電站綜合控制中，有效的提高了控制系統的可靠性；同時引入智能控制技術，大大減少了變壓器故障，提高了供電質量。
關鍵詞PLC分級遞階控制變電站智能技術
1引言
眾所周知變電站是電力系統中不可缺少的重要環節，由于它擔負著電能轉換和電能重新分配的繁重任務，對電網的安全和經濟運行起著重要的作用。但是，現存的許多老式變電站由于存在安全性、可靠性不能適應電力系統實時控制等一系列缺點而無法滿足電力系統現代化的各項要求。因此提出一種安全、可靠、能提高電力系統運行、管理水平的變電站綜合自動化設計方案已成為一項十分緊迫的任務。目前，已經實際運行的綜合自動控制系統有：LAS系統、基于CAN/LON網的分散分布式變電站控制系統等，它們在實際應用中取得了較好的成效，但也存在著技術和經濟上的各種缺點。本文在研制智能型有載調壓變壓器監控系統的基礎上，從變電站綜合自動化發展的大方向(即從集中控制型向分散(層)網絡型發展；從專用設備向平臺發展；從傳統控制向綜合智能方向發展)出發，提出了一種新型的變電站綜合自動控制系統結構設計方案，可應用于變電站綜合自動控制系統中，有著廣泛的應用前景。
變電站綜合自動化包括的內容很多，它是將變電站的二次設備(控制信號、測量保護、自動裝置及遠動裝置等)利用計算機技術、現代通信技術經過功能組合和優化設計，對變電站執行自動監視、控制和協調的一種綜合性的自動化系統。以下僅以變壓器有載調壓監控系統為例，說明PLC分級遞階控制這種結構體系在變電站綜合自動控制中是有效、可行的。
2PLC分極遞階控制系統的結構
可編程控制器(PLC)被稱為現代工業控制的三大支柱(PLC、機器人和CAD/CAM)之一，具有可靠性高，易于控制，編程使用簡單，性價比高，環境適應性強等特點，已被廣泛地應用于控制領域，在變電站綜合自動控制中也已有應用。但是PLC在數據、信息處理與圖象顯示等方面仍顯不足，還無法與計算機相比，因而未能充分發揮其強大功能，一般只是用PLC對開關量進行控制。但近年來隨著PLC通信網絡功能的不斷增強，已可以方便的將PLC與計算機連接。利用計算機運算速度快，信息處理方便，顯示性能高的優點，將其作為上位機，行使管理功能，與PLC形成一個優勢互補的分級遞階控制系統。這樣，PLC就可以執行復雜的控制職能，從而可以對變電站進行最優綜合控制。
分級遞階控制思想的實質是將一個大的控制系統按功能或結構進行層次分配，將全系統的監視和控制功能劃屬于不同的級別去完成，各級完成分配給它的功能，并將有關信息傳遞到上一級，接受上一級管理。綜合控制功能由最高一級決策執行，各級的工作相互協調，力求整個控制系統達到最佳效果。
分級遞階控制依據“層次越高，智能越高，控制精度越低；層次越低，智能越低，控制精度越高”的擬人的原則進行設計。基于PLC的分級遞階控制系統共分為三級：組織級、監控/協調級和執行級。
(1)組織級(OrganizationLevel)這是整個系統的最高級，其智能程度最高，執行組織管理決策的智能，對下進行指導和監控。該級對上通過人機接口與管理人員進行友善的人機對話，執行管理決策的職能。對下監視、指導協調級的所有行為。其智能程度最高，但精度不高，宜粗不宜細，以便進行宏觀指導。該級還可以根據實際生產過程和環境等信息，采用人—機結合的方式自動或半自動的提出合理的控制目標或指標，形成相應的命令或任務向低層下達。這部分通常由高功能的計算機來完成。
(2)監控/協調級(CoordinationLevel)該級主要根據組織級的命令協調下位PLC的運行，避免下位PLC發生沖突，并將下位PLC的信息傳輸到上位計算機。監控/協調機既可以是工業控制計算機也可以是主PLC或PLC終端，可根據控制要求進行選擇。
(3)執行級(ExecutiveLevel)這是控制系統的最低級，執行現場控制功能，是自動控制系統中控制的關鍵級。該級智能最低，但可靠性、控制精度和實時性要求最高，因而PLC正是最佳選擇。同時，該級的PLC可通過現場總線與上位的監控協調級連接進行實時的在線控制和協調。現場總線技術一般采用塌陷結構，使用開放系統互連(OSI)參考模型的低層協議，因而結構簡單，實時性強。
上述結構，利用計算機運算速度快，信息處理功能強大的優勢，使計算機集中管理各控制子系統，對現場信息進行綜合處理，給出最優解決方案。同時，控制級計算機可以通過局域網與其它計算機相連，既可以實現資源共享，又可以使不同系統在統一調度下，協調工作，減少資源浪費。下位PLC或遠程工作站分散后進行連網，這樣，執行級各控制器件就可在現場實現分散控制，并通過網絡將信息傳遞到上位控制機，使上位機進行集中管理。即使下位PLC或遠程工作站個別設備出現故障，也不會導致整個系統的癱瘓，整體性能好，運行可靠。
3PLC分級遞階控制系統在變電站綜合控制系統中的應用
當前，已有變電站將PLC引入控制系統中，但是僅僅利用PLC對開關量進行控制，如對有載調壓變壓器分接開關的調節，并聯補償電容器的投切等。遠沒有充分發揮PLC的強大功能。
3.1在變電站綜合控制系統中PLC分級遞階控制系統的結構
利用本文上面提到的分級遞階控制結構，我們可以按照三級機構設計變電站綜合控制系統。
(1)組織級的設計
組織級是本系統的最高級，承擔著最優決策的功能。當前變電站綜合控制大部分仍是按照傳統的九區控制方法，利用電壓和無功功率雙參數將變電站運行狀態分為九個區，根據各個區所對應的控制方案進行調節。但是，在該控制系統中，無功調節判據是一個與電壓無關的平行于電壓坐標軸的固定邊界，沒有充分考慮無功調節與電壓調節相互間的協調關系。根據“保證電壓合格，無功基本平衡，盡量減少調節次數”的變電站電壓和無功綜合調節的基本原則，無功調節邊界應當是一個受電壓狀態影響，且在一定范圍內服務于電壓調節的模糊邊界。因此，我們對傳統的控制策略也作了改進，引入了無功調節判據,提出了模糊邊界的無功調節。基于電壓與無功的相互影響,對電容器組的投切判據建立如下數學模。
式中：U0為標準電壓；Q0為每組電容器的容量；U為電壓實時值；Q為實時功率值；α1，α2為權重系數。
根據上面推導出的數學模型，可以得到修正后的電壓無功雙參數調節的模糊邊界,如圖2所示。
我們利用計算機進行模糊推理，得到最優控制策略，形成控制規則表，將其傳遞到下級進行協調控制。同時該級為操作人員提供了良好的人機界面，將電壓、電流、有功、無功等信息以曲線圖、柱狀圖等形式實時反映出來，并且在出現異常情況時可進行聲光報警，使操作人員可以及時全面的了解系統運行情況，并可對生產過程進行調節和控制。該級計算機裝有專家知識庫，在變電站內出現故障時，可在專家系統的引導下，盡快解除故障。定時召喚打印功能和無人抄表功能可以方便的使變電站綜合控制實現無人職守。根據各變電站的實際運行情況和不同時段的電壓、無功波動情況，還可以通過控制級計算機設定電壓整定值和靈敏度參數，而且根據控制要求還可以由功能按鈕直接對有載調壓變壓器的分接頭和補償電容進行控制，以進一步增加控制的靈活性。
該級的計算機還可以通過Ethernet、ARCNET等局域網進行聯網，實現信息共享，對某一區域進行綜合控制，這樣既可以從整體上進行控制，更有利于提高整個地區的供電質量，還可以減少資源的浪費。
(2)監控/協調級的設計
該級的主要功能是完成組織級下達的命令，負責執行級PLC的協調工作。該級可由計算機或主PLC構成，隨著PLC性能價格比的不斷提高，一般變電站的監控/協調級都可由主PLC承擔。在變電站中，多變壓器的同步調節主要由該級負責，同時它還負責執行級現場信息的傳輸，在整個分級遞階控制中起著橋梁作用。
在小型的變電站中，為了節省投資，也可以將組織級和監控/協調級集成在一個高性能的計算機中。
(3)執行級的設計
執行級的智能程度最低，但控制精度和實時性要求最高。由于變電站電磁干擾嚴重，常規的控制器件難以達到精確控制，因而可靠性高、實時性好、性能價格比高的PLC是最佳選擇。由于PLC與計算機聯網，可以將最優控制結果下載到PLC，利用PLC實現各種最優控制。對于主要器件如主變壓器，可以采用PLC的冗余技術更進一步提高可靠性。所謂PLC冗余技術即正常運行時，一臺PLC作為主PLC進行控制，其它的PLC作為備用，監視系統運行。當主PLC發生故障時，由PLC協調器件指定另外一臺PLC作為主PLC，控制系統運行，將有故障的PLC換下維修。由于PLC發生故障的幾率十分小，采用冗余技術后的故障率幾乎為零。
現在的PLC大多提供了現場總線技術，利用組態軟件可以方便的將現場的多臺PLC組成現場總線局域網。現場總線采用開放式的標準總線結構，可以十分方便的將分散的智能化設備連接起來，有利于徹底的實現分布式控制，而且有利于各臺PLC的協調動作，提高了系統的可靠性。
3.2通信口的設計
C系列的C200H配有HOSTLINK通信模塊，對上可與計算機通信，進行組網連接；對下可通過RS-232、RS-485等實現近程或遠程的通信，實現對生產線各個監控點的監控。本系統中鏈接的PLC不多，故可采用“輪詢”式的工作方式，依次對鏈接的PLC進行數據傳輸。上位機對來自現場的數據經特征識別、分析判斷后，針對不同的狀態，再經過通信口給下級下達命令。操作人員還可經PLC終端對PLC的工作進行可視性監控，通過觸摸屏開關下達命令。因此整個系統運行的正常與否和通信口的設計關系極大。為保證通信暢通可靠，在編制程序時應注意以下幾點：
(1)波特率的設定應與HOSTLINK單元的SW3的設置保持一致；
(2)為保證傳輸可靠，對指令幀每一字符進行“異或”邏輯運算，形成通信指令檢驗的FCS碼；
(3)對由HOSTLINK單元返回的響應幀在判讀其相應位為“00”后處理，若FCS校驗錯或響應幀相應位不為“00”，顯示錯誤信息，重新發送指令。
基于PLC分級遞階控制的變電站綜合自動控制系統既吸取了集散控制系統“信息集中，控制分散”的優勢，又保留了PLC所固有的可靠性、靈活性及性能價格比高的優點，同時大大降低了傳統集散控制系統的成本，提高了系統性能，以最低成本來完成高技術的自動化。
該控制系統各級之間既有分工又有聯系，協調工作。同時按照現場實際控制需要，將執行級的PLC采用分散控制結構，將各個PLC分散后進行聯網，一方面可將變電站的全部信息通過網絡傳至組織級計算機以實現信息集中管理，另一方面可避免因個別設備出現故障而造成整個系統的癱瘓，提高了可靠性。
由于控制系統采用模塊化結構形式，各變電站可依據自己的需要選擇不同數量、不同規格的PLC模塊，整個系統采用分級分散的網絡結構形式，使增加或去除某些單元不會影響整個系統的功能。同時，PLC可以實現在線編程，根據不同的需要對設定值進行整定，而不需要改變整個系統結構，因而大大提高了系統的靈活性。
4結論
本文將PLC分級遞階控制的先進思想引入變電站綜合控制中，提出了一種先進、可靠、有較高性能價格比的變電站綜合自動控制系統結構設計方案。其基本思想是：通過通信網絡將PLC可靠性高、靈活性好、性能價格比高的優勢與計算機信息處理快、顯示性能強的優勢相結合，實現了變電站“管理集中，控制分散”的集散式控制。同時，將模糊控制與專家系統等智能技術引入變電站綜合控制，可以有效減少分接頭和補償電容器的動作次數，減少變壓器故障，提高電壓質量。現場實驗證明本設計可靠性高，成本低，實用性強，符合變電站綜合控制向網絡化、智能化發展的方向。
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