中低压配电网自动化及其PLC实现方案

　　摘要：从现代社会对配电的要求论述了中低压配电网自动化的必要性，对配电网自动化的几种现有方案进行了比较，提出了用可编程序控制器（PLC）来实现中低压配电网自动化的解决方案，并对PLC方案的具体实现作了详细的介绍。
　　
　　前言
　　
　　随着科学技术的发展，实现中低压配电网的自动化已成为电力系统发展的趋势。中低压配电网作为输配电系统的zui后一个环节，其实现自动化的程度与供用电的质量和可靠性密切相关。为此，本文特对中低压配电网自动化的必要性及其实现方案作简单的讨论。
　　
　　1实现中低压配电网自动化的必要性
　　
　　在现代社会中，供电质量的好坏，不仅反映一个国家或地区人们的生活质量、水平和投资环境的好坏，更是影响经济发展的重要因素，它决定着工业发展的方向、规模。实际上，信息时代的到来，要求不间断供电的计算机设备越来越多，给供电提出了更高的要求。停电或限电会导致减产，而忽然的停电则会危害工厂的重要设备。只有实现中低压配电网的自动化，才可能zui大限度地提高供电质量，满足人们日常生活工作与生产的需要。
　　
　　实现中低压配电网自动化，可提高供电的质量和可靠性。减少故障次数，缩小事故范围，缩短事故时间，为恢复供电、快速分析、诊断、报告事故原因提供有效的依据。此外，它可以可以提高整个电力系统的经济效益，提高整个电网的管理水平。
　　
　　配电网自动化建设，在我国尽管起步较晚，但也已经进行了近20年的研究和实践，取得初步成效。但是研究与实践成果大多数都是在高压配电网（35kV以上）层次上进行的，而在中低压配电网（配电房这一层次）的自动化问题上，还是一片空白，既没有总体的规划，也没有一个统一的技术原则。不仅如此，目前的纵向监控一般只限于变电站的出线以前，对于从变电站馈线到终端用户等属于用电管理范畴的监控，除少数大用户的负荷控制外，尚无其它监控手段。
　　
　　2中低压配电网自动化方案
　　
　　2.1电力系统自动化现有方案的比较
　　
　　中低压配电网（主要指开关站、开关房、开闭所）的自动化和变电站的自动化具有一定的相似性。因此，分析一下变电站自动化的实现方法，对于正确确定中低压配电网自动化方案具有重要意义。
　　
　　变电站自动化系统由5个部分组成：主站、远方终端单元(remoteterminalunits，RTU)、线路传感器、远方控制SF6或真空开关、通信电缆。其中，RTU装置位于变电站现场，可以自动采集各种开关状态量（遥信）、模拟量（遥测），并经通道传递到监控中心的主站系统；有的RTU还可以按监控人员的意图和指令执行特定的遥控操作，并将操作结果返送监控中心主站系统。
　　
　　从变电站RTU可以实现的功能来看，变电站的自动化包括3个方面的内容：遥信、遥测、遥控。除此之外，有的系统还可以根据遥测的结果实现电能量总加功能。与此相应，变电站自动化系统可以分为两类：一类只实现了遥信、遥测的功能，即传统的SCADA系统；而的SCADA系统则属于另外一类，它应该可以实现所有“三遥”功能。这两类系统对应着电力系统自动化的不同阶段和水平。从变电站RTU实现遥测的方法来看，RTU存在两种实现方案：
　　
　　(1)直流采样方案，这种类型的RTU装置在采集模拟量之前，先利用变送器将交流转化成直流，然后再使用RTUA／D转换元件将直流量表示成数字量。其装置以模拟电路为主，辅以少量的数字电路。其特点在于需要变换器，无需的数字处理单元（CPU等），但难以反映模拟量的瞬时变化，无法进行谐波分析，电能量总加功能的实现比较复杂困难。
　　
　　(2)交流采样方案，这种类型的RTU装置直接使用A／D转换元件对交流电量进行采集计算，无需变送器之类的转换设备，但需要快速的数字处理单元进行配合，以对采集到的数据进行分析、综合。它不仅可以反映电量的瞬时变化，而且可以进行谐波分析，计算频率，简单地实现电能量总加功能。它们多使用微型计算机（如8X86等）配合多个单片机（如8051、8098等）、并加上大量的A／D转换电路，来实现开关量、模拟量的采集。
　　
　　2.2中低压配网自动化的应用特点
　　
　　传统的变电站RTU在功能上偏重遥信、遥测，但中低压配电网的自动化对象（开关房、开闭所和配电房）数目繁多，开关操作频繁，更注重遥信、遥控功能。中低压配电网的自动化对象遍布城市、农村等各种不同环境，被不同层次的用电管理人员（包括农村电工）所操作。更要求其具有安装灵活、易操作、免专业维护、抗恶劣环境等特点。应用于中低压配电网的RTU，在功能上应具有模块化结构，在硬件上要越简单、越可靠越好。是同一套简单硬件，只要简单进行一下设置，就可以满足不同场合、不同规模的要求。由此可见，有必要开发新型的、不同于传统结构的RTU，以适合中低压配电网自动化的特点和需要。
　　
　　2.3中低压配电网自动化RTU的PLC实现
　　
　　用PLC来实现中低压配电网自动化的RTU功能，能够很好地满足RTU的*的要求。在国内市场，有来自许多厂家的PLC产品。这些产品从简单到复杂，都自成系列，可以满足不同应用的特殊要求。大多数中低档次的PLC产品，都包含有离散点输入和输出、模拟采样输入、时钟、通信等功能。利用这类PLC的现成功能，可以方便地实现中低压配电网自动化的RTU功能。使用PLC的离散输入点来实现遥信、用PLC的离散输出点来实现遥控、用PLC的模拟采样输入来实现遥测、用PLC的通信功能来实现和主机的通信。完成这些功能，都无需额外的硬件，只需根据开关房的实际情况，对PLC进行简单编程即可。
　　
　　这样一种基于PLC的中低压配电网自动化的RTU实现方案，*可以满足中低压配网自动化的特殊要求。它具有以下特点和优势：硬件结构简单，*免维护；规模可大可小，只需将PLC的扩展模块连接在一起，就可以实现遥控点、遥信点、遥测点的增加；抗恶劣环境；高可靠性；编程实现各种功能，免硬件调试；费用低廉。
　　
　　PLC方案在具体设计时，包括以下几个步骤：
　　
　　(1)获取操作点数。了解配电网的基本情况及自动化的具体要求，确定系统需要进行遥控、遥信、遥测、甚至遥调的设备，统计各处配电房需要这4种信号的具体点数。
　　
　　(2)确定通信方案。根据配电网的规模及分布情况，确定总体设计方案，主要是通信方案的设计和选择。
　　
　　(3)PLC选型。根据各处各种操作的点数以及所确定的通信方案，选择恰当型号的PLC来实现RTU功能。
　　
　　由于RTU需接受监控中心的指令，并上传配电网、开关柜的信息，所以通信功能是选择PLC的主要考虑因素；由于各开关房、开关柜的操作类型、操作点数往往相差很大，因此，PLC是否具有模块化结构和组态能力，是否能够灵活、经济地组成输入点、输出点、测量点（A／D）、调节点（D／A）的规模可变系统，是选择PLC型号的另一个主要考虑因素。
　　
　　目前，很多厂家的产品，都可以满足通信以及模块化的要求。根据具体情况，在一个配网自动化工程中，整个配电网系统可以选用同一个厂家的PLC，也可以根据配电房的具体情况，选用不同厂家的PLC，以利用各厂家PLC的优势和特色。
　　
　　3RTU功能的PLC实现
　　
　　3.1硬件实现方面
　　
　　在硬件方面，主要存在PLC的电源如何提供，PLC如何实现长距离的通信，遥控、遥信、遥测、遥调如何具体实现等问题。由于PLC都有配套的电源模块，因此在设计RTU时，主要应考虑电网断电后PLC的供电问题，通常以配置充电电池的方式解决。
　　
　　一般PLC的通信模块只具有短距离的通信能力，虽然有些公司为PLC提供配套的组网模块，但通信距离也限制在若干千米以内。而配电网的特点是点多、面广，因此，必须借助其它方式以延长PLC的通信距离。方法很多，有调制解调器方案、专线调制解调器方案、无线方案、寻呼台服务方案、光纤方案等。在同一个配电自动化工程中，可以根据具体情况，采用单一方法，也可以采用多种方法组合。
　　
　　在RTU的四遥操作方面，由于PLC的电平以及功率容量同操作设备不可能正好一致，加上有电气隔离的要求，因此，必须增加辅助的电位转换、功率放大、电气隔离等模块和器件。
　　
　　对于遥控，当PLC收到开关指令时，输出点到内部电源的通路被接通或关断，如果直接用输出点的输出电流去操作开关设备，则功率根本不够。因此，可把PLC的输出点作为一个小功率继电器的激磁电源，以控制该继电器的常开或常闭触点的开合，再由该继电器去控制配电网的配电开关的操作电源，使配电开关动作，线路或配电设备被投切。
　　
　　对于遥信，则是将被测开关的辅助触点两端引线接到PLC的输入点和地，当配电开关动作时，辅助触点相应开闭，PLC的相应输入点与地之间被断开或短接，从而在PLC内部获得一个高电平或低电平。
　　
　　对于遥测，经互感器出来的信号，必须落在PLC的A／D转换模块的测量范围之内，才能接入到相应模块的输入端。此外，在选择PLC的A／D模块时，还要考虑采样周期问题。周期太长，将无法获得数值。
　　
　　PLC可以实现遥调功能，但因电网中应用很少，这里不予详述。
　　
　　3.2软件实现方面
　　
　　在PLC软件方面，由于PLC以循环扫描和中断两种方式来执行程序，因此为了完成所有RTU功能，PLC软件应包括：循环扫描执行的主程序；通信程序（接收和发送报文）；收到报文分析程序；上发报文产生程序；输入点电平中断扫描程序；操作执行程序（遥控、遥信、遥测等）。在上述程序模块的编制中，应重点考虑以下问题：
　　
　　(1)PLC的主CPU的速度是否足够快？如何编制出执行时间短的程序？
　　
　　(2)PLC和监控中心的通信要利用一套复杂的通信规约，PLC的程序容量能否容下所有程序？如何编制出短小精干的程序？
　　
　　(3)PLC是通过循环扫描输入点的内存映像以获取输入点的输入状态的，在配电开关动作时，相应辅助触点往往存在短暂的抖动。抖动的机械频率虽然很高，但相对于PLC的程序扫描执行的频率却是很低的，因此这种抖动会在PLC的内存映像中反映为多次不相干的开关动作，如何在程序上消除这种开关动作的假象？
　　
　　实践证明，采用恰当的编程技巧，以上各种问题都可以得到圆满解决。
　　
　　4结论
　　
　　实现我国中低压配电网自动化，是提高供电质量、用电可靠性和提高电力企业自身水平的需要。利用PLC来实现中低压配电网的RTU功能，具有简单、可靠、易用等特点，是一个比较有应用前景的实现方案。