PLC控制系统在智能电网中的应用研究

2021-12-01徐志鹏

光源与照明 2021年4期

徐志鹏

山东新华制药股份有限公司，山东淄博 255000

0 引言

在智能电网建设期间，受到技术水平限制，传统的顺序控制系统已难以满足电网运行的需求，暴露出控制方式与使用功能单一、运行效率低下、无法独立完成复杂任务、抗干扰能力差等问题，进而影响电网的供电质量与运行稳定性，没有在真正意义上实现智能电网的可靠、安全、经济与高效目标。可编程逻辑控制器（PLC）控制系统的广泛应用，为智能电网发展提供了全新契机，被一致认为是智能电网的未来发展趋势。

1 PLC控制系统概述

1.1 特征

与传统控制系统相比，PLC控制系统有着可靠、编程简单、功能模块齐全、运行速度快、组态灵活的特征。其中，可靠性特征是指系统以PLC为核心，控制器由一定数量单片微型计算机组成，集成度远高于继电器，且PLC装置自身具备电路保护、自诊断等使用功能，可以在无人工干预的条件下自行发现并处理故障问题，维持PLC控制系统的高效运行状态。编程简单特征指PLC控制系统程序，采取控制梯形图方式，在梯形图中添加16条左右的命令语句即可，工作人员按照特定程序进行编程，即可在短时间完成PLC系统的程序设计工作，无须具备丰富的计算机专业知识。功能模块齐全特征指PLC控制系统可以同时将开关量、电压、电流、数字量等现场信号与对应元件接入模块输入/输出端，提供多元化使用功能，切实满足智能电网控制需求。运行速度快特征是指PLC控制系统采取程序控制执行方式，使得系统运行效率、现场信号处理能力远超过传统的继电器逻辑控制系统。组态灵活特征是指PLC系统创新性采取积木式结构形式，由若干模块单元拼装形成，在智能电网控制需求发生变化与PLC控制系统升级改造期间，工作人员仅需调整系统结构，增减模块单元，即可改变系统规模与功能配置结构。

1.2 应用意义

在早期建设的智能电网中，受到继电器逻辑控制系统限制，自动控制、协同互动、决策分析等使用功能发挥受限，并未实现预期建设目标。例如，从控制速度角度来看，传统继电器控制系统采取触点机械动作控制方式，工作频率仅达到毫秒级；而PLC系统采取半导体电路执行程序指令的控制方式，工作频率达到微秒级。在这一工程背景下，对PLC控制系统的应用推广，成为加快电网智能化建设步伐的重要举措。从运行效率角度来看，PLC系统可以高效处理电网运行期间持续产生的海量数据，将所执行的行动保持在秒一级水平上，实现元件在线监测、及时响应、快速诊断等控制目标。例如，在黄河大跨越-百万伏级特高压交流工程的决策支持场景中，PLC系统持续对海量系统数据进行采集、归类、转化处理，将其转化为工作人员可理解的信息，并提供决策分析建议，从而缩减决策时间，提高决策方案可行性[1]。

2 PLC控制系统的具体应用

2.1 数据采集监控

近年来，随着微处理器更新换代速度的加快，单片机的使用，大幅强化了PLC装置的数据处理能力，使PLC控制系统在智能电网的数据采集监控场景中得到应用，可以在电网运行期间持续采集、转换与分析处理实时产生的现场数据。系统具备数据统计分析、记录、信号转换等使用功能，为智能电网运行状态评估、故障定位、停电确认、元件温度监测、功率因数计算等工作的开展提供信息支持。

2.2 电网自愈

PLC控制系统具备自诊断式监控功能，以及存在大量自检信号，在运行期间基于程序准则，不断执行自我评估动作，判断电网总体运行与被控设备是否处于异常运行状况，对照分析预先设定的额定值与实时运行参数，当检测到参数、状态异常时，自动发送报警信号，向操作人员反馈故障类型、产生原因、故障点位置等信息，快速切断故障部分与非故障部分的连接，控制受损程度，及早恢复智能电网的正常运行状态。

此外，为了预防和减少供电服务中断问题的出现，PLC系统在检测到主电源因故障断电时，将自动在限定时间内执行备用电源投入动作，始终维持电网运行状态，不使用户供电服务中断，并在检测到主电源断电故障消除后，自动切除备用电源并投入主电源，在主电源进入正常工作状态后对备用电源执行充电操作。

2.3 电流保护

在电流保护场景中，早期电网采取继电保护方式，配置继电器与晶体管等元件提供电流保护，在实际应用期间存在保护盘体积庞大、可靠性差、运行功耗高等问题。因此，在现代智能电网工程中，逐渐采用PLC控制系统取代继电保护系统，实现方式包括开关量控制与模拟式控制。其中，开关量控制方式是通过PLC输入节点状态完成电流信号表征任务，将PLC开关量输入接口电路，根据开关闭合状态来获取不同的CPU读数，完成开关量-电平量转换操作。模拟式控制方式是通过I/O接口获取开关量数据，将电流信号转换为电压信号，将信息接入ADC电路转换至数字量，根据数字量与基准电压数字量单元对比结果来判断线路状态，以此为依据驱动对应输出单元，最终执行过流延时等保护动作[2]。

3 PLC控制系统在智能电网中的应用建议

3.1 结构设计

为了保证PLC控制系统的稳定运行，满足智能电网控制需求，必须做好结构设计工作，以PLC装置为系统核心，设置一定数量采集点，依托以太网保持主控模块间的连接控制状态，将系统结构拆分为信息采集、电力监控、主控制、回路控制等模块与人机界面。其中，信息采集模块负责持续收集电网运行期间产生的现场数据与监测信号，按比例对现场数据加以缩小转换处理，并独立采集电压、电流互感器数据，将所采集数据进行转换、归类处理后上传至电力监控模块。电力监控模块负责对所获取电流信号加以采样、放大、精密全波整流与迟滞比较处理，筛除信号中的高频干扰，将处理后的信号上传至主控制模块。主控制模块由PLC为核心，负责执行电压电流信号采集、模拟信号转换计算等任务，获取方波信号相移差、有效功率、功率因数等参数，配合固态继电器发挥回路通断保护功能，将数据处理结果发送至人机界面与回路控制模块。回路控制模块有着回路通断控制功能，根据主控制模块发送的数据处理结果，判断是否存在超额问题，选择性执行断电操作。

3.2 硬件选择

在PLC控制系统中，不同型号硬件设备的容量、使用功能与性能质量存在差异性，唯有结合智能电网控制需求与建设规模加以合理选择，方可切实满足智能电网控制需求，避免硬件设备性能浪费，或是影响电网控制效果和PLC系统实际使用寿命。

以PLC的选型工作为例，应根据工程情况，从机型、功能模块数量、容量、响应速度、通信联网能力等多个维度综合考量。例如，在一部分智能电网工程中，选择配置西门子公司推出的S7-200系统中的226型号PLC，这一型号的PLC装置有着功能强大、扩展数目与开关量点数多、内置电源的优势，且PLC系统的扩展性较佳，当组件负载超过电源额定值时，可以通过直接增加电源模块、向直流电源提供扩展模块的方式解决这一问题[3]。

此外，为了便于系统升级改造、维护保养、设备检修等工作的开展，电力企尽可量配置相同机型的PLC装置，采取一致的结构型式，在小规模智能电网工程中采取体积小、价格低廉的整体式PLC装置，在大规模智能电网工程中采取扩展性强、组态灵活、I/O模块可选种类多的模块式PLC装置。

3.3 控制方式选择

在智能电网工程中，可选择将开环控制或是模拟量闭环控制作为PLC系统的控制方式，需要根据智能电网控制需求加以选择。其中，开环控制是依托PLC装置逻辑运算能力而实现的一种控制方式，主要分为定时、步进、计数等控制功能，有着简单、可靠、稳定的优势，控制效果与电网运行状态不易受到外部因素干扰，但PLC系统的控制精度较低，不具备自纠偏功能，需要操作人员持续观测系统运行状态，发现与处理电网异常运行问题。闭环控制是基于开关量输入输出结果、模拟量输入输出点实现控制目的的一种方式，在系统输出端、输入端中设置反馈回路，PLC控制系统运行期间产生的输出信号经过反馈回路到达输入端，使PLC系统具备对比输入量、输出量的功能，根据反馈结果准确评估电网运行状态和控制效果，对控制偏离部位采取纠偏措施，从而将电压、电流、温度等参数始终保持在最佳范围内。