基于FR+PLC控制的電氣倒閘操作模擬系統(tǒng)研究

宋坤

(國網(wǎng)山東省電力公司濟寧供電公司,山東,濟寧 272000)

0 引言

變電倒閘操作是指電氣設備或者電力系統(tǒng)由一種狀態(tài)轉變?yōu)榱硪环N狀態(tài)、從一種運行方式轉變?yōu)榱硪环N運行方式時必須運用的一種有序操作步驟[1]。該操作是電網(wǎng)廠站運行操作人員需要完成的一項極為重要的工作。為保證電力系統(tǒng)的安全運行,操作人員必須嚴格按照倒閘操作的要求流程完成操作,避免產(chǎn)生事故,但由于種種原因,導致電網(wǎng)倒閘成功率過低,影響了電力系統(tǒng)的安全運行[2]。為了提高倒閘操作的成功率,降低電力系統(tǒng)的安全隱患,許多電力相關的專家人員對此進行研究。例如徐洋等[3]建立的基于MCGS高壓電氣倒閘操作模擬系統(tǒng),通過組態(tài)軟件MCGS實現(xiàn)倒閘模擬操作;曾利等[4]基于專家系統(tǒng)的電網(wǎng)操作票自動生成系統(tǒng),運用專家系統(tǒng)技術實現(xiàn)倒閘操作。但是這些方法均存在一定的倒閘失敗率?；谠右δＰ偷腇R算法是一種具有顯著代表性的力導向算法,其可以豐富兩點之間的物理模型,加入點之間的靜電力,通過計算系統(tǒng)的總能量并使得能量最小化,從而達到布局的目的。而且其認為節(jié)點本身存在引力和斥力,節(jié)點之間存在斥力,通過線連接的兩節(jié)點之間存在引力,具備清晰展現(xiàn)圖中各點之間關系的顯著優(yōu)勢[5]。而PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術,內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術,具有很高的可靠性,能夠?qū)崿F(xiàn)對電網(wǎng)倒閘操作的準確模擬,因此文章使用這兩種方法完成倒閘模擬操作。

1 倒閘操作模擬系統(tǒng)設計

1.1 倒閘操作模擬系統(tǒng)硬件部分設計

基于FR+PLC控制的電網(wǎng)倒閘操作模擬系統(tǒng)主要包含4個模塊,繪圖模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊、邏輯關系管理模塊和操作票管理模塊。使用人員只需通過這4個模塊建立相應的數(shù)據(jù)文件,系統(tǒng)就能夠根據(jù)這些相應的數(shù)據(jù)文件自動完成適合某個電網(wǎng)廠站的倒閘操作的模擬。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

(1) 繪圖模塊:該模塊主要作用是繪制電網(wǎng)廠站接線圖,能夠為構造目標系統(tǒng)提供接線圖圖形數(shù)據(jù),為目標系統(tǒng)查找各種元件函數(shù)及各種元件的繪圖子過程。

(2) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊:該模塊是系統(tǒng)的核心,其主要作用是建立目標系統(tǒng)中所需的菜單文件、保護屏文件、操作類文件、庫文件、雜項文件的大部分外部數(shù)據(jù)文件。

(3) 邏輯關系管理模塊:該模塊的主要作用是根據(jù)“操作五制”原則要求建立邏輯關系。

(4) 操作票管理模塊:該模塊主要作用是目標系統(tǒng)中形成操作票時,建立其運行所需要的各種典型操作票文件、操作任務文件、操作設備文件、設備狀態(tài)文件和操作票名文件[6]。

1.2 基于FR算法的倒閘操作模擬系統(tǒng)軟件設計

1.2.1 電網(wǎng)倒閘操作點網(wǎng)格布局

再設計基于FR算法的倒閘操作模擬系統(tǒng)軟件,即確定電網(wǎng)倒閘操作點網(wǎng)格布局。這是因為通過電網(wǎng)倒閘操作網(wǎng)格布局是利用繪圖模塊實現(xiàn)電網(wǎng)廠站倒閘操作模擬的大前提。電網(wǎng)倒閘操作點均勻分布在畫板上,相鄰操作點的位置合理等均能體現(xiàn)位置布局的好壞。將電網(wǎng)倒閘操作點抽象和輸電線路分別視為圖中的點和線,構成圖模型,通過點的布局和兩點之間的路徑規(guī)劃實現(xiàn)電網(wǎng)倒閘操作點布局和輸電線路規(guī)劃。

FR算法可通過模擬圖中點、線與原子之間的力場調(diào)節(jié)位置關系[7]。為此,利用設置畫布的寬度和高度分別為L和H,畫布大小S的計算公式為

S=L×H

(1)

在利用布局電網(wǎng)倒閘操作點時,應使用必要的測量工具在現(xiàn)場獲得電網(wǎng)廠站各節(jié)點距離,并利用FR算法以及上述物理量測算電網(wǎng)倒閘操作點各節(jié)點的理想距離大小為

(2)

其中,|V|表示電網(wǎng)倒閘操作點數(shù)量。

電網(wǎng)倒閘操作點節(jié)點之間的歐式距離表達式為

(3)

其中,d(m,n)為電網(wǎng)倒閘操作點節(jié)點m和電網(wǎng)倒閘操作點n之間的歐式距離,mx、my分別為節(jié)點m水平和豎直方向的距離,nx、ny分別為節(jié)點n水平和豎直方向的距離。

FR算法將所有的節(jié)點都看做是電子,每個節(jié)點均會受到兩個力的作用:即斥力與引力。斥力為其他節(jié)點的庫倫力;引力為邊對點的胡克力。在力的相互作用之下,整個布局最終能夠呈現(xiàn)一種平衡的狀態(tài)。因此通過計算電網(wǎng)倒閘操作點之間的引力和斥力,可以確保節(jié)點之間的距離適當。由于全部節(jié)點中均存在斥力,兩個節(jié)點之間僅存在引力,因此可以理解為相關聯(lián)節(jié)點之間的距離較近,無關聯(lián)節(jié)點之間的距離相對較遠。那么電網(wǎng)廠站節(jié)點m、n之間的引力函數(shù)表達式如下:

(4)

電網(wǎng)倒閘操作點m、n之間的斥力函數(shù)表達式如下:

(5)

其中,引力因子為F1,即產(chǎn)生引力的因子,斥力因子為F2,即產(chǎn)生斥力的因。庫倫定理認為真空中兩個靜止的電荷之間的相互作用力,與他們的電荷量的乘機成正比,與他們的距離的平方成反比。因此以上因子可以通過昆侖定理等獲得。

采用模擬退火算法取代傳統(tǒng)迭代方式,避免產(chǎn)生局部最優(yōu)現(xiàn)象。模擬退化算法通過模擬物理上的降溫原理,達到最終穩(wěn)態(tài)。通過設定初始溫度和冷卻速率控制節(jié)點的最大位移量,位置的偏移量隨溫度的下降而更加微小,最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。

線性溫度下降公式為

Tt+1=φ×Tt

(6)

式(6)中,Tt、Tt+1分別為當前時刻和下一時刻的溫度,φ表示冷卻系數(shù),通常為正數(shù)且小于1。

利用FR算法對上述電網(wǎng)倒閘操作點物理量進行處理,從而轉化為模型參數(shù),以更好地進行計算。同時為獲取最佳布局效果,在FR算法中引入并發(fā)參數(shù)循環(huán)計算以處理上述電網(wǎng)倒閘操作點物理量,從而有效利用計算機計算性能,獲取電網(wǎng)倒閘操作點布局最優(yōu)參數(shù)值。

1.2.2 電網(wǎng)廠站接線圖的自動生成

廠站接線圖可體現(xiàn)發(fā)電網(wǎng)廠站的不同電壓等級母線的進出線情況。在完成電網(wǎng)廠站網(wǎng)格布局后,依據(jù)布局情況,生成電網(wǎng)廠站接線圖。接線圖中的元件主要包括母線、開關、變壓器、刀閘等。由于廠站接線圖的畫法具有一定規(guī)范性,因此各電壓等級的母線、主變壓器、進出線等的位置均具備一定的規(guī)律性。并且同種接線類型的母線之間的差別除了支路數(shù)目的不同之外,模式均沒有任何變化和區(qū)別。母線的出線數(shù)和母線的長度,是由間隔的數(shù)目決定的。

由于電網(wǎng)廠站接線圖自動生成功能是作為一個組成部分融合在其他電力系統(tǒng)應用程序中的,其整體程序設計如圖2所示。

圖2 程序設計圖

由于廠站接線圖是由各個間隔構成,并且設備間隔是繪圖的基本單位,因此為確定各種元件的位置,需要確定接線圖中各間隔的位置。根據(jù)廠站接線圖的畫法具有一定規(guī)范性的原則,整理電網(wǎng)廠站接線類型及其圖形設計相關的知識和經(jīng)驗,并定義成規(guī)則,構建使用者能夠擴充的規(guī)則數(shù)據(jù)庫,處理圖形的繪制的相關問題。

1.3 基于PLC的倒閘操作模擬設計

在獲得的電網(wǎng)倒閘操作點布局圖的基礎上需要通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊和邏輯關系管理模塊相互配合對指定地點的電網(wǎng)倒閘操作點進行倒閘操作模擬。PLC控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、自動控制技術等而形成的一代新型工業(yè)控制裝置,具有通用性強、使用方便、抗干擾能力強以及編程簡單等優(yōu)勢,為此使用該技術進行倒閘操作模擬。在模擬過程中,電網(wǎng)運行主要包含配電裝置和系統(tǒng)運行的控制2部分。

(1) 配電裝置包括高、低壓成套裝置、繼電保護裝置、中間繼電器、主令開關等設備組成。

(2) 邏輯關系管理模塊,負責各個配電設備之間的相互關系。在實際倒閘操作時,主令開關和位置開關是主要變化的信號[8]。為實現(xiàn)模擬操作,需要在滿足各個開關量變化信號后,利用與該運行系統(tǒng)相符合的控制邏輯完成邏輯關系管理。在進行模擬時的主要步驟為先將配電柜操作人機界面(HMI)建立在Wincc flexible編輯所需的開關量畫面上;再通過Step編寫各個功能柜分、合閘PLC控制邏輯程序,PLC主要包括母聯(lián)柜程序、進線柜程序、變壓器柜程序以及電動機程序4部分,并對HMI與PLC進行組態(tài),利用HMI向PLC輸入信號,再由PLC對輸入信號進行分析,再輸出具體內(nèi)容到HMI,以此完成倒閘操作模擬。其模擬設計思路如圖3所示。

圖3 設計思路框圖

1.4 倒閘操作模擬實現(xiàn)流程

電網(wǎng)廠站倒閘模擬操作系統(tǒng)程序設計采用編程中常用的結構化程序設計,充分利用PLC可以使用子程序的優(yōu)勢,根據(jù)結構化的編程思想,將電網(wǎng)廠站的整體功能分解成相應的進線柜、母聯(lián)柜、變壓器饋線柜等子程序,通過功能柜的控制程序,實現(xiàn)整個系統(tǒng)的倒閘功能。其結構程序流程如圖4所示。

圖4 倒閘操作模擬實現(xiàn)流程

2 驗證分析

將本文系統(tǒng)使用在上海某電網(wǎng)廠站的倒閘操作模擬中,測試系統(tǒng)的實用性能,特別是如何實現(xiàn)倒閘操作模擬。

該電網(wǎng)廠站有110 kV、35 kV和10 kV 3個電壓等級,測試只選用其110 kV和10 kV 2個電壓等級,測試范圍為110 kV去除開關及主變中性點接地倒閘全部操作,主變10 kV側接地樁的倒閘操作模擬。該電網(wǎng)廠站接線圖登錄主界面和接線顯示界面分別如圖5、圖6所示。

圖5 登錄主界面

圖6 電網(wǎng)廠站DCS接線圖

倒閘模擬操作成功率決定了電網(wǎng)廠站的安全程度。因此倒閘操作模擬的成功率是衡量本文系統(tǒng)優(yōu)劣的主要標準。采用基于MCGS高壓電氣倒閘操作模擬系統(tǒng)(文獻[3]系統(tǒng))和基于專家系統(tǒng)的電網(wǎng)操作票自動生成系統(tǒng)(文獻[4]系統(tǒng))與本文系統(tǒng),對110 kV去除開關及主變中性點接地倒閘,分別進行5次模擬操作,并對比操作結果,如圖7所示。

圖7 3種系統(tǒng)成功率對比結果

分析圖7能夠看出:本文方法針對110 kV去除開關及主變中性點接地倒閘的模擬操作成功率均在98%以上,另外兩種對比系統(tǒng)的倒閘成功率均低于96%,說明本文系統(tǒng)的倒閘操作模擬成功率較高,更加具備實用優(yōu)勢,并且能夠更好地保證電網(wǎng)廠站的運行安全。

為進一步分析本文方法的合理性,再對比3種方法的倒閘操作效率,得到5次對比實驗的結果如圖8所示。

分析圖8能夠看出:本文方法針對110 kV去除開關及主變中性點接地倒閘的模擬操作效率較高,最高可達到99%,而且呈現(xiàn)遞增的趨勢,能夠在保證成功率的基礎上減少倒閘模擬所需時間,具有一定的可行性。

3 總結

本文建立了基于FR+PLC控制的電網(wǎng)倒閘操作模擬系統(tǒng),該系統(tǒng)能迅速形成目標模擬,并通過電網(wǎng)倒閘操作點網(wǎng)格布局,使倒閥模擬操作更精準,能夠較好地解決變電站倒閘操作預演系統(tǒng)的通用性和可移植性問題,且目標系統(tǒng)各功能模塊能符合電網(wǎng)廠站的實際工作要求,更加便于使用人員使用,同時保證倒閘模擬成功率。