PLC 控制系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

涂 剛，譚社平

（1.廣西壯族自治區(qū)水利廳那板水庫管理中心，廣西 防城港 535500；2.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

在智能電網(wǎng)建設(shè)過程中，普遍存在技術(shù)條件有限的弊端，而傳統(tǒng)過時的順序控制系統(tǒng)早已無法滿足新時代電網(wǎng)運行的發(fā)展需要，尤其體現(xiàn)在系統(tǒng)控制方式與使用功能單一、運行效率低、抗噪聲以及抗干擾能力差等方面，這也在一定程度上弱化了電網(wǎng)正常運行的效率和供電質(zhì)量，無法充分發(fā)揮智能電網(wǎng)運行的安全性與可靠性優(yōu)勢?；诖?，在智能電網(wǎng)未來發(fā)展階段，電力企業(yè)應(yīng)將重心放在PLC 控制系統(tǒng)的應(yīng)用上，通過深化PLC 控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用來推動智能電網(wǎng)實現(xiàn)創(chuàng)新性發(fā)展與改革。

1 PLC 控制系統(tǒng)的概念及特點

1.1 概念

PLC 控制系統(tǒng)指基于順序控制器，以PLC 為核心融入自動控制、微電子等現(xiàn)代技術(shù)手段，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)成的新型柔性遠程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對各種不同類型的設(shè)備和生產(chǎn)過程進行有效控制，因此其在智能電網(wǎng)工程中有著廣泛的應(yīng)用前景，在保證電網(wǎng)運行安全穩(wěn)定性的同時，還能從整體上提高電網(wǎng)建設(shè)的智能化水平[1]。

1.2 特點

PLC 控制系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢，尤其體現(xiàn)在系統(tǒng)可靠性高、編程簡單、組態(tài)靈活等方面。其中可靠性特征指PLC 控制系統(tǒng)主要由一定數(shù)量的單片微型計算機構(gòu)成，與傳統(tǒng)繼電器邏輯控制系統(tǒng)相比，有著較高的集成度，且PLC 裝置本身還兼具電路保護、自診斷等多個方面的功能，即便是無人干預(yù)也能在第一時間處理各種故障問題。PLC 控制系統(tǒng)的編程相對簡單，這是因為PLC 本身是一種特殊的計算機，其應(yīng)用場景主要是在工業(yè)自動化領(lǐng)域中，因此其編程語言也是針對工業(yè)自動化領(lǐng)域的需求而設(shè)計的。相比于一般的計算機編程，PLC 的編程語言更加簡潔易懂，而且由于其特殊的應(yīng)用場景，其命令語句種類也相對較少，這使得PLC 控制系統(tǒng)的編程非常容易上手。在PLC 控制系統(tǒng)中，程序的編制一般是在梯形圖中完成的，因此，常把PLC 的編程方式稱為“梯形圖編程”。在梯形圖中加入16 條左右的命令語句就可以對PLC 進行有效控制，而這些命令語句的設(shè)計也是非常簡單的，常見的命令包括“輸入口狀態(tài)檢測”“輸出口狀態(tài)設(shè)置”等等。

此外，PLC 控制系統(tǒng)中包含的功能模塊也較為齊全，可以將開關(guān)量、電壓、電流、等現(xiàn)場信號與對應(yīng)元件進行有效對接，通過模塊輸入端或輸出端發(fā)揮多元化使用功能，以此達到有效控制智能電網(wǎng)的目的。在PLC 控制系統(tǒng)運行過程中，還可以通過控制程序執(zhí)行方式來提高系統(tǒng)運行效率以及現(xiàn)場信號處理速度。最后，PLC 控制系統(tǒng)還可以采用積木式結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式可以使得系統(tǒng)更加模塊化和可擴展，從而更方便進行升級、轉(zhuǎn)型或者系統(tǒng)規(guī)模與功能配置的整改。當(dāng)智能電網(wǎng)控制需求發(fā)生變化或者PLC 控制系統(tǒng)進行升級轉(zhuǎn)型時，相關(guān)工作人員只需要調(diào)整相應(yīng)的模塊單元即可，大大降低了系統(tǒng)維護和升級的難度和成本[2]。

2 PLC 控制系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中應(yīng)用的原則和目標(biāo)

2.1 原則

變電站在智能電網(wǎng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其中電壓無功的調(diào)節(jié)次數(shù)可以直接影響電壓質(zhì)量，只有減少調(diào)節(jié)次數(shù)，才能為電壓質(zhì)量提供基本保障。一旦對分接頭的調(diào)節(jié)次數(shù)過多，就會對變壓器正常運行的安全穩(wěn)定性造成一定的影響。因此，在無功穩(wěn)定與電壓合格的前提下，應(yīng)有效控制電壓無功的調(diào)節(jié)次數(shù)，以此保證變電站控制的質(zhì)量和效果。

我國現(xiàn)行的電力法律法規(guī)已對電力系統(tǒng)的功率因數(shù)和電壓作出了明確規(guī)定，如：其中，電力法是我國電力行業(yè)的基本法律，對電力系統(tǒng)的運行、管理和監(jiān)督都做出了詳細的規(guī)定。而電力法實施條例、電力工業(yè)發(fā)展規(guī)劃和電力監(jiān)管條例等法規(guī)文件則對電力系統(tǒng)的功率因數(shù)和電壓作出了進一步的細化和補充。根據(jù)我國電力法規(guī)的規(guī)定，電力系統(tǒng)中的功率因數(shù)應(yīng)當(dāng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，即在0.95 以上。同時，電力系統(tǒng)中的電壓也應(yīng)當(dāng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，即220V±10%。這些規(guī)定的實施，有助于保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提高電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，同時也有利于推動電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，在變電站運行過程中，應(yīng)對現(xiàn)有的電力無功設(shè)備進行優(yōu)化，保證調(diào)節(jié)設(shè)備控制的規(guī)范性的同時，還能結(jié)合實際運行情況靈活設(shè)定目標(biāo)值，從而使得電壓無功充分滿足電力系統(tǒng)運行要求。

2.2 目標(biāo)

PLC 變電站中的電壓控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行期間，設(shè)備保護閉鎖信號與系統(tǒng)運行參數(shù)都處于開關(guān)電器狀態(tài)，其中還包含主變的分接頭檔位信息。目前PLC 控制系統(tǒng)在運行過程中需要達到以下幾方面的目標(biāo)：

（1）穩(wěn)定性：確保系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定運行，避免出現(xiàn)故障和停機現(xiàn)象。

（2）可靠性：保證系統(tǒng)在任何情況下都能夠正常工作，即使出現(xiàn)部分故障也能夠盡可能地自我修復(fù)。

（3）靈活性：能夠適應(yīng)不同的生產(chǎn)環(huán)境和工藝要求，具備一定的可擴展性和定制性。

（4）安全性：確保系統(tǒng)在運行過程中不會對人員和設(shè)備造成任何傷害或損失，提供完善的安全保障措施。

（5）高效性：提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化和數(shù)字化。

以上是PLC 控制系統(tǒng)需要達到的目標(biāo)，只有同時滿足這些目標(biāo)，才能夠更好地服務(wù)于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需求。

3 智能電網(wǎng)中的PLC 控制技術(shù)

3.1 PRIME 技術(shù)

PRIME 技術(shù)最初是為了智能電表設(shè)計的，其與傳統(tǒng)PLC 架構(gòu)相比，除了PHY 與MAC 之外，還多了一個CL，且該層主要以智能電表的通信協(xié)議為主體對象。 PRIME 技術(shù)下的PHY 層協(xié)議與MAC 層協(xié)議之間有著密切關(guān)聯(lián)，其中PHY 層的凈速率最高可達128.6kbit/s，在差分編碼與OFDM 調(diào)制解調(diào)技術(shù)支持下，還能利用若干個子載波完成調(diào)制過程。與此同時，MAC 層主要用到了載波偵聽多路訪問技術(shù)，在提高組網(wǎng)靈活性與簡便性的同時，還省去了初期設(shè)計環(huán)節(jié)，也就是通過實時組網(wǎng)的方式完成整個操作過程。除此之外，PRIME 還可以在MAC 層中運用中繼技術(shù)控制電力線通道中傳出的噪聲[3]。

首先，PHY 層。PHY 層主要用于接收MAC 層輸入的內(nèi)容，當(dāng)校驗碼加載完畢后，通過PHY 層中的協(xié)議數(shù)據(jù)單元完成相應(yīng)的卷積編碼、交織工作，并利用DBPSK、DQPSK、D8PSK 完成差分調(diào)制操作，而最終獲得的數(shù)據(jù)還需要通過OFDM 調(diào)制處理。在PHY 層中添加CP，還可以有效控制符號和碼間帶來的干擾。由于電力線道極容易產(chǎn)生多徑時的延遲效應(yīng)，特別是某些子載波會出現(xiàn)時延的情況，對子載波間的正交性造成不同程度的破壞性影響后，還可能產(chǎn)生載波間干擾。因此，在數(shù)字間還可以插入相應(yīng)的保護間隔，將載波間的干擾控制在最小范圍內(nèi)，使得符號處于同步定時的狀態(tài)，采用信道估計的方式進行矯正后，即可達到符號定時同步的基本要求。

其次，MAC 層。MAC 層在組網(wǎng)過程中，不僅有著方便快捷的優(yōu)勢，在初期設(shè)計階段也無需做任何準(zhǔn)備工作，只需要通過即用式組網(wǎng)的方式達到相應(yīng)的目標(biāo)，極大地提高了整個運行過程的安全穩(wěn)定性。在PRIME 技術(shù)下的MAC 層中應(yīng)用具有沖突避免功能的載波偵聽多路訪問技術(shù)，可以在復(fù)雜的信道路由中保持較高的適用性。另外，在組網(wǎng)過程中，還可以在每一個節(jié)點中插入一個通用的48B MAC 層地址，從而保證每個設(shè)備都能分配到相應(yīng)的地址。在建立一個子網(wǎng)時，中繼節(jié)點扮演著重要的角色。每個中繼節(jié)點都被分配一個10 位的中繼識別碼，以便識別和跟蹤傳輸路線。這些中繼節(jié)點的職責(zé)是將信息從源節(jié)點傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點，以便在節(jié)點之間建立連接。在子網(wǎng)基礎(chǔ)節(jié)點升級期間，這些中繼節(jié)點從中繼池中獲取中繼識別碼，以構(gòu)建完整的傳輸鏈路。這樣，中繼節(jié)點可以保持與其他節(jié)點的通信，并確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院头€(wěn)定性[4]。

3.2 G3 PLC 技術(shù)

G3 PLC 技術(shù)設(shè)計的出發(fā)點也是智能電表，但其主要以IPv6 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為核心，也就是通過互聯(lián)網(wǎng)與電網(wǎng)互聯(lián)的方式提高其拓展性與融合性，或者利用互聯(lián)網(wǎng)完成電表管理、家電組網(wǎng)等操作。G3 PLC 技術(shù)在實際使用過程中，主要適用于10 ～490 kHz 頻段，實現(xiàn)雙向數(shù)字通信的同時，還能有效抵抗電力線信道帶來的多種噪聲干擾，在長距離通信中最高可以達到33.4kbit/s 左右的傳輸速率，在初期設(shè)計階段同樣不需要采取任何操作，通過即插即用的方式進行安裝。此外，G3 PLC 還可以借助自適應(yīng)色調(diào)映射技術(shù)、糾錯技術(shù)等獨有技術(shù)提高自身適應(yīng)性與可靠性。其中自適應(yīng)色調(diào)映射技術(shù)可以對不同的子信道進行監(jiān)視，并在最好的信道中實現(xiàn)多次傳輸，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。最重要的是，這兩層糾錯技術(shù)還有助于恢復(fù)突發(fā)噪聲導(dǎo)致的錯誤碼元。另外，G3 PLC 技術(shù)還可以通過魯棒運行模式，保證噪聲較大的信道達到高效傳輸?shù)幕疽?。與此同時，G3 PLC 技術(shù)還兼具跨越變壓器直接通信的功能，真正意義上省去了不必要的設(shè)備成本。

首先，PHY 層。G3 PLC 技術(shù)主要以O(shè)FDM 調(diào)制解調(diào)的方式為核心，結(jié)合不同情況有針對性地選擇DBPSK 與DQPSK 調(diào)制方案，其中PHY 層的符號數(shù)目主要與數(shù)據(jù)傳輸速率、可接受的魯棒性有關(guān)，數(shù)據(jù)傳輸速率又由PHY 層幀中符號的數(shù)量、子載波個數(shù)、通過前向糾錯增加的校驗位數(shù)量決定。在工作狀態(tài)正常的前提下，前向糾錯主要由所羅門碼與卷積碼構(gòu)成，基于魯棒運行模式，在前向糾錯中進行重復(fù)編碼，就可以整體提高系統(tǒng)運行的可靠性。此外，PHY 層主要支持典型數(shù)據(jù)幀、ACK/NACK 幀這兩種類型，其中前者由前導(dǎo)、幀控制頭、數(shù)據(jù)三部分組成，后者只包括前導(dǎo)與幀控制頭，其前導(dǎo)可以起到同步檢測的作用，而幀控制頭則可以獲得解調(diào)數(shù)據(jù)幀所需的數(shù)據(jù)信息[5]。

其次，MAC 層。G3 PLC 技術(shù)的MAC 層可以與IEEE P1901 等標(biāo)準(zhǔn)相兼容，整體呈現(xiàn)出了良好的拓展性特點。在使用載波偵聽多路訪問技術(shù)進行尋址時，我們可以通過在數(shù)據(jù)包控制域中設(shè)置科學(xué)的色調(diào)映射請求位來獲得更有效的通信。在這種情況下，MAC 層會及時反饋色調(diào)映射響應(yīng)，并通過目標(biāo)設(shè)備請求原數(shù)據(jù)及色調(diào)映射信息。經(jīng)過對兩點之間的通信鏈路進行科學(xué)評估后，我們就可以獲得最佳的物理參數(shù)，從而優(yōu)化通信質(zhì)量、提高數(shù)據(jù)傳輸速率等。因此，科學(xué)的尋址策略和正確的參數(shù)設(shè)置對于通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和性能優(yōu)化至關(guān)重要[6]。

4 PLC 控制系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中的作用

4.1 智能電網(wǎng)的自愈恢復(fù)

近年來我國微處理技術(shù)已經(jīng)歷了多年的革新與優(yōu)化，特別是單片機的使用極大地提高了PLC 裝置的信息處理能力，而PLC 控制系統(tǒng)在智能電網(wǎng)工程中也起到了良好的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控作用，尤其在智能電網(wǎng)運行過程中還能實時采集、轉(zhuǎn)換、處理現(xiàn)場中生成的數(shù)據(jù)信息。PLC 控制系統(tǒng)原本就包含數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、記錄、元件溫度監(jiān)測、功率因數(shù)計算，這些為各項工作的順利開展提供了科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)參考依據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控

PLC 控制系統(tǒng)不但包含著大量自檢信號，其還兼具自診斷式監(jiān)控功能。在智能電網(wǎng)實際運行過程中，PLC 控制系統(tǒng)可以連續(xù)完成自我評估動作，以此對電網(wǎng)運行的總體情況以及被控設(shè)備的異常運行情況進行監(jiān)測，通過對比事先設(shè)定的各項參數(shù)判斷異常與否。一旦檢測出異常，就會自動發(fā)送報警信號，操作人員能夠掌握故障位置以及發(fā)生故障的具體原因，與此同時采取對應(yīng)處理措施有效避免被控設(shè)備遭受更嚴(yán)重的損失，并在短時間內(nèi)快速處理，達到智能電網(wǎng)正常運行的標(biāo)準(zhǔn)。另外，PLC 系統(tǒng)還能夠在智能電網(wǎng)運行過程中通過對電網(wǎng)數(shù)據(jù)的分析，預(yù)測潛在的故障風(fēng)險。當(dāng)系統(tǒng)檢測到這些風(fēng)險時，它會自動采取措施來預(yù)防故障的發(fā)生，從而大大提高電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。此外，PLC 系統(tǒng)也能夠通過實時監(jiān)測終端設(shè)備的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)可能存在的設(shè)備故障，并提供相應(yīng)的解決方案，以此提高用戶的供電服務(wù)質(zhì)量。最后，PLC系統(tǒng)還可以提供各種數(shù)據(jù)報告，幫助電網(wǎng)管理者了解電網(wǎng)的運行情況和效率，從而更好地規(guī)劃電網(wǎng)建設(shè)和維護。當(dāng)主電源斷電故障解除后，PLC 控制系統(tǒng)還能自動切除備用電源，并轉(zhuǎn)接到主電源恢復(fù)正常工作狀態(tài)，并對備用電源進行充電處理。

4.3 電流開關(guān)量與模擬式保護

在智能電網(wǎng)運行過程中執(zhí)行電流保護操作時，主要采用繼電保護的方式，但這種方式在實際使用過程中普遍存在可靠性差、運行功耗大、保護盤體積過大的問題。因此，在現(xiàn)代智能電網(wǎng)工程運行過程中，傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)已無法滿足新時代發(fā)展需要，而PLC控制系統(tǒng)卻能通過開關(guān)量控制與模擬式控制的方式解決以上問題。在自動化控制系統(tǒng)中，開關(guān)量控制和模擬量控制是兩個重要的技術(shù)。其中，開關(guān)量控制主要利用PLC 輸入節(jié)點來完成相應(yīng)的電流信號表征任務(wù)。通過將PLC 開關(guān)量與接口電路對接，我們可以判斷開關(guān)閉合狀態(tài)并讀取各種不同的CPU 數(shù)值，從而完成整個開關(guān)量和電平量轉(zhuǎn)換過程。在模擬量控制方面，我們主要通過I/O 接口來獲取相應(yīng)的開關(guān)量數(shù)據(jù)信息。完成電流信號與電壓信號的轉(zhuǎn)換過程后，我們將信息接入到ADC 電路，并將其轉(zhuǎn)化為特定的數(shù)字量。在數(shù)字量與基準(zhǔn)電壓數(shù)字量單元進行對比分析后，就可以根據(jù)最終的分析結(jié)果判斷線路運行情況。通過驅(qū)動對應(yīng)輸出單元來完成過流延時等保護動作，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和保護[7]。

5 結(jié)語

在智能電網(wǎng)及控制系統(tǒng)運行過程中，要保證發(fā)電、輸電、配電環(huán)境運行的安全穩(wěn)定性，就必須深入研究PLC 控制系統(tǒng)在智能電網(wǎng)工程中的具體應(yīng)用，從多個角度著手發(fā)揮PLC 控制系統(tǒng)的應(yīng)用價值，同時圍繞著數(shù)據(jù)采集監(jiān)控、電網(wǎng)自愈、電流保護等多個領(lǐng)域充分應(yīng)用PLC 控制系統(tǒng)，不斷提高智能電網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)代化水平。此外，在PRIME 與G3 PLC 技術(shù)的支持下，使得智能電網(wǎng)保持較高的比特率、覆蓋率、靈活性以及抗干擾、抗噪聲能力。