PLC在变电站变压器自动化中的应用

1、PLC在变电站变压器自动化中的应用摘 要变电站自动化，也称变电站综合自动化，是伴随着计算机及大规模集成电路技术的发展而出现的，国际上在20世纪70年代末就研制出了实验系统。到了90年代，计算机的性能也十分强大、稳定，价格持续下降，并随着计算机通信技术和网络技术的发展，变电站自动化系统的性能也是满足电力系统运行的要求。建设和运行经验表明，变电站自动化系统可带来节省电缆、缩小控制室面积、提高监控水平、积累运行数据和节省人力等方面的显著效益，现已成为新建变电站首选的监控模式。本文通过对变电站自动化的描述，提出了可编程控制器PLC在变压器自动化及变电站综合控制的实现和应用。在第二章中讲述了PLC可编程

2、变压器自动化屏的组成及实现，并讲述了可编程变压器自动化的选择和实施控制的原理。第三章提出了PLC分级递阶控制在变电站综合控制中的结构及应用，还讲述了对通信口的设计。第四章通过对数字化变电站自动化系统的特点和结构的讲述，提出了变电站自动化的新发展。通过PLC在变电站变压器自动化中的实现，让我们更精确的对它实施控制，减少了人工操作的麻烦和避免了一些不必要的损失。关键词:变压器自动化；PLC自动化屏；PLC阶梯控制目 录第2章 可编程控制器的综述42.1 可编程控制器的发展与定义42.2 可编程控制器系统的基本结构52.3 可编程控制器的特点62.4 可编程控制器的应用领域72.5 可编程控制器的发

3、展趋势8(1)向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展8(2)过程控制功能不断增强8(3)大力开发智能型IO模块8(4)与个人计算机日益紧密结合8(5)编程语言趋向标准化8(6)通信与联网能力不断增强8第3章 可编程控制器的硬件结构93.1 可编程控制器的硬件结构993.1.2 可编程控制器的工作原理103.2 PLC控制系统设计的一般步骤11第4章 PLC变压器自动化124.1 变压器及配套设备为常规设备12134.3 可编程变压器自动化屏的组成及实现144.3.1 PLC的选型144.3.2 可编程变压器自动化屏的硬件144.3.3 PLC的自动化监控程序154.3.4 PLC与监控主

4、计算机串行通讯的实现154.4 可编程变压器自动化屏的运行15第5章 PLC分极递阶控制系统的结构16第6章 PLC分级递阶控制系统在变电站综合控制系统中的应用17第7章 变电站综合自动化通信网络的设计与实现20207.4.1 硬件的选择22第8章 变电站综合自动化的发展趋势24结束语28参考文献29第1章 前言目前，已经实际运行的综合自动控制系统有：LAS系统、基于CAN/LON网的分散分布式变电站控制系统等，它们在实际应用中取得了较好的成效，但也存在着技术和经济上的各种缺点。本文在研制智能型有载调压变压器监控系统的基础上，从变电站综合自动化发展的大方向(即从集中控制型向分散(层)网络型发展

5、；从专用设备向平台发展，中小变电站综合自动化中的自动化设备有：可编程自动化监控装置、可编程变压器自动化屏、可编程微机计量屏、可编程微机线路保护屏、可编程微机同期系统、可编程中央信号屏、可编程电容屏、可编程微机直流电源系统等均应用了PLC为其智能化单元，并且都能够挂网运行，方便地实现遥信、遥测、遥控功能，取代了传统的RTU。众所周知变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，由于它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着重要的作用。但是，现存的许多老式变电站由于存在安全性、可靠性不能适应电力系统实时控制等一系列缺点而无法满足电力系统现代化的各项要求。已经实际运行的综合自动控制

6、系统有：LAS系统、基于CAN/LON网的分散分布式变电站控制系统等，它们在实际应用中取得了较好的成效，但也存在着技术和经济上的各种缺点。变电站综合自动化包括的内容很多，它是将变电站的二次设备(控制信号、测量保护、自动装置及远动装置等)利用计算机技术、现代通信技术经过功能组合和优化设计，对变电站执行自动监视、控制和协调的一种综合性的自动化系统。以下仅以变压器有载调压监控系统为例，说明PLC分级递阶控制这种结构体系在变电站综合自动控制中是有效、可行的。由PLC构成的变压器自动化部分在自动化变电站中的实现。适用于老式变电站的自动化改造及新式变电站的建设。第2章 可编程控制器的综述2.1 可编程控制

7、器的发展与定义2.1.1 PLC的发展PLC问世以来随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断进步，PLC也迅速发展。其发展过程大致可分以下3个阶段。(1)早期的PLC(20世纪60年代末至70年代中期)其主要功能是指向原先由继电器完成的顺序控制、定时等功能。(2)中期的PLC(20世纪70年代中期至80年代中、后期)微处理器由于其体积小、功能强、价格便宜，很快被用于PLC，使PLC功能增强、工作速度加快、体积减小、可靠性提高、成本下降。(3)近期的PLC(20世纪80年代中、后期至今)由于大规模集成电路技术的迅速发展，使各种类型的PLC所采用的微处理器档次

8、普遍提高。使得PLC在软件、硬件功能上都发生了巨大变化。现代PLC不仅能够完全胜任对大量开关量信号的逻辑控制能力，还具有了很强的数学运算、数据处理、运动控制、PID控制等模拟量信号处理能力。同时PLC的联网通信能力大大增强，可以构成功能完善的分布式控制系统，实现工厂自动化管理。2.2.2 PLC的定义可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程.可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

9、总之，可编程控制器是一台专用计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机，它具有多个输入输出接口，并且具有较强的驱动能力。在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。2.2 可编程控制器系统的基本结构可编程控制器是微机技术和继电器常规控制概念想结合的产物，它按照用户程序存储器中预先编制的控制程序，通过输入接口采入现场信息，执行逻辑或数值运算，进而通过输出接口控制各种执行机构动作。它的硬件配置主要由中央处理单元(CPU模块)、信号输入输出模块、电源和编程器等部分组成，如图1.1所示。 CPU模块 输出模块输入模块编程器电源模块按钮开关限位开关接触器继电器指

10、示灯图1.1 PLC系统的基本结构2.2.1 CPU模块CPU模块是PLC的主要组成部分，是系统的控制核心。它以循环扫描的方式采集现场各输入装置的状态信号，执行用户控制程序，并将运行结果传送到相应的输出装置，驱动外部负载工作。CUP模块中通常还插装有存储器，PLC的系统程序、用户控制程序和工作数据就绪存储在存储器中。2.2.2 输入输出模块通常，将PLC的信号输入模块和信号输出模块简称为输入输出模块(IO模块)。输入输出模块是PLC的CPU模块与外部控制现场相联系的桥梁。PLC的输入输出模块通常可分为开关量输入模块、开关量输出模块和模拟量输出模块等，分别用于联系不同类型的外部信号。2.2.3

11、电源PLC通常使用交流220V或直流24V工作电源。它的电源模块为其他各功能模块提供DC5V、DC12V、DC24V等各种内部直流工作电源。一般情况下，许多PLC可以为输入电路和外部的传感器提供24V的工作电源，但是驱动PLC负载的直流电源或交流电源一般由用户提供。2.2.4 编程器及其他选件编程器是编制、编辑、调试、监控PLC的用户程序的必备设备。它通过通信接口与PLC的CPU模块相联系，完成人机对话。小型PLC的程序编制可直接使用简易的手持式编程器来完成，较为复杂的编程一般使用专门的编程软件。编程软件可以安装在普通计算机上，程序编制好后通过通信电缆下载到PLC中。PLC还可以选配其他设备，

12、如盒式磁带机、打印机、EPROM写入器、人机接口单元、网络连接设备等，可以根据实际需要进行配置。2.3 可编程控制器的特点2.3.1 高可靠性和强干扰能力PLC具有很高的可靠性和很强的抗干扰能力，平均无故障工作时间可达数万小时，可以直接用于有很强烈干扰的工业生产现场并持续工作。2.3.2 丰富的IO接口模块PLC除具有普通计算机的基本部分(如CPU、存储器等)外，还有丰富的IO接口模块。对不同的工业现场信号(交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱点等)，设计有相应的IO模块与工业现场的器件或设备(按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等)直接连接。2.

13、3.3 灵活性好PLC的各个部件，包括CPU、电源、IO等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。相对于传统的电气控制线路，PLC为改进和修改原设备提供了极其方便的手段，通过修改或重新编写应用软件，就可以用一台PLC实现不同的控制功能。2.3.4 编程简单易学PLC大多采用梯形图作为主要的编程语言。梯形图是一种面向用户的编程语言，它的表达方式类似于继电器控制系统电路图，具有形象直观、易学易懂的特点。对于熟悉继电器控制电路图的电气技术人员来讲，很快就可以学会梯形图语言，并用来编制用户所需程序。2.3.5 系统安装简单，维修方便PLC不需要专门的机

14、房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只须将现场的各种设备与PLC相应的IO端相连接，即可投入运行。PLC的各种模块上大多都有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。2.4 可编程控制器的应用领域2.4.1 逻辑控制逻辑控制是PLC最基本的应用，它可以取代传统的继电器控制装置，如机床电气控制、各种电机控制等，可实现组合逻辑控制、定时控制和顺序逻辑控制等功能。PLC的逻辑控制功能相当完善，可用于单机控制，也可用于多机群控制及自动生产线控制，其应用领域已普及各行各业。2.4.2 运动控制PLC

15、使用专用的运动控制模块，可对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，实现单轴、双轴和多轴位置控制，并使运动控制和顺序控制功能有机结合在一起。PLC的运动控制功能可用于各种机械，如金属切削机床、金属成形机械、机器人、电梯等场合，可方便地实现机械设备的自动化控制。2.4.3 闭环过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过其模拟量IO模块，及数据处理和数据运算等功能，实现对模拟量的闭环控制。现代的大中型PLC一般都有PID闭环控制功能，这一功能可以用PID子程序或专用的PID模块来实现，可用于热处理炉、锅炉、塑料挤压成形机等设备的控制。2.4.4 数据处理

16、现代PLC具有数学云端、数据传送、转换、排序和查表功能，可以完成数据的采集、分析和处理等操作。这些数据可以与储存在存储器中的参考值进行比较，也可以用通信功能传送到其他智能装置，或将它们打印制表。数据处理功能一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品加工中的一些大型控制系统。2.4.5 通信联网PLC的通信包括主机与远程IO之间通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能设备(如计算机、视频器、数控装置等)之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散管理”式的分布式控制系统。当然，并不是所有的PLC都具有上述全部功能，一些小型PLC

17、只具有上述的部分功能，但价格较低，而大型PLC具备的功能较为完善。2.5 可编程控制器的发展趋势(1)向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展(2)过程控制功能不断增强(3)大力开发智能型IO模块(4)与个人计算机日益紧密结合(5)编程语言趋向标准化(6)通信与联网能力不断增强 第3章 可编程控制器的硬件结构3.1 可编程控制器的硬件结构PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是一种微处理器为核心的用作数字控制的特殊计算机。他/它的硬件配置与一般微机装置类似，主要由中央处理单元(CPU)、输入单元、输出单元、编程器、电源和特殊输入输出单元组成，如图3.1所示。编程器现场用户设备其

18、他智能设备电源模块CPU模块存储器I/O模块特殊I/O模块通信模 块总线 图3.1 PLC系统配置结构图3.1.2 可编程控制器的工作原理 PLC控制任务的完成是建立在其硬件的支持下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，这一点是和计算机的工作原理一致的。因此，可编程控制器的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的。 由于早期的PLC是从继电器控制系统发展而来的名主要完成的任务是开关量的顺序控制，对被控制对象的实现是有关逻辑关系的实现。因此，PLC并不是单纯像普通计算机那样工作，而是发展了一种叫做巡回扫描的工作机制。 PLC的巡回扫描，既是对整个程序巡回执行的工作方式，就是说用户程序执行不是从

19、头到尾只执行一次，而是执行一次后，又返回去执行第二次、第三次······直到停机。因此，PLC可以被看成是在系统软件规定好的任务。定义从扫描过程中的一点开始，经过顺序扫描又回到该点的过程为一个扫描周期。如图3.2所示是PLC的CPU工作流程图。复位系统定时置错误标志位I/O操作复位系统定时器和程序地址计数器执行用户程序执行外设命令通电检查I/O复位单元I/O清零，定时器复位链接服务复位系统定时检查系统硬件和程序存储器是否正常 3.2 PLC控制系统设计的一般步骤如图3.3所示，PLC控制系统一般步骤分为：熟悉控制对象，PLC选型及确定

20、硬件配置、设计PLC的外部接线、设计控制程序、程序调试和编制技术文件。被 控 对 象分析控制要求分配IO点，设计外部接线图交付使用现场接线现场调试修改模拟调试设计梯形图绘制流程图PLC选型及硬件设备确定用户IO设备设计控制台写入、检查程序满足要求？满足要求？图3.3 PLC设计流程图第4章 PLC变压器自动化可编程逻辑控制器（PLC）突出的优点是：使用方便，具有杰出的实时功能和强大的通讯能力，包含了强大的功能，使之能够独立地或通过网络分布式系统轻而易举地完成复杂的控制任务，很小的投入即能获得最有效的自动化系统。PLC的体积小，结构紧凑，编程方便，梯形图编程方式面向一般电气技术人员，操作简单，维

21、修方便，易于实现机电一体化。中小变电站综合自动化中的自动化设备有：可编程自动化监控装置、可编程变压器自动化屏、可编程微机计量屏、可编程微机线路保护屏、可编程微机同期系统、可编程中央信号屏、可编程电容屏、可编程微机直流电源系统等均应用了PLC为其智能化单元，并且都能够挂网运行，方便地实现遥信、遥测、遥控功能，取代了传统的RTU。本文主要介绍由PLC构成的变压器自动化部分在自动化变电站中的实现。 在中小型变电站中，一台变压器及其配套设备一般包括：断路器及操作单元、变压器、变压器控制屏、避雷器、差动保护屏、变压器接地系统等。下面以两种情况分别讲述变压器的自动化构成方案。 4.1

22、变压器及配套设备为常规设备变电站中控室内的变压器控制屏及其配套设备分别与可编程变压器自动化屏通过电缆直接连接，进行信息交换。中控室或远方的主计算机监控系统通过对可编程变压器自动化屏的监控来实现对变压器的监控，其中的信息交换由主计算机监控系统中的工控机（IPC）与可编程变压器自动化屏中的PLC通过工业现场通讯网络来实现。这种变压器自动化系统一般适用于改造旧站或建设资金规模不大的自动化新站，其系统框图如图4.1所示。变套设备为常规设备压器及配 套断路器变压器接地系统变压器差动保护屏变压器自动化屏图4.1变压器及配套常规设备系统框图如果断路器及操作单元、变压器、差动保护屏、变压器防雷接地系统等均已含

23、有智能单元及计算机接口，那么变压器控制屏部份选用可编程（PLC）变压器自动化屏，就可以非常方便地构成功能强大的变压器自动化系统。其系统框图如图2所示，变电站中控室内的变压器控制屏及其配套设备分别与可编程变压器自动化屏通过工业现场通讯网络与中控室或远方的主计算机监控系统进行信息交换。可编程变压器自动化屏与变压器及配套设备之问仅有极少量的电缆连接，整个系统显得非常简单。可编程变压器自动化屏的组成硬件设备软件设备PLC隔离继电器指示灯报警器巡检仪测试仪小直流电源PLC自动化键控程序监控主计算机通讯程序 图4.2 变压器及配套设备为智能化设备的系统框图4.3 可编程变压器自动化屏的组成及实现 可编程变

24、压器自动化屏的硬件设备包括：PLC，PLC输入/输出信号隔离继电器，近地操作按钮及故障事故指示灯、报警器、智能变压器油温度巡检仪，智能信号测试议，小直流电源，通讯适配器等。软件主要由PLC自动化监控程序和与监控主计算机(上位机)的通讯程序组成。其系统框图如图4.3。可编程变压器自动化屏智能化机组可编程变压器自动化 屏断路器及操作单 元差动保护屏变压器变压器接地系统PLC自动化屏           可编程变压器自动化屏的组成及实现系统框图4.3.1 PLC的选型从上述的被控对象(变压器)的电气特

25、性看出，这个系统几乎是对开关量进行监控。温度模拟量及信号模拟量均有智能仪表对其监控, 智能仪表的输出触点开关量进入PLC，因此PLC只需选用基本模块及通讯模块，而不需特殊模块。接下来应确定PLC输入 输出点数，统计可编程变压器自动化屏对变压器及配套设备的监控点数，一般输入不超过64点数，输出不超过40点。在实际中我们选用了北京安控科技发展 研制的Rock系列PLC产品：Rock E20系列PLC产品。此产品采用先进的16位CPU，配置嵌入式实时多任务操作系统，可实现采集、运算、逻辑、定时、控制、通讯等功能，其单CPU扩展模块，可承载32模块，测控500个I O点。以RS485或Intranet

26、进行本地扩展，以拨号Modem或GPRS等方式进行远程扩展。该产品采用插拨方式扩展、模块尺寸小巧，安装使用方便、维护简单，具有应用灵活、安全、可靠等特点。4.3.2 可编程变压器自动化屏的硬件 组成可编程变压器自动化屏的各部件应严格照按电气规范设计、连接。此外，与PLC相连的部份应严格按照PLC厂家技术要求进行设计、连接。4.3.3 PLC的自动化监控程序变电站的变压器组成方式不同决定了可编程变压器自动化屏PLC的监控程序的不同。4.3.4 PLC与监控主计算机串行通讯的实现计算机与PLC之间的通讯是通过传送命令块和数据块来实现的，其命令块格式如下：  STX  

27、        CMDDATA ETX SUM(H) SUM(L) 开始符  命令号起始地址及字节数结束符检验（高位）检验（低位） 数据块格式如下： STX         DATA ETX SUM(H) SUM(L) 开始符  起始地址及字节数结束符检验（高位）检验（低位）所有的块均由ASCII码组成，其格式如下：0b0b1b2b3b4b5b6p

28、1开始位7位数据偶校验停止位低4位高3位 4.4 可编程变压器自动化屏的运行可编程变压器自动化屏在变压器的自动化运行中处于实时监控的重要位置，它通过输入 输出信号隔离继电器按变电站变电设备(隔离刀闸、断路器、电压互感器、电流互感器、变压器防雷接地系统等设备)的状态 控制信号，可编程逻辑控制器(PLC)将上述信号按具体的自动化流程进行实时控制，并与监控主计算机通过网络传递数据。完成变压器的开、停，运行维护与继电保护（过电流保护、电流速断保护、差动保护、瓦斯保护和过负荷保护等）。它不仅使变压器处于闭环自动控制之中，而且使变压器自动化与测控保护系统协调运行，从而使整个变压器处于最佳运行状态

29、。由于PLC自身的特性，每个输入 输出信号都有指示灯，使得变电站这个信号比较分散的场所维护检修工作变得异常容易第5章 PLC分极递阶控制系统的结构 可编程控制器(PLC)被称为现代工业控制的三大支柱(PLC、机器人和CAD/CAM)之一，具有可靠性高，易于控制，编程使用简单，性价比高，环境适应性强等特点，已被广泛地应用于控制领域，在变电站综合自动控制中也已有应用。但是PLC在数据、信息处理与图象显示等方面仍显不足，还无法与计算机相比，因而未能充分发挥其强大功能，一般只是用PLC对开关量进行控制。但近年来随着PLC通信网络功能的不断增强，已可以方便的将PLC与计算机连接。利用计算机运算速度快，信

30、息处理方便，显示性能高的优点，将其作为上位机，行使管理功能，与PLC形成一个优势互补的分级递阶控制系统。这样，PLC就可以执行复杂的控制职能，从而可以对变电站进行最优综合控制。 分级递阶控制思想的实质是将一个大的控制系统按功能或结构进行层次分配，将全系统的监视和控制功能划属于不同的级别去完成，各级完成分配给它的功能，并将有关信息传递到上一级，接受上一级管理。综合控制功能由最高一级决策执行，各级的工作相互协调，力求整个控制系统达到最佳效果。分级递阶控制依据“层次越高，智能越高，控制精度越低；层次越低，智能越低，控制精度越高”的拟人的原则进行设计。基于PLC的分级递阶控制系统共分为三级：组织级、监

31、控/协调级和执行级。其系统结构框图如图1所示。局域网计算机监控协调机PLCPLCPLC PLC数据采集电压分量电流分量变压器分别接头变压器分别接头变压器分别接头变压器分别接头现场总线图1 PLC分极递阶控制系统的结构图 (1)组织级 整个系统的最高级，其智能程度最高，执行组织管理决策的智能，对下进行指导和监控。该级对上通过人机接口与管理人员进行友善的人机对话，执行管理决策的职能。对下监视、指导协调级的所有行为。该级还可以根据实际生产过程和环境等信息，采用人机结合的方式自动或半自动的提出合理的控制目标或指标，形成相应的命令或任务向低层下达。(2)监控/协调级 该级主要根据组织级的命令协调下位PL

32、C的运行，避免下位PLC发生冲突，并将下位PLC的信息传输到上位计算机。监控/协调机既可以是工业控制计算机也可以是主PLC或PLC终端。 (3)执行级 控制系统的最低级，执行现场控制功能，是自动控制系统中控制的关键级。该级智能最低，但可靠性、控制精度和实时性要求最高。同时，该级的PLC可通过现场总线与上位的监控协调级连接进行实时的在线控制和协调。现场总线技术一般采用塌陷结构，使用开放系统互连(OSI)参考模型的低层协议，因而结构简单，实时性强。上述结构，利用计算机运算速度快，信息处理功能强大的优势，使计算机集中管理各控制子系统，对现场信息进行综合处理，给出最优解决方案。同时，控制级计

33、算机可以通过局域网与其它计算机相连，既可以实现资源共享，又可以使不同系统在统一调度下，协调工作，减少资源浪费。下位PLC或远程工作站分散后进行连网，这样，执行级各控制器件就可在现场实现分散控制，并通过网络将信息传递到上位控制机，使上位机进行集中管理。即使下位PLC或远程工作站个别设备出现故障，也不会导致整个系统的瘫痪，整体性能好，运行可靠。第6章 PLC分级递阶控制系统在变电站综合控制系统中的应用 当前，已有变电站将PLC引入控制系统中，但是仅仅利用PLC对开关量进行控制，如对有载调压变压器分接开关的调节，并联补偿电容器的投切等。远没有充分发挥PLC的强大功能。利用本文上面提到的分级递阶控制结

34、构，我们可以按照三级机构设计变电站综合控制系统。(1)组织级的设计 组织级是本系统的最高级，承担着最优决策的功能。当前变电站综合控制大部分仍是按照传统的九区控制方法，利用电压和无功功率双参数将变电站运行状态分为九个区，根据各个区所对应的控制方案进行调节。但是，在该控制系统中，无功调节判据是一个与电压无关的平行于电压坐标轴的固定边界，没有充分考虑无功调节与电压调节相互间的协调关系。根据“保证电压合格，无功基本平衡，尽量减少调节次数”的变电站电压和无功综合调节的基本原则，无功调节边界应当是一个受电压状态影响，且在一定范围内服务于电压调节的模糊边界。因此，我们对传统的控制策略也作了改进，引入了无功调

35、节判据,提出了模糊边界的无功调节。基于电压与无功的相互影响,对电容器组的投切判据建立如下数学模。式中：U0为标准电压；Q0为每组电容器的容量；U为电压实时值；Q为实时功率值；1，2为权重系数。根据上面推导出的数学模型，可以得到修正后的电压无功双参数调节的模糊边界,如图2所示。原Q上限原Q下限新Q上限新Q下限U上限820134567图2 无功双参数调节的模糊边界图 我们利用计算机进行模糊推理，得到最优控制策略，形成控制规则表，将其传递到下级进行协调控制。同时该级为操作人员提供了良好的人机界面，将电压、电流、有功、无功等信息以曲线图、柱状图等形式实时反映出来，并且在出现异常情况时可进行声光报警，使

36、操作人员可以及时全面的了解系统运行情况，并可对生产过程进行调节和控制。该级计算机装有专家知识库，在变电站内出现故障时，可在专家系统的引导下，尽快解除故障。定时召唤打印功能和无人抄表功能可以方便的使变电站综合控制实现无人职守。根据各变电站的实际运行情况和不同时段的电压、无功波动情况，还可以通过控制级计算机设定电压整定值和灵敏度参数，而且根据控制要求还可以由功能按钮直接对有载调压变压器的分接头和补偿电容进行控制，以进一步增加控制的灵活性。该级的计算机还可以通过Ethernet、ARCNET等局域网进行联网，实现信息共享，对某一区域进行综合控制，这样既可以从整体上进行控制，更有利于提高整个地区的供电

37、质量，还可以减少资源的浪费。(2)监控/协调级的设计该级的主要功能是完成组织级下达的命令，负责执行级PLC的协调工作。该级可由计算机或主PLC构成，随着PLC性能价格比的不断提高，一般变电站的监控/协调级都可由主PLC承担。在变电站中，多变压器的同步调节主要由该级负责，同时它还负责执行级现场信息的传输，在整个分级递阶控制中起着桥梁作用。 在小型的变电站中，为了节省投资，也可以将组织级和监控/协调级集成在一个高性能的计算机中。  (3)执行级的设计 执行级的智能程度最低，但控制精度和实时性要求最高。由于变电站电磁干扰严重，常规的控制器件难以达到精确控制，因而可靠性高、实时性好

38、、性能价格比高的PLC是最佳选择。由于PLC与计算机联网，可以将最优控制结果下载到PLC，利用PLC实现各种最优控制。对于主要器件如主变压器，可以采用PLC的冗余技术更进一步提高可靠性。所谓PLC冗余技术即正常运行时，一台PLC作为主PLC进行控制，其它的PLC作为备用，监视系统运行。当主PLC发生故障时，由PLC协调器件指定另外一台PLC作为主PLC，控制系统运行，将有故障的PLC换下维修。由于PLC发生故障的几率十分小，采用冗余技术后的故障率几乎为零。 现在的PLC大多提供了现场总线技术，利用组态软件可以方便的将现场的多台PLC组成现场总线局域网。现场总线采用开放式的标准总线结构，可以十分

39、方便的将分散的智能化设备连接起来，有利于彻底的实现分布式控制，而且有利于各台PLC的协调动作，提高了系统的可靠性。 C系列的C200H配有HOST LINK通信模块，对上可与计算机通信，进行组网连接；对下可通过RS-232、RS-485等实现近程或远程的通信，实现对生产线各个监控点的监控。本系统中链接的PLC不多，故可采用“轮询”式的工作方式，依次对链接的PLC进行数据传输。上位机对来自现场的数据经特征识别、分析判断后，针对不同的状态，再经过通信口给下级下达命令。操作人员还可经PLC终端对PLC的工作进行可视性监控，通过触摸屏开关下达命令。因此整个系统运行的正常与否和通信口的设计关系极大。为保

40、证通信畅通可靠，在编制程序时应注意以下几点：(1)波特率的设定应与HOST LINK单元的SW3的设置保持一致；(2)为保证传输可靠，对指令帧每一字符进行“异或”逻辑运算，形成通信指令检验的FCS码；(3)对由HOST LINK单元返回的响应帧在判读其相应位为“00”后处理，若FCS校验错或响应帧相应位不为“00”，显示错误信息，重新发送指令。 基于PLC分级递阶控制的变电站综合自动控制系统既吸取了集散控制系统“信息集中，控制分散”的优势，又保留了PLC所固有的可靠性、灵活性及性能价格比高的优点，同时大大降低了传统集散控制系统的成本，提高了系统性能，以最低成本来完成高技术的自动化。该控制系统各

41、级之间既有分工又有联系，协调工作。同时按照现场实际控制需要，将执行级的PLC采用分散控制结构，将各个PLC分散后进行联网，一方面可将变电站的全部信息通过网络传至组织级计算机以实现信息集中管理，另一方面可避免因个别设备出现故障而造成整个系统的瘫痪，提高了可靠性。 由于控制系统采用模块化结构形式，各变电站可依据自己的需要选择不同数量、不同规格的PLC模块，整个系统采用分级分散的网络结构形式，使增加或去除某些单元不会影响整个系统的功能。同时，PLC可以实现在线编程，根据不同的需要对设定值进行整定，而不需要改变整个系统结构，因而大大提高了系统的灵活性。第7章 变电站综合自动化通信网络的设计与实现变电站

42、是输配电系统中的重要环节，是电网的主要监控点。近年来，随着我国经济高速发展，电压等级和电网复杂程度也大大的提高。传统变电站一次设备和二次设备已无法满足降低变电站造价和提高变电站安全与经济运行水平这两方面的要求。而现在变电站所采用的综合自动化技术是将站内继电保护，监控系统，信号采集，远动系统等结合为一个整体，使硬件资源共享，用不同的模式软件来实现常规设备的各种功能。用局域网来代替电缆，用主动模式来代替常规设备的被动模式。具有可靠、安全、便于维护等特点。分散分层分布式是变电站综合自动化系统的发展方向，这就对通信的可靠性提出了更高的要求，选择一个可靠、高效的网络结构，是解决问题关键。90年代中期，国

43、内外曾掀起一场“现场总线热”，但是由于技术上的原因以及采用设备总线时信息量大且传输较慢的特点，造成了现场总线存在多种标准，阻碍了其发展。以太网经过若干年的发展，技术上日臻成熟。随着嵌入式以太网微处理器的发展，以太网已十分便利的应用于变电站综合自动化系统。以太网具有高速、可靠、安全、灵活的特点，使其在变电站综合自动化系统中有广阔的应用前景。7.2 变电站通信系统结构1）管理和控制一体化局域网将无可争议地选用以太网。2）间隔级控制总线在FF-H2总线尚未成熟的情况下，工业级以太网和Profibus MMS（Manufacturing Messageing Specification制造厂信息规范）

44、将是一个比较好的选择。3）可编程逻辑控制器PLC被发展成PCC(Programable computer controller),即用智能模块实现逻辑及自动控制功能，它比常规的PLC具有可交流采样、通讯组态方便等优点。7.3 变电站综合自动化系统通信网的基本设计原则通信在变电站综合自动化占有重要的地位。其内容包括当地采集控制单元与变电站监控管理层之间的通信，变电站当地与远方调度中心之间的通信。系统通讯网架的设计是十分关键的，本文从以下方面考虑变电自动化系统通信网的设计：1）电力系统的连续性和重要性，通讯网的可靠性是第一位的。2）系统通讯网应能使通讯负荷合理分配，保证不出现“瓶颈”现象，保证通讯

45、负荷不过载，应采用分层分布式通讯结构。此外应对站内通讯网的信息性能合理划分，根据数据的特征是要求实时的，还是没有实时性要求以及实时性指标的高低进行处理。另外系统通信网设计应满足组合灵活，可扩展性好，维修调试方便的要求。3）应尽量采用国际标准的通信接口，技术上设计原则是兼容目前各种标准的通信接口，并考虑系统升级的方便。4）应考虑针对不同类型的变电所的实际情况和具体特点，系统通信网络的拓扑结构是 灵活多样的且具有延续性。5）系统通信网络应采用符合国际标准的通信协议和通信规约。6）对于通信媒介的选用，设计原则是在技术要求上支持采用光纤，但实际工程中也考虑以屏蔽电缆为主要的通信媒介。7）为加速产品的开

46、发，保持对用户持续的软件支持，对用户提出的建议及要求的快速响应，就要求摆脱小作坊式的软件开发模式，使软件开发从“小作坊阶段”进入“大生产阶段”， 采用先进的通信处理器软件开发平台实时多任务操作系统RTOS并开发应用与其之上的通信软件平台。7.4 通信网的软硬件安装7.4.1 硬件的选择为了保证通信网的可靠性，通信网构成芯片必须保证在工业级以上，以满足湿度、温度和电磁干扰等环境要求。通讯CPU采用摩托罗拉公司或西门子公司的工控级芯片，通讯介质选择屏蔽电缆或光纤。7.4.2 接口程序 采用国际标准的通信接口，技术上设计原则是兼容目前各种标准的通信接口，并考虑系统升级的方便。装置通信CPU除保留标准

47、的RS232/485口用于系统调试维护外，其它各种接口采用插板式结构，设计支持以下三类共七种方式：标准RS485接口，考虑双绞线总线型和光纤星型耦合型；标准 Profibus FMS 接口，考虑双绞线总线型、光纤环网、光纤冗余双环网；标准Ethernet ，考虑双绞线星型和光纤星型（通信管理单元考虑以上两种类型的双冗余配置）。7.4.3 通信协议和通信规约 系统通信网络应采用符合国际标准的通信协议和通信规约，应建立符合变电站综合自动化系统结构的计算机间的网络通讯，根据变电站自动化系统的实际要求，在保证可靠性及功能要求的基础上，尽量注意开放性及可扩充性，并且所选择的网络应具有一定的技术先进性和通

48、用性，尽量靠国际标准。长期以来，不同的变电站监控系统采用不同的通信协议和通信规约，如何实现不同系统的互连和信息共享成为一个棘手的问题，应采用规范化、符合国际标准的通信协议和规约。为此在系统中选用了应用于RS485网络的IEC61870-5-103规约、应用于Profibus 的MMS行规以及应用于TCP/IP上的MMS行规。它们都具有可靠性、可互操作性、安全性、灵活性等特点。通信软件的设计涉及到多种设备的配合问题，本文只以DF3003变电站综合自动化系统的通信网络为例，介绍变电站综合自动化系统通信软件设计与运行原理。7.5.1 软件功能与运行原理在DF3003变电站综合自动化系统中，采用二级分

49、层分布式网络。针对110KV中压变电站的要求，我们可采取图2所示的组网方式。后台与主站都是一种监控系统，其主要功能为监视各智能单元的运行状态，并能对各智能单元进行控制。而监控系统为完成其主要功能所需要的各种数据都是由通讯转换器DF3211或保护管理单元DF3210来提供的。因此，从数据流控制的角度来看，通讯程序主要完成智能单元运行状态信息的上报和监控系统控制信息的下发两种功能。智能单元的运行状态信息一般包括遥测数据、遥信数据、电度数据、突发数据等。监控系统的控制信息则包括遥控命令、对时命令、查询命令等。本文中的变电自动化系统通讯程序所要完成的数据结构与函数过程如图3所示。7.5.2 软件开发平

50、台RTOS随着应用的复杂化，对控制精度、智能化程度的要求越来越高，一个微处理器往往要同时完成很多任务。体现在变电站自动化通信产品中，由于信息采集量越来越大，信息交换越来越频繁，简单地用单一任务来轮询，往往造成通信的“瓶颈”现象，如保护和测量设备采集到的实时信息无法及时向上传递。多任务编程的特点是：程序在功能上以任务的形式存在，各个任务之间相对独立，可通过操作系统提供的资源，进行任务间的信息交换和相互控制，可通过优先级、时间片来控制各任务执行的顺序。多任务编程的特点打破了传统软件顺序执行的框架，便于程序的系统开发、调试及维护。实时多任务操作系统RTOS（Real Time Operating S

51、ystem）是面向21世纪嵌入式设计的基础和标准开发平台。高性能软件开发平台可以使嵌入式软件程序的开发进入规模化和产业化生产。有了高性能开发平台，可以极大的提高软件开发的效率，RTOS体现了一种新的系统设计思想和一个开放的软件框架，在此基础上，可以设计一种更为通用的通用软件平台，软件工程师可以在不大量变动系统其他任务的情况下增加或删除一个通信规约；一个大项目开发的过程中，可以有多个工程师同时进行系统的软件开发，各个人之间只要制订好规程和协议即可，既缩短了开发时间，又降低了最终通信软件产品对于具体某个人的依赖性。7.5.3 与因特网结合 通信管理单元提供内置的WEB-SERVER，可动态向外部系

52、统发布数据，这部分可采用在RTOS之上外购WEBSERVER模块来开发完成，更为方便的是，在设置各种系统参数和浏览现场实时数据时，只需要一个标准的浏览器软件，如Microsoft 的IE即可。7.6. 改进的网架结构当变电综合自动化系统中的通信可靠性要求进一步提高时，可采用图4所示的网架结构。即对通信管理单元和通道实行主备切换的模式，但这种模式对通信管理单元和通信切换器的要求较高。在这种模式下，当通信管理单元损坏或通道故障时均得到切换，因此这种模式更可靠、更安全。第8章 变电站综合自动化的发展趋势电力系统变电所综合自动化，又称变电站计算机监控系统，经过十多年的技术发展已经达到一定的水平，在我国

53、城乡电网改造与建设中不仅中低压变电站采用了自动化技术实现无人值班，而且在220kV及以上的超高压变电站建设中也大量采用自动化新技术，从而大大提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电和电网调度的可能性，降低了变电站建设的总造价，这已经成为不争的事实，也是目前变电站建设的主要模式。技术的发展是没有止境的，随着智能化开关、光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，势必对已有的变电站自动化技术产生深刻的影响，全数字化的变电站自动化系统即将出现。本文正是根据目前变电站综合自动化的现状及技术发展之趋势，对今后的综合自动化

54、技术和设备作出一些肤浅的要求和展望。变电站自动化是在计算机技术和网络通信技术的基础上发展起来的。国外在80年代已有分散式变电站自动化系统问世，西门子(SIEMENS)公司的第1套全分散式变电站自动化系统LSA678早在1985年就在德国汉诺威投入运行，至1993年初已有300多套系统在德国及欧洲的各种电压等级的变电站运行。我国的变电站自动化工作起步较晚，大约从90年代开始，初始阶段主要为生产集中式的变电站自动化系统，例DISA1型，BJ1型，iES60型，XWJK1000A型，FD97等。90年代中期开始研制分散式变电站自动化系统，如DISA2型，DISA3型，BJF3，CSC2000型，DC

55、AP3200型，FDK型等。随着高新技术的引进和应用，目前国外的许多产品也在国内得到普遍应用，如西门子(SIEMENS)公司的LSA系列、6MB/6MD系列，惠施康(WESCON)公司的D200/D25系列，ABB公司的REF系列，伊林(ELIN)公司的AK系列等。可以预计，今后其发展和推广的速度会越来越快，与国外技术的差距会逐步缩小，而且国内产品以其适应性强和维护方便将逐渐占据主导地位。变电站综合自动化的应用，浙江省是走在全国的前列。不但在110kV及以下的电压等级变电站全面采用就地分散式综合自动化，就是在220kV高电压、500kV超高压的变电站，也是采用按等级分小室布置分散分布式综合自动

56、化。经过几年的运行经历，对其设备的不足之处有了一定的认识：l 综合自动化的系统性要求极强，特别是结合了全站的操作防误系统，要求变电站建设一期工程越齐越好，而这在高电压等级的变电站建设中几乎是不可能的。l 扩建工程的操作防误闭锁逻辑实际验证困难，特别是牵涉到母线类的。l 一次设备电动操作全部受控于监控系统。借鉴于上海南桥变综合自动化设备功能紊乱的事故，监控系统的误动出口必须绝对禁止，对IO设备的运行可靠性要求很高。l 全站智能化设备日益繁多，接入自动化系统的接口技术繁琐复杂，就地网络的通讯协议标准极待统一。技术的发展是不可逆的，怎样使目前的设备、技术更趋实用合理，也是本文以下阐述的愿望之一。这种方式在35kV及以下的电压等级中已普遍采用，今后在110kV及以上的线路间隔和主变三侧中采用此方式已是大势所趋。它的好处是高度地功能按一次单元集中化，以利于稳定信息采集和设备状态控制，极大地提高了性能效率比。其目前的缺点也是显而易见的：此种装置的运行可靠性必须极高，否则任何形式的检修维护都将迫使一次设备的停役。这也是目前110kV及以上的电压等级还采用