摘 要 本文將PLC分級(jí)遞階控制引入變電站綜合控制中，有效的提高了控制系統(tǒng)的可靠性；同時(shí)引入智能控制技術(shù)，大大減少了變壓器故障，提高了供電質(zhì)量。 關(guān)鍵詞 PLC分級(jí)遞階控制 變電站 智能技術(shù)　 1 引言  眾所周知變電站是電力系統(tǒng)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，由于它擔(dān)負(fù)著電能轉(zhuǎn)換和電能重新分配的繁重任務(wù)，對(duì)電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要的作用。但是，現(xiàn)存的許多老式變電站由于存在安全性、可靠性不能適應(yīng)電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制等一系列缺點(diǎn)而無法滿足電力系統(tǒng)現(xiàn)代化的各項(xiàng)要求。因此提出一種安全、可靠、能提高電力系統(tǒng)運(yùn)行、管理水平的變電站綜合自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案已成為一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。目前，已經(jīng)實(shí)際運(yùn)行的綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)有：LAS系統(tǒng)、基于CAN/LON網(wǎng)的分散分布式變電站控制系統(tǒng)等，它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中取得了較好的成效，但也存在著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的各種缺點(diǎn)。本文在研制智能型有載調(diào)壓變壓器監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從變電站綜合自動(dòng)化發(fā)展的大方向（即從集中控制型向分散（層）網(wǎng)絡(luò)型發(fā)展；從專用設(shè)備向平臺(tái)發(fā)展；從傳統(tǒng)控制向綜合智能方向發(fā)展）出發(fā)，提出了一種新型的變電站綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可應(yīng)用于變電站綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)中，有著廣泛的應(yīng)用前景。 變電站綜合自動(dòng)化包括的內(nèi)容很多，它是將變電站的二次設(shè)備（控制信號(hào)、測(cè)量保護(hù)、自動(dòng)裝置及遠(yuǎn)動(dòng)裝置等）利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)經(jīng)過功能組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)變電站執(zhí)行自動(dòng)監(jiān)視、控制和協(xié)調(diào)的一種綜合性的自動(dòng)化系統(tǒng)。以下僅以變壓器有載調(diào)壓監(jiān)控系統(tǒng)為例，說明PLC分級(jí)遞階控制這種結(jié)構(gòu)體系在變電站綜合自動(dòng)控制中是有效、可行的。 2PLC分極遞階控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 可編程控制器（PLC）被稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC、機(jī)器人和CAD/CAM）之一，具有可靠性高，易于控制，編程使用簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于控制領(lǐng)域，在變電站綜合自動(dòng)控制中也已有應(yīng)用。但是PLC在數(shù)據(jù)、信息處理與圖象顯示等方面仍顯不足，還無法與計(jì)算機(jī)相比，因而未能充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能，一般只是用PLC對(duì)開關(guān)量進(jìn)行控制。但近年來隨著PLC通信網(wǎng)絡(luò)功能的不斷增強(qiáng)，已可以方便的將PLC與計(jì)算機(jī)連接。利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快，信息處理方便，顯示性能高的優(yōu)點(diǎn)，將其作為上位機(jī)，行使管理功能，與PLC形成一個(gè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的分級(jí)遞階控制系統(tǒng)。這樣，PLC就可以執(zhí)行復(fù)雜的控制職能，從而可以對(duì)變電站進(jìn)行最優(yōu)綜合控制。 分級(jí)遞階控制思想的實(shí)質(zhì)是將一個(gè)大的控制系統(tǒng)按功能或結(jié)構(gòu)進(jìn)行層次分配，將全系統(tǒng)的監(jiān)視和控制功能劃屬于不同的級(jí)別去完成，各級(jí)完成分配給它的功能，并將有關(guān)信息傳遞到上一級(jí)，接受上一級(jí)管理。綜合控制功能由最高一級(jí)決策執(zhí)行，各級(jí)的工作相互協(xié)調(diào)，力求整個(gè)控制系統(tǒng)達(dá)到最佳效果。 分級(jí)遞階控制依據(jù)“層次越高，智能越高，控制精度越低；層次越低，智能越低，控制精度越高”的擬人的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。基于PLC的分級(jí)遞階控制系統(tǒng)共分為三級(jí)：組織級(jí)、監(jiān)控/協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。  （1）組織級(jí)（Organization Level）這是整個(gè)系統(tǒng)的最高級(jí)，其智能程度最高，執(zhí)行組織管理決策的智能，對(duì)下進(jìn)行指導(dǎo)和監(jiān)控。該級(jí)對(duì)上通過人機(jī)接口與管理人員進(jìn)行友善的人機(jī)對(duì)話，執(zhí)行管理決策的職能。對(duì)下監(jiān)視、指導(dǎo)協(xié)調(diào)級(jí)的所有行為。其智能程度最高，但精度不高，宜粗不宜細(xì)，以便進(jìn)行宏觀指導(dǎo)。該級(jí)還可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過程和環(huán)境等信息，采用人—機(jī)結(jié)合的方式自動(dòng)或半自動(dòng)的提出合理的控制目標(biāo)或指標(biāo)，形成相應(yīng)的命令或任務(wù)向低層下達(dá)。這部分通常由高功能的計(jì)算機(jī)來完成。 （2）監(jiān)控/協(xié)調(diào)級(jí)（Coordination Level）該級(jí)主要根據(jù)組織級(jí)的命令協(xié)調(diào)下位PLC的運(yùn)行，避免下位PLC發(fā)生沖突，并將下位PLC的信息傳輸?shù)缴衔挥?jì)算機(jī)。監(jiān)控/協(xié)調(diào)機(jī)既可以是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)也可以是主PLC或PLC終端，可根據(jù)控制要求進(jìn)行選擇。 （3）執(zhí)行級(jí)（Executive Level）這是控制系統(tǒng)的最低級(jí)，執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)控制功能，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中控制的關(guān)鍵級(jí)。該級(jí)智能最低，但可靠性、控制精度和實(shí)時(shí)性要求最高，因而PLC正是最佳選擇。同時(shí)，該級(jí)的PLC可通過現(xiàn)場(chǎng)總線與上位的監(jiān)控協(xié)調(diào)級(jí)連接進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線控制和協(xié)調(diào)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)一般采用塌陷結(jié)構(gòu)，使用開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型的低層協(xié)議，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。 上述結(jié)構(gòu)，利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快，信息處理功能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，使計(jì)算機(jī)集中管理各控制子系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行綜合處理，給出最優(yōu)解決方案。同時(shí)，控制級(jí)計(jì)算機(jī)可以通過局域網(wǎng)與其它計(jì)算機(jī)相連，既可以實(shí)現(xiàn)資源共享，又可以使不同系統(tǒng)在統(tǒng)一調(diào)度下，協(xié)調(diào)工作，減少資源浪費(fèi)。下位PLC或遠(yuǎn)程工作站分散后進(jìn)行連網(wǎng)，這樣，執(zhí)行級(jí)各控制器件就可在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分散控制，并通過網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞到上位控制機(jī)，使上位機(jī)進(jìn)行集中管理。即使下位PLC或遠(yuǎn)程工作站個(gè)別設(shè)備出現(xiàn)故障，也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，整體性能好，運(yùn)行可靠。 3 PLC分級(jí)遞階控制系統(tǒng)在變電站綜合控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 當(dāng)前，已有變電站將PLC引入控制系統(tǒng)中，但是僅僅利用PLC對(duì)開關(guān)量進(jìn)行控制，如對(duì)有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)的調(diào)節(jié)，并聯(lián)補(bǔ)償電容器的投切等。遠(yuǎn)沒有充分發(fā)揮PLC的強(qiáng)大功能。 3.1在變電站綜合控制系統(tǒng)中PLC分級(jí)遞階控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 利用本文上面提到的分級(jí)遞階控制結(jié)構(gòu)，我們可以按照三級(jí)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)變電站綜合控制系統(tǒng)。 （1）組織級(jí)的設(shè)計(jì) 組織級(jí)是本系統(tǒng)的最高級(jí)，承擔(dān)著最優(yōu)決策的功能。當(dāng)前變電站綜合控制大部分仍是按照傳統(tǒng)的九區(qū)控制方法，利用電壓和無功功率雙參數(shù)將變電站運(yùn)行狀態(tài)分為九個(gè)區(qū)，根據(jù)各個(gè)區(qū)所對(duì)應(yīng)的控制方案進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是，在該控制系統(tǒng)中，無功調(diào)節(jié)判據(jù)是一個(gè)與電壓無關(guān)的平行于電壓坐標(biāo)軸的固定邊界，沒有充分考慮無功調(diào)節(jié)與電壓調(diào)節(jié)相互間的協(xié)調(diào)關(guān)系。根據(jù)“保證電壓合格，無功基本平衡，盡量減少調(diào)節(jié)次數(shù)”的變電站電壓和無功綜合調(diào)節(jié)的基本原則，無功調(diào)節(jié)邊界應(yīng)當(dāng)是一個(gè)受電壓狀態(tài)影響，且在一定范圍內(nèi)服務(wù)于電壓調(diào)節(jié)的模糊邊界。因此，我們對(duì)傳統(tǒng)的控制策略也作了改進(jìn)，引入了無功調(diào)節(jié)判據(jù),提出了模糊邊界的無功調(diào)節(jié)。基于電壓與無功的相互影響,對(duì)電容器組的投切判據(jù)建立如下數(shù)學(xué)模。 式中：U0為標(biāo)準(zhǔn)電壓；Q0為每組電容器的容量；U為電壓實(shí)時(shí)值；Q為實(shí)時(shí)功率值；α1，α2為權(quán)重系數(shù)。 根據(jù)上面推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型，可以得到修正后的電壓無功雙參數(shù)調(diào)節(jié)的模糊邊界,如圖2所示。 　 我們利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模糊推理，得到最優(yōu)控制策略，形成控制規(guī)則表，將其傳遞到下級(jí)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。同時(shí)該級(jí)為操作人員提供了良好的人機(jī)界面，將電壓、電流、有功、無功等信息以曲線圖、柱狀圖等形式實(shí)時(shí)反映出來，并且在出現(xiàn)異常情況時(shí)可進(jìn)行聲光報(bào)警，使操作人員可以及時(shí)全面的了解系統(tǒng)運(yùn)行情況，并可對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。該級(jí)計(jì)算機(jī)裝有專家知識(shí)庫，在變電站內(nèi)出現(xiàn)故障時(shí)，可在專家系統(tǒng)的引導(dǎo)下，盡快解除故障。定時(shí)召喚打印功能和無人抄表功能可以方便的使變電站綜合控制實(shí)現(xiàn)無人職守。根據(jù)各變電站的實(shí)際運(yùn)行情況和不同時(shí)段的電壓、無功波動(dòng)情況，還可以通過控制級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)定電壓整定值和靈敏度參數(shù)，而且根據(jù)控制要求還可以由功能按鈕直接對(duì)有載調(diào)壓變壓器的分接頭和補(bǔ)償電容進(jìn)行控制，以進(jìn)一步增加控制的靈活性。 該級(jí)的計(jì)算機(jī)還可以通過Ethernet、ARCNET等局域網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息共享，對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行綜合控制，這樣既可以從整體上進(jìn)行控制，更有利于提高整個(gè)地區(qū)的供電質(zhì)量，還可以減少資源的浪費(fèi)。 （2）監(jiān)控/協(xié)調(diào)級(jí)的設(shè)計(jì) 該級(jí)的主要功能是完成組織級(jí)下達(dá)的命令，負(fù)責(zé)執(zhí)行級(jí)PLC的協(xié)調(diào)工作。該級(jí)可由計(jì)算機(jī)或主PLC構(gòu)成，隨著PLC性能價(jià)格比的不斷提高，一般變電站的監(jiān)控/協(xié)調(diào)級(jí)都可由主PLC承擔(dān)。在變電站中，多變壓器的同步調(diào)節(jié)主要由該級(jí)負(fù)責(zé)，同時(shí)它還負(fù)責(zé)執(zhí)行級(jí)現(xiàn)場(chǎng)信息的傳輸，在整個(gè)分級(jí)遞階控制中起著橋梁作用。 在小型的變電站中，為了節(jié)省投資，也可以將組織級(jí)和監(jiān)控/協(xié)調(diào)級(jí)集成在一個(gè)高性能的計(jì)算機(jī)中。 （3）執(zhí)行級(jí)的設(shè)計(jì) 執(zhí)行級(jí)的智能程度最低，但控制精度和實(shí)時(shí)性要求最高。由于變電站電磁干擾嚴(yán)重，常規(guī)的控制器件難以達(dá)到精確控制，因而可靠性高、實(shí)時(shí)性好、性能價(jià)格比高的PLC是最佳選擇。由于PLC與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，可以將最優(yōu)控制結(jié)果下載到PLC，利用PLC實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)控制。對(duì)于主要器件如主變壓器，可以采用PLC的冗余技術(shù)更進(jìn)一步提高可靠性。所謂PLC冗余技術(shù)即正常運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)PLC作為主PLC進(jìn)行控制，其它的PLC作為備用，監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行。當(dāng)主PLC發(fā)生故障時(shí)，由PLC協(xié)調(diào)器件指定另外一臺(tái)PLC作為主PLC，控制系統(tǒng)運(yùn)行，將有故障的PLC換下維修。由于PLC發(fā)生故障的幾率十分小，采用冗余技術(shù)后的故障率幾乎為零。 現(xiàn)在的PLC大多提供了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，利用組態(tài)軟件可以方便的將現(xiàn)場(chǎng)的多臺(tái)PLC組成現(xiàn)場(chǎng)總線局域網(wǎng)。現(xiàn)場(chǎng)總線采用開放式的標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，可以十分方便的將分散的智能化設(shè)備連接起來，有利于徹底的實(shí)現(xiàn)分布式控制，而且有利于各臺(tái)PLC的協(xié)調(diào)動(dòng)作，提高了系統(tǒng)的可靠性。 3.2 通信口的設(shè)計(jì)  C系列的C200H配有HOST LINK通信模塊，對(duì)上可與計(jì)算機(jī)通信，進(jìn)行組網(wǎng)連接；對(duì)下可通過RS-232、RS-485等實(shí)現(xiàn)近程或遠(yuǎn)程的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控。本系統(tǒng)中鏈接的PLC不多，故可采用“輪詢”式的工作方式，依次對(duì)鏈接的PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)對(duì)來自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)經(jīng)特征識(shí)別、分析判斷后，針對(duì)不同的狀態(tài)，再經(jīng)過通信口給下級(jí)下達(dá)命令。操作人員還可經(jīng)PLC終端對(duì)PLC的工作進(jìn)行可視性監(jiān)控，通過觸摸屏開關(guān)下達(dá)命令。因此整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的正常與否和通信口的設(shè)計(jì)關(guān)系極大。為保證通信暢通可靠，在編制程序時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （1）波特率的設(shè)定應(yīng)與HOST LINK單元的SW3的設(shè)置保持一致； （2）為保證傳輸可靠，對(duì)指令幀每一字符進(jìn)行“異或”邏輯運(yùn)算，形成通信指令檢驗(yàn)的FCS碼； （3）對(duì)由HOST LINK單元返回的響應(yīng)幀在判讀其相應(yīng)位為“00”后處理，若FCS校驗(yàn)錯(cuò)或響應(yīng)幀相應(yīng)位不為“00”，顯示錯(cuò)誤信息，重新發(fā)送指令。 基于PLC分級(jí)遞階控制的變電站綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)既吸取了集散控制系統(tǒng)“信息集中，控制分散”的優(yōu)勢(shì)，又保留了PLC所固有的可靠性、靈活性及性能價(jià)格比高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)大大降低了傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)的成本，提高了系統(tǒng)性能，以最低成本來完成高技術(shù)的自動(dòng)化。 該控制系統(tǒng)各級(jí)之間既有分工又有聯(lián)系，協(xié)調(diào)工作。同時(shí)按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際控制需要，將執(zhí)行級(jí)的PLC采用分散控制結(jié)構(gòu)，將各個(gè)PLC分散后進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，一方面可將變電站的全部信息通過網(wǎng)絡(luò)傳至組織級(jí)計(jì)算機(jī)以實(shí)現(xiàn)信息集中管理，另一方面可避免因個(gè)別設(shè)備出現(xiàn)故障而造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，提高了可靠性。 由于控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)形式，各變電站可依據(jù)自己的需要選擇不同數(shù)量、不同規(guī)格的PLC模塊，整個(gè)系統(tǒng)采用分級(jí)分散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，使增加或去除某些單元不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的功能。同時(shí)，PLC可以實(shí)現(xiàn)在線編程，根據(jù)不同的需要對(duì)設(shè)定值進(jìn)行整定，而不需要改變整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因而大大提高了系統(tǒng)的靈活性。 4 結(jié)論 本文將PLC分級(jí)遞階控制的先進(jìn)思想引入變電站綜合控制中，提出了一種先進(jìn)、可靠、有較高性能價(jià)格比的變電站綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。其基本思想是：通過通信網(wǎng)絡(luò)將PLC可靠性高、靈活性好、性能價(jià)格比高的優(yōu)勢(shì)與計(jì)算機(jī)信息處理快、顯示性能強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了變電站“管理集中，控制分散”的集散式控制。同時(shí)，將模糊控制與專家系統(tǒng)等智能技術(shù)引入變電站綜合控制，可以有效減少分接頭和補(bǔ)償電容器的動(dòng)作次數(shù)，減少變壓器故障，提高電壓質(zhì)量。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明本設(shè)計(jì)可靠性高，成本低，實(shí)用性強(qiáng)，符合變電站綜合控制向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向。 5 參考文獻(xiàn) 1 郭宗仁等.可編程序控制器及其通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù).北京：人民郵電出版社，1995：291～358 2 張乃堯，閻平凡等.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制.北京：清華大學(xué)出版社，1998：166～207 3 盛壽麟等.電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控原理.北京：中國(guó)電力出版社，1998：98～152 4 NT20M Programmable Terminal Operation Manual.OMRON