配电自动化的实现

常虹

摘要：本文对配电网自动化的实现进行了论述，提出了用可编程序控制器（PLC）来实现配电网自动化的解决方案，并对PLC方案的具体实现作了详细的介绍。

关键词：配电自动化；实现；方案

1为什么要实现配电网自动化

1.1实现配电网自动化是提高人们生活质量、发展国民经济的要求。在现代社会中，供电质量的好坏，不仅反映一个国家或地区人们的生活质量、水平和投资环境的好坏，更是影响经济发展的重要因素，它决定着工业发展的方向、规模。实际上，信息时代的到来，要求不间断供电的计算机设备越来越多，给供电提出了更高的要求。停电或限电会导致减产，而忽然的停电则会危害工厂的重要设备。只有实现配电网的自动化，才可能最大限度地提高供电质量，满足人们日常生活工作与生产的需要。

1.2实现配电网自动化是我国企业自身发展的需要。实现配电网自动化，可提高供电的质量和可靠性。实现配电网自动化，可减少故障次数，缩小事故范围，缩短事故时间，为恢复供电、快速分析、诊断、报告事故原因提供有效的依据。

实现配电网自动化，可以提高整个电力系统的经济效益；减轻维护人员的劳动强度；减少操作人员；增强电力系统的免维护性；有利于提高设备的安全和健康水平，延长使用寿命。

实现配电网自动化，可以提高整个电网的管理水平。主要包括：为电力系统计算机管理自动、准确、及时地提供更为详尽、丰富的数据和信地方、任何用户的计划停电、供电；可以方便、直观地监控全局内各个用户的用电、供电情况，实现总体控制。

2配电网自动化实现方案

2.1电力系统自动化现有方案的对比。配电网的自动化和变电站的自动化具有一定的相似性。因此，分析一下变电站自动化的实现方法，对于正确确定配电网自动化方案具有重要意义。

变电站自动化系统由5个部分组成：主站、远方终端单元（remoteterminalunits，RTU）、线路传感器、远方控制SF6或真空开关、通信电缆。其中，RTU装置位于变电站现场，可以自动采集各种开关状态量（遥信）、模拟量（遥测），并经专用通道传递到监控中心的主站系统；有的RTU还可以按监控人员的意图和指令执行特定的遥控操作，并将操作结果返送监控中心主站系统。

从变电站RTU可以实现的功能来看，变电站的自动化包括3个方面的内容：遥信、遥测、遥控。除此之外，有的系统还可以根据遥测的结果实现电能量总加功能。与此相应，变电站自动化系统可以分为两类：一类只实现了遥信、遥测的功能，即传统的SCADA系统；而最新的SCADA系统则属于另外一类，它应该可以实现所有“三遥”功能。这两类系统对应着电力系统自动化的不同阶段和水平。

从变电站RTU实现遥测的方法来看，RTU存在两种实现方案：（1）直流采样方案。这种类型的RTU装置在采集模拟量之前，先利用变送器将交流转化成直流，然后再使用RTUA/D转换元件将直流量表示成数字量。其装置以模拟电路为主，辅以少量的数字电路。其特点在于需要变换器，无需高级的数字处理单元（CPU等），难以反映模拟量的瞬时变化，无法进行谐波分析，电能量总加功能的实现比较复杂困难。（2）交流采样方案。这种类型的RTU装置直接使用A/D转换元件对交流电量进行采集计算，无需变送器之类的转换设备，但需要快速的数字处理单元进行配合，以对采集到的数据进行分析、综合。它不仅可以反映电量的瞬时变化，而且可以进行谐波分析，计算频率，简单地实现电能量总加功能。它们多使用微型计算机配合多个单片机、并加上大量的A/D转换电路，来实现开关量、模拟量的采集。当前在数字技术得到充分发展和应用的情况下，交流采样方案是配网自动化的一个合理选择。它以数字电路为主，辅以少量的模拟电路，功能强大，扩充容易，可靠性较直流采样方案有较大提高，综合成本低。

2.2配电网自动化RTU的PLC实现。可编程序控制器技术经过几十年的发展，已经相当成熟。其品种齐全，功能繁多，已被广泛应用于工业控制的各个领域。用PLC来实现配电网自动化的RTU功能，能够很好地满足RTU的特有的要求。在国内市场，有来自许多著名厂家的PLC产品。这些产品从简单到复杂，都自成系列，可以满足不同应用的特殊要求。大多数中低档次的PLC产品，都包含有离散点输入和输出（点数的多少可以依据应用情况增减）、模拟采样输入、时钟、通信等功能。利用这类PLC的现成功能，可以方便地实现配电网自动化的RTU功能。使用PLC的离散输入点来实现遥信、用PLC的离散输出点来实现遥控、用PLC的模拟采样输入来实现遥测、用PLC的通信功能来实现和主机的通信。完成这些功能，都无需额外的硬件，只需根据开关房的实际情况，对PLC进行简单编程即可。不仅如此，利用PLC的模拟输出功能，甚至还可以实现配电网的遥调。例如调节调压变压器的变比，调节静止无功补偿设备的电压、电流相角等。

这样一种基于PLC的配电网自动化的RTU实现方案，完全可以满足配网自动化的特殊要求。它具有以下特点和优势：硬件结构简单，完全免维护；规模可大可小，只需将PLC的扩展模块连接在一起，就可以实现遥控点、遥信点、遥测点的增加；抗恶劣环境；高可靠性；编程实现各种功能，免硬件调试；费用低廉。

PLC方案在具体设计时，包括以下几个步骤：（1）获取操作点数。了解配电网的基本情况及自动化的具体要求，确定系统需要进行遥控、遥信、遥测、甚至遥调的设备，统计各处配电房需要这4种信号的具体点数。（2）确定通信方案。根据配电网的规模及分布情况，确定总体设计方案，主要是通信方案的设计和选择。（3）PLC选型。根据各处各种操作的点数以及所确定的通信方案，选择恰当型号的PLC来实现RTU功能。

由于RTU需接受监控中心的指令，并上传配电网、开关柜的信息，所以通信功能是选择PLC的主要考虑因素。

由于各开关房、开关柜的操作类型、操作点数往往相差很大，因此，PLC是否具有模块化结构和组态能力，是否能够灵活、经济地组成输入点、输出点、测量点（A/D）、调节点（D/A）的规模可变系统，是选择PLC型号的另一个主要考虑因素。

3RTU功能的PLC实现

RTU功能的PLC实现包括硬件实现和软件实现两个方面。

3.1硬件实现方面。在硬件方面，主要存在PLC的电源如何提供，PLC如何实现长距离的通信，遥控、遥信、遥测、遥调如何具体实现等问题。由于PLC都有配套的专用电源模块，因此在设计RTU时，主要应考虑电网断电后PLC的供电问题，通常以配置充电电池的方式解决。

一般PLC的通信模块只具有短距离的通信能力，虽然有些公司为PLC提供配套的组网模块，但通信距离也限制在若干千米以内。而配电网的特点是点多、面广，因此，必须借助其它方式以延长PLC的通信距离。方法很多，有电话调制解调器方案、专线调制解调器方案、无线方案、寻呼台服务方案、光纤方案等。在同一个配电自动化工程中，可以根据具体情况，采用单一方法，也可以采用多种方法组合。

在RTU的四遥操作方面，由于PLC的电平以及功率容量同操作设备不可能正好一致，加上有电气隔离的要求，因此，必须增加辅助的电位转换、功率放大、电气隔离等模块和器件。

对于遥控，当PLC收到开关指令时，输出点到内部电源的通路被接通或关断，如果直接用输出点的输出电流去操作开关设备，则功率根本不够。因此，可把PLC的输出点作为一个小功率继电器的激磁电源，以控制该继电器的常开或常闭触点的开合，再由该继电器去控制配电网的配电开关的操作电源，使配电开关动作，线路或配电设备被投切。

对于遥信，则是将被测开关的辅助触点两端引线接到PLC的输入点和地，当配电开关动作时，辅助触点相应开闭，PLC的相应输入点与地之间被断开或短接，从而在PLC内部获得一个高电平或低电平。

对于遥测，经互感器出来的信号，必须落在PLC的A/D转换模块的测量范围之内，才能接入到相应模块的输入端。此外，在选择PLC的A/D模块时，还要考虑采样周期问题。周期太长，将无法获得精确数值。

3.2软件实现方面。在PLC软件方面，由于PLC以循环扫描和中断两种方式来执行程序，因此为了完成所有RTU功能，PLC软件应包括：循环扫描执行的主程序；通信程序（接收和发送报文）；收到报文分析程序；上发报文产生程序；输入点电平中断扫描程序；操作执行程序（遥控、遥信、遥测等）。

在上述程序模块的编制中，应重点考虑以下问题：（1）PLC的主CPU的速度是否足够快？如何编制出执行时间短的程序？（2）PLC和监控中心的通信要利用一套复杂的通信规约，PLC的程序容量能否容下所有程序？如何编制出短小精干的程序？（3）PLC是通过循环扫描输入点的内存映像以获取输入点的输入状态的，在配电开关动作时，相应辅助触点往往存在短暂的抖动。抖动的机械频率虽然很高，但相对于PLC的程序扫描执行的频率却是很低的，因此这种抖动会在PLC的内存映像中反映为多次不相干的开关动作，如何在程序上消除这种开关动作的假象？实践证明，采用恰当的编程技巧，以上各种问题都可以得到圆满解决。

4结论

实现我国配电网自动化，是提高供电质量、用电可靠性和提高电力企业自身水平的需要。利用PLC来实现配电网的RTU功能，具有简单、可靠、易用等特点，是一个比较好的实现方案。