PLC控制系統在智能電網中的應用研究

徐志鵬

山東新華制藥股份有限公司，山東 淄博 255000

0 引言

在智能電網建設期間，受到技術水平限制，傳統的順序控制系統已難以滿足電網運行的需求，暴露出控制方式與使用功能單一、運行效率低下、無法獨立完成復雜任務、抗干擾能力差等問題，進而影響電網的供電質量與運行穩定性，沒有在真正意義上實現智能電網的可靠、安全、經濟與高效目標。可編程邏輯控制器（PLC）控制系統的廣泛應用，為智能電網發展提供了全新契機，被一致認為是智能電網的未來發展趨勢。

1 PLC控制系統概述

1.1 特征

與傳統控制系統相比，PLC控制系統有著可靠、編程簡單、功能模塊齊全、運行速度快、組態靈活的特征。其中，可靠性特征是指系統以PLC為核心，控制器由一定數量單片微型計算機組成，集成度遠高于繼電器，且PLC裝置自身具備電路保護、自診斷等使用功能，可以在無人工干預的條件下自行發現并處理故障問題，維持PLC控制系統的高效運行狀態。編程簡單特征指PLC控制系統程序，采取控制梯形圖方式，在梯形圖中添加16條左右的命令語句即可，工作人員按照特定程序進行編程，即可在短時間完成PLC系統的程序設計工作，無須具備豐富的計算機專業知識。功能模塊齊全特征指PLC控制系統可以同時將開關量、電壓、電流、數字量等現場信號與對應元件接入模塊輸入/輸出端，提供多元化使用功能，切實滿足智能電網控制需求。運行速度快特征是指PLC控制系統采取程序控制執行方式，使得系統運行效率、現場信號處理能力遠超過傳統的繼電器邏輯控制系統。組態靈活特征是指PLC系統創新性采取積木式結構形式，由若干模塊單元拼裝形成，在智能電網控制需求發生變化與PLC控制系統升級改造期間，工作人員僅需調整系統結構，增減模塊單元，即可改變系統規模與功能配置結構。

1.2 應用意義

在早期建設的智能電網中，受到繼電器邏輯控制系統限制，自動控制、協同互動、決策分析等使用功能發揮受限，并未實現預期建設目標。例如，從控制速度角度來看，傳統繼電器控制系統采取觸點機械動作控制方式，工作頻率僅達到毫秒級；而PLC系統采取半導體電路執行程序指令的控制方式，工作頻率達到微秒級。在這一工程背景下，對PLC控制系統的應用推廣，成為加快電網智能化建設步伐的重要舉措。從運行效率角度來看，PLC系統可以高效處理電網運行期間持續產生的海量數據，將所執行的行動保持在秒一級水平上，實現元件在線監測、及時響應、快速診斷等控制目標。例如，在黃河大跨越-百萬伏級特高壓交流工程的決策支持場景中，PLC系統持續對海量系統數據進行采集、歸類、轉化處理，將其轉化為工作人員可理解的信息，并提供決策分析建議，從而縮減決策時間，提高決策方案可行性[1]。

2 PLC控制系統的具體應用

2.1 數據采集監控

近年來，隨著微處理器更新換代速度的加快，單片機的使用，大幅強化了PLC裝置的數據處理能力，使PLC控制系統在智能電網的數據采集監控場景中得到應用，可以在電網運行期間持續采集、轉換與分析處理實時產生的現場數據。系統具備數據統計分析、記錄、信號轉換等使用功能，為智能電網運行狀態評估、故障定位、停電確認、元件溫度監測、功率因數計算等工作的開展提供信息支持。

2.2 電網自愈

PLC控制系統具備自診斷式監控功能，以及存在大量自檢信號，在運行期間基于程序準則，不斷執行自我評估動作，判斷電網總體運行與被控設備是否處于異常運行狀況，對照分析預先設定的額定值與實時運行參數，當檢測到參數、狀態異常時，自動發送報警信號，向操作人員反饋故障類型、產生原因、故障點位置等信息，快速切斷故障部分與非故障部分的連接，控制受損程度，及早恢復智能電網的正常運行狀態。

此外，為了預防和減少供電服務中斷問題的出現，PLC系統在檢測到主電源因故障斷電時，將自動在限定時間內執行備用電源投入動作，始終維持電網運行狀態，不使用戶供電服務中斷，并在檢測到主電源斷電故障消除后，自動切除備用電源并投入主電源，在主電源進入正常工作狀態后對備用電源執行充電操作。

2.3 電流保護

在電流保護場景中，早期電網采取繼電保護方式，配置繼電器與晶體管等元件提供電流保護，在實際應用期間存在保護盤體積龐大、可靠性差、運行功耗高等問題。因此，在現代智能電網工程中，逐漸采用PLC控制系統取代繼電保護系統，實現方式包括開關量控制與模擬式控制。其中，開關量控制方式是通過PLC輸入節點狀態完成電流信號表征任務，將PLC開關量輸入接口電路，根據開關閉合狀態來獲取不同的CPU讀數，完成開關量-電平量轉換操作。模擬式控制方式是通過I/O接口獲取開關量數據，將電流信號轉換為電壓信號，將信息接入ADC電路轉換至數字量，根據數字量與基準電壓數字量單元對比結果來判斷線路狀態，以此為依據驅動對應輸出單元，最終執行過流延時等保護動作[2]。

3 PLC控制系統在智能電網中的應用建議

3.1 結構設計

為了保證PLC控制系統的穩定運行，滿足智能電網控制需求，必須做好結構設計工作，以PLC裝置為系統核心，設置一定數量采集點，依托以太網保持主控模塊間的連接控制狀態，將系統結構拆分為信息采集、電力監控、主控制、回路控制等模塊與人機界面。其中，信息采集模塊負責持續收集電網運行期間產生的現場數據與監測信號，按比例對現場數據加以縮小轉換處理，并獨立采集電壓、電流互感器數據，將所采集數據進行轉換、歸類處理后上傳至電力監控模塊。電力監控模塊負責對所獲取電流信號加以采樣、放大、精密全波整流與遲滯比較處理，篩除信號中的高頻干擾，將處理后的信號上傳至主控制模塊。主控制模塊由PLC為核心，負責執行電壓電流信號采集、模擬信號轉換計算等任務，獲取方波信號相移差、有效功率、功率因數等參數，配合固態繼電器發揮回路通斷保護功能，將數據處理結果發送至人機界面與回路控制模塊。回路控制模塊有著回路通斷控制功能，根據主控制模塊發送的數據處理結果，判斷是否存在超額問題，選擇性執行斷電操作。

3.2 硬件選擇

在PLC控制系統中，不同型號硬件設備的容量、使用功能與性能質量存在差異性，唯有結合智能電網控制需求與建設規模加以合理選擇，方可切實滿足智能電網控制需求，避免硬件設備性能浪費，或是影響電網控制效果和PLC系統實際使用壽命。

以PLC的選型工作為例，應根據工程情況，從機型、功能模塊數量、容量、響應速度、通信聯網能力等多個維度綜合考量。例如，在一部分智能電網工程中，選擇配置西門子公司推出的S7-200系統中的226型號PLC，這一型號的PLC裝置有著功能強大、擴展數目與開關量點數多、內置電源的優勢，且PLC系統的擴展性較佳，當組件負載超過電源額定值時，可以通過直接增加電源模塊、向直流電源提供擴展模塊的方式解決這一問題[3]。

此外，為了便于系統升級改造、維護保養、設備檢修等工作的開展，電力企盡可量配置相同機型的PLC裝置，采取一致的結構型式，在小規模智能電網工程中采取體積小、價格低廉的整體式PLC裝置，在大規模智能電網工程中采取擴展性強、組態靈活、I/O模塊可選種類多的模塊式PLC裝置。

3.3 控制方式選擇

在智能電網工程中，可選擇將開環控制或是模擬量閉環控制作為PLC系統的控制方式，需要根據智能電網控制需求加以選擇。其中，開環控制是依托PLC裝置邏輯運算能力而實現的一種控制方式，主要分為定時、步進、計數等控制功能，有著簡單、可靠、穩定的優勢，控制效果與電網運行狀態不易受到外部因素干擾，但PLC系統的控制精度較低，不具備自糾偏功能，需要操作人員持續觀測系統運行狀態，發現與處理電網異常運行問題。閉環控制是基于開關量輸入輸出結果、模擬量輸入輸出點實現控制目的的一種方式，在系統輸出端、輸入端中設置反饋回路，PLC控制系統運行期間產生的輸出信號經過反饋回路到達輸入端，使PLC系統具備對比輸入量、輸出量的功能，根據反饋結果準確評估電網運行狀態和控制效果，對控制偏離部位采取糾偏措施，從而將電壓、電流、溫度等參數始終保持在最佳范圍內。

4 結束語

綜上所述，為了切實滿足智能電網及控制系統的長期發展需要，營造安全、穩定的發電、輸電與配電環境，電力企業需要加大對PLC控制系統的研究力度，從而更好地發揮PLC系統的價值，在數據采集監控、電網自愈、電流保護等場景中實現PLC系統的落地應用目標。