基于FR+PLC控制的電氣倒閘操作模擬系統(tǒng)研究

宋坤

(國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)寧供電公司,山東,濟(jì)寧 272000)

0 引言

變電倒閘操作是指電氣設(shè)備或者電力系統(tǒng)由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)、從一種運(yùn)行方式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N運(yùn)行方式時(shí)必須運(yùn)用的一種有序操作步驟[1]。該操作是電網(wǎng)廠站運(yùn)行操作人員需要完成的一項(xiàng)極為重要的工作。為保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行,操作人員必須嚴(yán)格按照倒閘操作的要求流程完成操作,避免產(chǎn)生事故,但由于種種原因,導(dǎo)致電網(wǎng)倒閘成功率過低,影響了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[2]。為了提高倒閘操作的成功率,降低電力系統(tǒng)的安全隱患,許多電力相關(guān)的專家人員對(duì)此進(jìn)行研究。例如徐洋等[3]建立的基于MCGS高壓電氣倒閘操作模擬系統(tǒng),通過組態(tài)軟件MCGS實(shí)現(xiàn)倒閘模擬操作;曾利等[4]基于專家系統(tǒng)的電網(wǎng)操作票自動(dòng)生成系統(tǒng),運(yùn)用專家系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)倒閘操作。但是這些方法均存在一定的倒閘失敗率。基于原子引力模型的FR算法是一種具有顯著代表性的力導(dǎo)向算法,其可以豐富兩點(diǎn)之間的物理模型,加入點(diǎn)之間的靜電力,通過計(jì)算系統(tǒng)的總能量并使得能量最小化,從而達(dá)到布局的目的。而且其認(rèn)為節(jié)點(diǎn)本身存在引力和斥力,節(jié)點(diǎn)之間存在斥力,通過線連接的兩節(jié)點(diǎn)之間存在引力,具備清晰展現(xiàn)圖中各點(diǎn)之間關(guān)系的顯著優(yōu)勢[5]。而PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù),內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù),具有很高的可靠性,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)倒閘操作的準(zhǔn)確模擬,因此文章使用這兩種方法完成倒閘模擬操作。

1 倒閘操作模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 倒閘操作模擬系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

基于FR+PLC控制的電網(wǎng)倒閘操作模擬系統(tǒng)主要包含4個(gè)模塊,繪圖模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊、邏輯關(guān)系管理模塊和操作票管理模塊。使用人員只需通過這4個(gè)模塊建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件,系統(tǒng)就能夠根據(jù)這些相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件自動(dòng)完成適合某個(gè)電網(wǎng)廠站的倒閘操作的模擬。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1) 繪圖模塊:該模塊主要作用是繪制電網(wǎng)廠站接線圖,能夠?yàn)闃?gòu)造目標(biāo)系統(tǒng)提供接線圖圖形數(shù)據(jù),為目標(biāo)系統(tǒng)查找各種元件函數(shù)及各種元件的繪圖子過程。

(2) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊:該模塊是系統(tǒng)的核心,其主要作用是建立目標(biāo)系統(tǒng)中所需的菜單文件、保護(hù)屏文件、操作類文件、庫文件、雜項(xiàng)文件的大部分外部數(shù)據(jù)文件。

(3) 邏輯關(guān)系管理模塊:該模塊的主要作用是根據(jù)“操作五制”原則要求建立邏輯關(guān)系。

(4) 操作票管理模塊:該模塊主要作用是目標(biāo)系統(tǒng)中形成操作票時(shí),建立其運(yùn)行所需要的各種典型操作票文件、操作任務(wù)文件、操作設(shè)備文件、設(shè)備狀態(tài)文件和操作票名文件[6]。

1.2 基于FR算法的倒閘操作模擬系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)網(wǎng)格布局

再設(shè)計(jì)基于FR算法的倒閘操作模擬系統(tǒng)軟件,即確定電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)網(wǎng)格布局。這是因?yàn)橥ㄟ^電網(wǎng)倒閘操作網(wǎng)格布局是利用繪圖模塊實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)廠站倒閘操作模擬的大前提。電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)均勻分布在畫板上,相鄰操作點(diǎn)的位置合理等均能體現(xiàn)位置布局的好壞。將電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)抽象和輸電線路分別視為圖中的點(diǎn)和線,構(gòu)成圖模型,通過點(diǎn)的布局和兩點(diǎn)之間的路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)布局和輸電線路規(guī)劃。

FR算法可通過模擬圖中點(diǎn)、線與原子之間的力場調(diào)節(jié)位置關(guān)系[7]。為此,利用設(shè)置畫布的寬度和高度分別為L和H,畫布大小S的計(jì)算公式為

S=L×H

(1)

在利用布局電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)時(shí),應(yīng)使用必要的測量工具在現(xiàn)場獲得電網(wǎng)廠站各節(jié)點(diǎn)距離,并利用FR算法以及上述物理量測算電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)各節(jié)點(diǎn)的理想距離大小為

(2)

其中,|V|表示電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)數(shù)量。

電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)節(jié)點(diǎn)之間的歐式距離表達(dá)式為

(3)

其中,d(m,n)為電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)節(jié)點(diǎn)m和電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)n之間的歐式距離,mx、my分別為節(jié)點(diǎn)m水平和豎直方向的距離,nx、ny分別為節(jié)點(diǎn)n水平和豎直方向的距離。

FR算法將所有的節(jié)點(diǎn)都看做是電子,每個(gè)節(jié)點(diǎn)均會(huì)受到兩個(gè)力的作用:即斥力與引力。斥力為其他節(jié)點(diǎn)的庫倫力;引力為邊對(duì)點(diǎn)的胡克力。在力的相互作用之下,整個(gè)布局最終能夠呈現(xiàn)一種平衡的狀態(tài)。因此通過計(jì)算電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)之間的引力和斥力,可以確保節(jié)點(diǎn)之間的距離適當(dāng)。由于全部節(jié)點(diǎn)中均存在斥力,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間僅存在引力,因此可以理解為相關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)之間的距離較近,無關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)之間的距離相對(duì)較遠(yuǎn)。那么電網(wǎng)廠站節(jié)點(diǎn)m、n之間的引力函數(shù)表達(dá)式如下:

(4)

電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)m、n之間的斥力函數(shù)表達(dá)式如下:

(5)

其中,引力因子為F1,即產(chǎn)生引力的因子,斥力因子為F2,即產(chǎn)生斥力的因。庫倫定理認(rèn)為真空中兩個(gè)靜止的電荷之間的相互作用力,與他們的電荷量的乘機(jī)成正比,與他們的距離的平方成反比。因此以上因子可以通過昆侖定理等獲得。

采用模擬退火算法取代傳統(tǒng)迭代方式,避免產(chǎn)生局部最優(yōu)現(xiàn)象。模擬退化算法通過模擬物理上的降溫原理,達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)。通過設(shè)定初始溫度和冷卻速率控制節(jié)點(diǎn)的最大位移量,位置的偏移量隨溫度的下降而更加微小,最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

線性溫度下降公式為

Tt+1=φ×Tt

(6)

式(6)中,Tt、Tt+1分別為當(dāng)前時(shí)刻和下一時(shí)刻的溫度,φ表示冷卻系數(shù),通常為正數(shù)且小于1。

利用FR算法對(duì)上述電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)物理量進(jìn)行處理,從而轉(zhuǎn)化為模型參數(shù),以更好地進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)為獲取最佳布局效果,在FR算法中引入并發(fā)參數(shù)循環(huán)計(jì)算以處理上述電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)物理量,從而有效利用計(jì)算機(jī)計(jì)算性能,獲取電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)布局最優(yōu)參數(shù)值。

1.2.2 電網(wǎng)廠站接線圖的自動(dòng)生成

廠站接線圖可體現(xiàn)發(fā)電網(wǎng)廠站的不同電壓等級(jí)母線的進(jìn)出線情況。在完成電網(wǎng)廠站網(wǎng)格布局后,依據(jù)布局情況,生成電網(wǎng)廠站接線圖。接線圖中的元件主要包括母線、開關(guān)、變壓器、刀閘等。由于廠站接線圖的畫法具有一定規(guī)范性,因此各電壓等級(jí)的母線、主變壓器、進(jìn)出線等的位置均具備一定的規(guī)律性。并且同種接線類型的母線之間的差別除了支路數(shù)目的不同之外,模式均沒有任何變化和區(qū)別。母線的出線數(shù)和母線的長度,是由間隔的數(shù)目決定的。

由于電網(wǎng)廠站接線圖自動(dòng)生成功能是作為一個(gè)組成部分融合在其他電力系統(tǒng)應(yīng)用程序中的,其整體程序設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 程序設(shè)計(jì)圖

由于廠站接線圖是由各個(gè)間隔構(gòu)成,并且設(shè)備間隔是繪圖的基本單位,因此為確定各種元件的位置,需要確定接線圖中各間隔的位置。根據(jù)廠站接線圖的畫法具有一定規(guī)范性的原則,整理電網(wǎng)廠站接線類型及其圖形設(shè)計(jì)相關(guān)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),并定義成規(guī)則,構(gòu)建使用者能夠擴(kuò)充的規(guī)則數(shù)據(jù)庫,處理圖形的繪制的相關(guān)問題。

1.3 基于PLC的倒閘操作模擬設(shè)計(jì)

在獲得的電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)布局圖的基礎(chǔ)上需要通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊和邏輯關(guān)系管理模塊相互配合對(duì)指定地點(diǎn)的電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)進(jìn)行倒閘操作模擬。PLC控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等而形成的一代新型工業(yè)控制裝置,具有通用性強(qiáng)、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)以及編程簡單等優(yōu)勢,為此使用該技術(shù)進(jìn)行倒閘操作模擬。在模擬過程中,電網(wǎng)運(yùn)行主要包含配電裝置和系統(tǒng)運(yùn)行的控制2部分。

(1) 配電裝置包括高、低壓成套裝置、繼電保護(hù)裝置、中間繼電器、主令開關(guān)等設(shè)備組成。

(2) 邏輯關(guān)系管理模塊,負(fù)責(zé)各個(gè)配電設(shè)備之間的相互關(guān)系。在實(shí)際倒閘操作時(shí),主令開關(guān)和位置開關(guān)是主要變化的信號(hào)[8]。為實(shí)現(xiàn)模擬操作,需要在滿足各個(gè)開關(guān)量變化信號(hào)后,利用與該運(yùn)行系統(tǒng)相符合的控制邏輯完成邏輯關(guān)系管理。在進(jìn)行模擬時(shí)的主要步驟為先將配電柜操作人機(jī)界面(HMI)建立在Wincc flexible編輯所需的開關(guān)量畫面上;再通過Step編寫各個(gè)功能柜分、合閘PLC控制邏輯程序,PLC主要包括母聯(lián)柜程序、進(jìn)線柜程序、變壓器柜程序以及電動(dòng)機(jī)程序4部分,并對(duì)HMI與PLC進(jìn)行組態(tài),利用HMI向PLC輸入信號(hào),再由PLC對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分析,再輸出具體內(nèi)容到HMI,以此完成倒閘操作模擬。其模擬設(shè)計(jì)思路如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)思路框圖

1.4 倒閘操作模擬實(shí)現(xiàn)流程

電網(wǎng)廠站倒閘模擬操作系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用編程中常用的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì),充分利用PLC可以使用子程序的優(yōu)勢,根據(jù)結(jié)構(gòu)化的編程思想,將電網(wǎng)廠站的整體功能分解成相應(yīng)的進(jìn)線柜、母聯(lián)柜、變壓器饋線柜等子程序,通過功能柜的控制程序,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的倒閘功能。其結(jié)構(gòu)程序流程如圖4所示。

圖4 倒閘操作模擬實(shí)現(xiàn)流程

2 驗(yàn)證分析

將本文系統(tǒng)使用在上海某電網(wǎng)廠站的倒閘操作模擬中,測試系統(tǒng)的實(shí)用性能,特別是如何實(shí)現(xiàn)倒閘操作模擬。

該電網(wǎng)廠站有110 kV、35 kV和10 kV 3個(gè)電壓等級(jí),測試只選用其110 kV和10 kV 2個(gè)電壓等級(jí),測試范圍為110 kV去除開關(guān)及主變中性點(diǎn)接地倒閘全部操作,主變10 kV側(cè)接地樁的倒閘操作模擬。該電網(wǎng)廠站接線圖登錄主界面和接線顯示界面分別如圖5、圖6所示。

圖5 登錄主界面

圖6 電網(wǎng)廠站DCS接線圖

倒閘模擬操作成功率決定了電網(wǎng)廠站的安全程度。因此倒閘操作模擬的成功率是衡量本文系統(tǒng)優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)。采用基于MCGS高壓電氣倒閘操作模擬系統(tǒng)(文獻(xiàn)[3]系統(tǒng))和基于專家系統(tǒng)的電網(wǎng)操作票自動(dòng)生成系統(tǒng)(文獻(xiàn)[4]系統(tǒng))與本文系統(tǒng),對(duì)110 kV去除開關(guān)及主變中性點(diǎn)接地倒閘,分別進(jìn)行5次模擬操作,并對(duì)比操作結(jié)果,如圖7所示。

圖7 3種系統(tǒng)成功率對(duì)比結(jié)果

分析圖7能夠看出:本文方法針對(duì)110 kV去除開關(guān)及主變中性點(diǎn)接地倒閘的模擬操作成功率均在98%以上,另外兩種對(duì)比系統(tǒng)的倒閘成功率均低于96%,說明本文系統(tǒng)的倒閘操作模擬成功率較高,更加具備實(shí)用優(yōu)勢,并且能夠更好地保證電網(wǎng)廠站的運(yùn)行安全。

為進(jìn)一步分析本文方法的合理性,再對(duì)比3種方法的倒閘操作效率,得到5次對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖8所示。

分析圖8能夠看出:本文方法針對(duì)110 kV去除開關(guān)及主變中性點(diǎn)接地倒閘的模擬操作效率較高,最高可達(dá)到99%,而且呈現(xiàn)遞增的趨勢,能夠在保證成功率的基礎(chǔ)上減少倒閘模擬所需時(shí)間,具有一定的可行性。

3 總結(jié)

本文建立了基于FR+PLC控制的電網(wǎng)倒閘操作模擬系統(tǒng),該系統(tǒng)能迅速形成目標(biāo)模擬,并通過電網(wǎng)倒閘操作點(diǎn)網(wǎng)格布局,使倒閥模擬操作更精準(zhǔn),能夠較好地解決變電站倒閘操作預(yù)演系統(tǒng)的通用性和可移植性問題,且目標(biāo)系統(tǒng)各功能模塊能符合電網(wǎng)廠站的實(shí)際工作要求,更加便于使用人員使用,同時(shí)保證倒閘模擬成功率。