PLC 控制系统在智能电网中的应用

涂 刚，谭社平

（1.广西壮族自治区水利厅那板水库管理中心，广西 防城港 535500；2.广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）

0 引言

在智能电网建设过程中，普遍存在技术条件有限的弊端，而传统过时的顺序控制系统早已无法满足新时代电网运行的发展需要，尤其体现在系统控制方式与使用功能单一、运行效率低、抗噪声以及抗干扰能力差等方面，这也在一定程度上弱化了电网正常运行的效率和供电质量，无法充分发挥智能电网运行的安全性与可靠性优势。基于此，在智能电网未来发展阶段，电力企业应将重心放在PLC 控制系统的应用上，通过深化PLC 控制系统的具体应用来推动智能电网实现创新性发展与改革。

1 PLC 控制系统的概念及特点

1.1 概念

PLC 控制系统指基于顺序控制器，以PLC 为核心融入自动控制、微电子等现代技术手段，并以此为基础构成的新型柔性远程控制系统。该系统可以对各种不同类型的设备和生产过程进行有效控制，因此其在智能电网工程中有着广泛的应用前景，在保证电网运行安全稳定性的同时，还能从整体上提高电网建设的智能化水平[1]。

1.2 特点

PLC 控制系统相比于传统控制系统具有明显优势，尤其体现在系统可靠性高、编程简单、组态灵活等方面。其中可靠性特征指PLC 控制系统主要由一定数量的单片微型计算机构成，与传统继电器逻辑控制系统相比，有着较高的集成度，且PLC 装置本身还兼具电路保护、自诊断等多个方面的功能，即便是无人干预也能在第一时间处理各种故障问题。PLC 控制系统的编程相对简单，这是因为PLC 本身是一种特殊的计算机，其应用场景主要是在工业自动化领域中，因此其编程语言也是针对工业自动化领域的需求而设计的。相比于一般的计算机编程，PLC 的编程语言更加简洁易懂，而且由于其特殊的应用场景，其命令语句种类也相对较少，这使得PLC 控制系统的编程非常容易上手。在PLC 控制系统中，程序的编制一般是在梯形图中完成的，因此，常把PLC 的编程方式称为“梯形图编程”。在梯形图中加入16 条左右的命令语句就可以对PLC 进行有效控制，而这些命令语句的设计也是非常简单的，常见的命令包括“输入口状态检测”“输出口状态设置”等等。

此外，PLC 控制系统中包含的功能模块也较为齐全，可以将开关量、电压、电流、等现场信号与对应元件进行有效对接，通过模块输入端或输出端发挥多元化使用功能，以此达到有效控制智能电网的目的。在PLC 控制系统运行过程中，还可以通过控制程序执行方式来提高系统运行效率以及现场信号处理速度。最后，PLC 控制系统还可以采用积木式结构形式，这种结构形式可以使得系统更加模块化和可扩展，从而更方便进行升级、转型或者系统规模与功能配置的整改。当智能电网控制需求发生变化或者PLC 控制系统进行升级转型时，相关工作人员只需要调整相应的模块单元即可，大大降低了系统维护和升级的难度和成本[2]。

2 PLC 控制系统在智能电网中应用的原则和目标

2.1 原则

变电站在智能电网中发挥着至关重要的作用，其中电压无功的调节次数可以直接影响电压质量，只有减少调节次数，才能为电压质量提供基本保障。一旦对分接头的调节次数过多，就会对变压器正常运行的安全稳定性造成一定的影响。因此，在无功稳定与电压合格的前提下，应有效控制电压无功的调节次数，以此保证变电站控制的质量和效果。

我国现行的电力法律法规已对电力系统的功率因数和电压作出了明确规定，如：其中，电力法是我国电力行业的基本法律，对电力系统的运行、管理和监督都做出了详细的规定。而电力法实施条例、电力工业发展规划和电力监管条例等法规文件则对电力系统的功率因数和电压作出了进一步的细化和补充。根据我国电力法规的规定，电力系统中的功率因数应当符合国家标准，即在0.95 以上。同时，电力系统中的电压也应当符合国家标准，即220V±10%。这些规定的实施，有助于保障电力系统的稳定运行，提高电力系统的供电质量，同时也有利于推动电力行业的可持续发展。因此，在变电站运行过程中，应对现有的电力无功设备进行优化，保证调节设备控制的规范性的同时，还能结合实际运行情况灵活设定目标值，从而使得电压无功充分满足电力系统运行要求。

2.2 目标

PLC 变电站中的电压控制调节系统运行期间，设备保护闭锁信号与系统运行参数都处于开关电器状态，其中还包含主变的分接头档位信息。目前PLC 控制系统在运行过程中需要达到以下几方面的目标：

（1）稳定性：确保系统能够长时间稳定运行，避免出现故障和停机现象。

（2）可靠性：保证系统在任何情况下都能够正常工作，即使出现部分故障也能够尽可能地自我修复。

（3）灵活性：能够适应不同的生产环境和工艺要求，具备一定的可扩展性和定制性。

（4）安全性：确保系统在运行过程中不会对人员和设备造成任何伤害或损失，提供完善的安全保障措施。

（5）高效性：提高生产效率，降低生产成本，实现生产自动化和数字化。

以上是PLC 控制系统需要达到的目标，只有同时满足这些目标，才能够更好地服务于现代工业生产的需求。

3 智能电网中的PLC 控制技术

3.1 PRIME 技术

PRIME 技术最初是为了智能电表设计的，其与传统PLC 架构相比，除了PHY 与MAC 之外，还多了一个CL，且该层主要以智能电表的通信协议为主体对象。 PRIME 技术下的PHY 层协议与MAC 层协议之间有着密切关联，其中PHY 层的净速率最高可达128.6kbit/s，在差分编码与OFDM 调制解调技术支持下，还能利用若干个子载波完成调制过程。与此同时，MAC 层主要用到了载波侦听多路访问技术，在提高组网灵活性与简便性的同时，还省去了初期设计环节，也就是通过实时组网的方式完成整个操作过程。除此之外，PRIME 还可以在MAC 层中运用中继技术控制电力线通道中传出的噪声[3]。

首先，PHY 层。PHY 层主要用于接收MAC 层输入的内容，当校验码加载完毕后，通过PHY 层中的协议数据单元完成相应的卷积编码、交织工作，并利用DBPSK、DQPSK、D8PSK 完成差分调制操作，而最终获得的数据还需要通过OFDM 调制处理。在PHY 层中添加CP，还可以有效控制符号和码间带来的干扰。由于电力线道极容易产生多径时的延迟效应，特别是某些子载波会出现时延的情况，对子载波间的正交性造成不同程度的破坏性影响后，还可能产生载波间干扰。因此，在数字间还可以插入相应的保护间隔，将载波间的干扰控制在最小范围内，使得符号处于同步定时的状态，采用信道估计的方式进行矫正后，即可达到符号定时同步的基本要求。

其次，MAC 层。MAC 层在组网过程中，不仅有着方便快捷的优势，在初期设计阶段也无需做任何准备工作，只需要通过即用式组网的方式达到相应的目标，极大地提高了整个运行过程的安全稳定性。在PRIME 技术下的MAC 层中应用具有冲突避免功能的载波侦听多路访问技术，可以在复杂的信道路由中保持较高的适用性。另外，在组网过程中，还可以在每一个节点中插入一个通用的48B MAC 层地址，从而保证每个设备都能分配到相应的地址。在建立一个子网时，中继节点扮演着重要的角色。每个中继节点都被分配一个10 位的中继识别码，以便识别和跟踪传输路线。这些中继节点的职责是将信息从源节点传输到目标节点，以便在节点之间建立连接。在子网基础节点升级期间，这些中继节点从中继池中获取中继识别码，以构建完整的传输链路。这样，中继节点可以保持与其他节点的通信，并确保数据传输的高效性和稳定性[4]。

3.2 G3 PLC 技术

G3 PLC 技术设计的出发点也是智能电表，但其主要以IPv6 协议标准为核心，也就是通过互联网与电网互联的方式提高其拓展性与融合性，或者利用互联网完成电表管理、家电组网等操作。G3 PLC 技术在实际使用过程中，主要适用于10 ～490 kHz 频段，实现双向数字通信的同时，还能有效抵抗电力线信道带来的多种噪声干扰，在长距离通信中最高可以达到33.4kbit/s 左右的传输速率，在初期设计阶段同样不需要采取任何操作，通过即插即用的方式进行安装。此外，G3 PLC 还可以借助自适应色调映射技术、纠错技术等独有技术提高自身适应性与可靠性。其中自适应色调映射技术可以对不同的子信道进行监视，并在最好的信道中实现多次传输，极大地提高了数据传输速率。最重要的是，这两层纠错技术还有助于恢复突发噪声导致的错误码元。另外，G3 PLC 技术还可以通过鲁棒运行模式，保证噪声较大的信道达到高效传输的基本要求。与此同时，G3 PLC 技术还兼具跨越变压器直接通信的功能，真正意义上省去了不必要的设备成本。

首先，PHY 层。G3 PLC 技术主要以OFDM 调制解调的方式为核心，结合不同情况有针对性地选择DBPSK 与DQPSK 调制方案，其中PHY 层的符号数目主要与数据传输速率、可接受的鲁棒性有关，数据传输速率又由PHY 层帧中符号的数量、子载波个数、通过前向纠错增加的校验位数量决定。在工作状态正常的前提下，前向纠错主要由所罗门码与卷积码构成，基于鲁棒运行模式，在前向纠错中进行重复编码，就可以整体提高系统运行的可靠性。此外，PHY 层主要支持典型数据帧、ACK/NACK 帧这两种类型，其中前者由前导、帧控制头、数据三部分组成，后者只包括前导与帧控制头，其前导可以起到同步检测的作用，而帧控制头则可以获得解调数据帧所需的数据信息[5]。

其次，MAC 层。G3 PLC 技术的MAC 层可以与IEEE P1901 等标准相兼容，整体呈现出了良好的拓展性特点。在使用载波侦听多路访问技术进行寻址时，我们可以通过在数据包控制域中设置科学的色调映射请求位来获得更有效的通信。在这种情况下，MAC 层会及时反馈色调映射响应，并通过目标设备请求原数据及色调映射信息。经过对两点之间的通信链路进行科学评估后，我们就可以获得最佳的物理参数，从而优化通信质量、提高数据传输速率等。因此，科学的寻址策略和正确的参数设置对于通信系统的稳定运行和性能优化至关重要[6]。

4 PLC 控制系统在智能电网中的作用

4.1 智能电网的自愈恢复

近年来我国微处理技术已经历了多年的革新与优化，特别是单片机的使用极大地提高了PLC 装置的信息处理能力，而PLC 控制系统在智能电网工程中也起到了良好的数据采集与监控作用，尤其在智能电网运行过程中还能实时采集、转换、处理现场中生成的数据信息。PLC 控制系统原本就包含数据统计分析、记录、元件温度监测、功率因数计算，这些为各项工作的顺利开展提供了科学可靠的数据参考依据。

4.2 数据采集监控

PLC 控制系统不但包含着大量自检信号，其还兼具自诊断式监控功能。在智能电网实际运行过程中，PLC 控制系统可以连续完成自我评估动作，以此对电网运行的总体情况以及被控设备的异常运行情况进行监测，通过对比事先设定的各项参数判断异常与否。一旦检测出异常，就会自动发送报警信号，操作人员能够掌握故障位置以及发生故障的具体原因，与此同时采取对应处理措施有效避免被控设备遭受更严重的损失，并在短时间内快速处理，达到智能电网正常运行的标准。另外，PLC 系统还能够在智能电网运行过程中通过对电网数据的分析，预测潜在的故障风险。当系统检测到这些风险时，它会自动采取措施来预防故障的发生，从而大大提高电网的可靠性和稳定性。此外，PLC 系统也能够通过实时监测终端设备的状态，及时发现可能存在的设备故障，并提供相应的解决方案，以此提高用户的供电服务质量。最后，PLC系统还可以提供各种数据报告，帮助电网管理者了解电网的运行情况和效率，从而更好地规划电网建设和维护。当主电源断电故障解除后，PLC 控制系统还能自动切除备用电源，并转接到主电源恢复正常工作状态，并对备用电源进行充电处理。

4.3 电流开关量与模拟式保护

在智能电网运行过程中执行电流保护操作时，主要采用继电保护的方式，但这种方式在实际使用过程中普遍存在可靠性差、运行功耗大、保护盘体积过大的问题。因此，在现代智能电网工程运行过程中，传统继电保护系统已无法满足新时代发展需要，而PLC控制系统却能通过开关量控制与模拟式控制的方式解决以上问题。在自动化控制系统中，开关量控制和模拟量控制是两个重要的技术。其中，开关量控制主要利用PLC 输入节点来完成相应的电流信号表征任务。通过将PLC 开关量与接口电路对接，我们可以判断开关闭合状态并读取各种不同的CPU 数值，从而完成整个开关量和电平量转换过程。在模拟量控制方面，我们主要通过I/O 接口来获取相应的开关量数据信息。完成电流信号与电压信号的转换过程后，我们将信息接入到ADC 电路，并将其转化为特定的数字量。在数字量与基准电压数字量单元进行对比分析后，就可以根据最终的分析结果判断线路运行情况。通过驱动对应输出单元来完成过流延时等保护动作，从而实现系统的稳定运行和保护[7]。

5 结语

在智能电网及控制系统运行过程中，要保证发电、输电、配电环境运行的安全稳定性，就必须深入研究PLC 控制系统在智能电网工程中的具体应用，从多个角度着手发挥PLC 控制系统的应用价值，同时围绕着数据采集监控、电网自愈、电流保护等多个领域充分应用PLC 控制系统，不断提高智能电网建设的现代化水平。此外，在PRIME 与G3 PLC 技术的支持下，使得智能电网保持较高的比特率、覆盖率、灵活性以及抗干扰、抗噪声能力。