楼宇智能化工程技术——毕业设计——PLC在变电站自动化的实现硬件

1、摘要（宋体，小四号加粗）摘要（宋体，小四号加粗） 变电站自动化，也称变电站综合自动化，是伴随着计算机及大规模集成电 路技术的发展而出现的，国际上在 20 世纪 70 年代末就研制出了实验系统。到 了 90 年代，计算机的性能也十分强大、稳定，价格持续下降，并随着计算机通 信技术和网络技术的发展，变电站自动化系统的性能也是满足电力系统运行的 要求。建设和运行经验表明，变电站自动化系统可带来节省电缆、缩小控制室 面积、提高监控水平、积累运行数据和节省人力等方面的显著效益，现已成为 新建变电站首选的监控模式。 本文通过对变电站自动化的描述，？提出了可编程控制器 plc 在变压器自 动化及变电站综合控

2、制的实现和应用。在第二章中讲述了 plc 可编程变压器自 动化屏的组成及实现，并讲述了可编程变压器自动化的选择和实施控制的原理。 第三章提出了 plc 分级递阶控制在变电站综合控制中的结构及应用，还讲述了 对通信口的设计。第四章通过对数字化变电站自动化系统的特点和结构的讲述， 提出了变电站自动化的新发展。 通过 plc 在变电站变压器自动化中的实现，让我们更精确的对它实施控制， 减少了人工操作的麻烦和避免了一些不必要的损失。 关键词关键词: :变压器自动化；plc 自动化屏；plc 阶梯控制 abstract transformer substation automation, also sa

3、id that the transformer substation synthesis automation, is following the computer and the large scale integrated circuit technology development appears, internationally developed the experiment system in the late-1970s. to the 90s, computers performance has been very also formidable stably, the pri

4、ce drops continually, and along with the computer communication and networkings development, the transformer substation automated systems performance is also satisfies the electrical power system movement the request. the construction and the service experience indicated that the transformer substat

5、ion automated system may bring saves the electric cable, to reduce the control room area, the enhancement monitoring level, the accumulation performance data and saves aspect and so on manpower remarkable benefits, already became the newly built transformer substation first choice the monitoring pat

6、tern. this article through to the transformer substation automations description, proposed programmable controller plc and applies in the transformer automation and transformer substation integrated controls realization. narrated in the second chapter the plc programmable transformer automation scre

7、ens composition and realizes, and narrated the programmable transformer automation choice and the implementation control principle. the third chapter proposed plc grades the hierarchical control in the transformer substation integrated control structure and the application, but also narrated to pass

8、es the design unguardedly. the fourth chapter through to the digitized transformer substation automated systems characteristic and the structure narration, proposed the transformer substation automation recent development. through plc in transformer substation transformer automations realization, le

9、ts us more precise implement the control to it, reduced the manual control trouble and has avoided some nonessential loss. key words: transformer automation ；plc automated screen； plc ladder control 目目 录录 1 前言前言.7 2 可编程控制器的综述可编程控制器的综述.8 21 可编程控制器的定义与发展可编程控制器的定义与发展 .8 211 plc 的定义的定义.8 212 plc 的发展阶段的发

10、展阶段.8 22 可编程控制器系统的基本结构可编程控制器系统的基本结构 .9 221 cpu 模块模块.10 222 输入输入输出模块输出模块.10 223 电源电源.10 224 编程器及其他选件编程器及其他选件.10 23 可编程控制器的特点可编程控制器的特点 .10 2.3.1 高可靠性和强抗干扰能力高可靠性和强抗干扰能力.10 2.3.2 丰富的丰富的 io 接口模块接口模块 .11 2.3.3 灵活性好灵活性好.11 2.3.4 编程简单易学编程简单易学.11 2.3.5 系统安装简单，维修方便系统安装简单，维修方便.11 2.4 可编程控制器的应用领域可编程控制器的应用领域 .11

11、 2.4.1 逻辑控制逻辑控制.11 2.4.2 运动控制运动控制.11 2.4.3 闭环过程控制闭环过程控制.12 2.4.4 数据处理数据处理.12 2.4.5 通信联网通信联网.12 2.5 可编程控制器的发展趋势可编程控制器的发展趋势 .12 2.5.1 向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展.12 2.5.2 过程控制功能不断增强过程控制功能不断增强.12 2.5.3 大力开发智能型大力开发智能型 io 模块模块 .12 2.5.4 与个人计算机日益紧密结合与个人计算机日益紧密结合.12 2.5.5 编程语言趋向标准化编程语言趋向标准

12、化.12 2.5.6 通信与联网能力不断增强通信与联网能力不断增强.12 3可编程控制器的硬件结构可编程控制器的硬件结构.12 3.1 可编程控制器的硬件结构可编程控制器的硬件结构 .12 3.1.1 可编程控制器的组成可编程控制器的组成.13 3.1.2 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理.13 3.2 plc 控制系统设计的一般步骤控制系统设计的一般步骤.15 4.plc 变压器自动化变压器自动化.16 4.1 概述概述 .16 4.2 变压器自动化的构成方案变压器自动化的构成方案 .16 4.2.1 变压器及配套设备为常规设备变压器及配套设备为常规设备.16 4.2.2 变压器

13、及配套设备为智能化设备变压器及配套设备为智能化设备.17 4.3 可编程变压器自动化屏的组成及实现可编程变压器自动化屏的组成及实现 .18 4.3.1 plc 的选型的选型.19 4.3.2 可编程变压器自动化屏的硬件可编程变压器自动化屏的硬件.19 4.3.3 plc 的自动化监控程序的自动化监控程序.19 4.3.4 plc 与监控主计算机串行通讯的实现与监控主计算机串行通讯的实现.19 4.4 可编程变压器自动化屏的运行可编程变压器自动化屏的运行 .20 5. plc 分极递阶控制系统的结构分极递阶控制系统的结构.20 6.plc 分级递阶控制系统在变电站综合控制系统中的应用分级递阶控制

14、系统在变电站综合控制系统中的应用.22 7. 变电站综合自动化通信网络的设计与实现变电站综合自动化通信网络的设计与实现.25 7.4.1 硬件的选硬件的选.26 8.变电站综合自动化的发展趋势变电站综合自动化的发展趋势.28 8.3.1 保护监控一体化保护监控一体化.29 8.3.2 设备安装就地化、户外化设备安装就地化、户外化.29 8.3.3 人机操作界面接口统一化、运行操作设备无线化人机操作界面接口统一化、运行操作设备无线化.30 8.3.4 防误闭锁逻辑验证图形化，规范化、离线模拟化防误闭锁逻辑验证图形化，规范化、离线模拟化.30 8.3.5 就地通讯网络协议标准化就地通讯网络协议标准

15、化.31 8.3.6 全所数据标准化全所数据标准化.31 8.3.7 数据采集和一次设备一体化数据采集和一次设备一体化.31 结束语结束语.32 参考文献参考文献.34 结束语结束语 .3 参考文献参考文献 .4 1 1 前言前言 目前，已经实际运行的综合自动控制系统有：las 系统、基于 can/lon 网 的分散分布式变电站控制系统等，它们在实际应用中取得了较好的成效，但也 存在着技术和经济上的各种缺点。本文在研制智能型有载调压变压器监控系统 的基础上，从变电站综合自动化发展的大方向(即从集中控制型向分散(层)网络 型发展；从专用设备向平台发展，中小变电站综合自动化中的自动化设备有： 可编

16、程自动化监控装置、可编程变压器自动化屏、可编程微机计量屏、可编程 微机线路保护屏、可编程微机同期系统、可编程中央信号屏、可编程电容屏、 可编程微机直流电源系统等均应用了 plc 为其智能化单元，并且都能够挂网运 行，方便地实现遥信、遥测、遥控功能，取代了传统的 rtu。 众所周知变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，由于它担负着电能转 换和电能重新分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着重要的作用。但 是，现存的许多老式变电站由于存在安全性、可靠性不能适应电力系统实时控 制等一系列缺点而无法满足电力系统现代化的各项要求。已经实际运行的综合 自动控制系统有：las 系统、基于 can/lon

17、网的分散分布式变电站控制系统等， 它们在实际应用中取得了较好的成效，但也存在着技术和经济上的各种缺点。 变电站综合自动化包括的内容很多，它是将变电站的二次设备(控制信号、测量 保护、自动装置及远动装置等)利用计算机技术、现代通信技术经过功能组合和 优化设计，对变电站执行自动监视、控制和协调的一种综合性的自动化系统。 以下仅以变压器有载调压监控系统为例，说明 plc 分级递阶控制这种结构体系 在变电站综合自动控制中是有效、可行的。由 plc 构成的变压器自动化部分在 自动化变电站中的实现。适用于老式变电站的自动化改造及新式变电站的建设。 2 2 可编程控制器的综述可编程控制器的综述 2.12.1

18、 可编程控制器的发展与可编程控制器的发展与定义定义 1 1 plcplc 的发展 plc 问世以来随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅 速发展和数据通信技术的不断进步，plc 也迅速发展。其发展过程大致可分以 下 3 个阶段。 (1)早期的 plc(20 世纪 60 年代末至 70 年代中期) 其主要功能是指向原先由继电器完成的顺序控制、定时等功能。 (2)中期的 plc(20 世纪 70 年代中期至 80 年代中、后期) 微处理器由于其体积小、功能强、价格便宜，很快被用于 plc，使 plc 功 能增强、工作速度加快、体积减小、可靠性提高、成本下降。 (3)近期的 plc(2

19、0 世纪 80 年代中、后期至今) 由于大规模集成电路技术的迅速发展，使各种类型的 plc 所采用的微处理 器档次普遍提高。使得 plc 在软件、硬件功能上都发生了巨大变化。 现代 plc 不仅能够完全胜任对大量开关量信号的逻辑控制能力，还具有了 很强的数学运算、数据处理、运动控制、pid 控制等模拟量信号处理能力。同 时 plc 的联网通信能力大大增强，可以构成功能完善的分布式控制系统，实现 工厂自动化管理。 2 2 plcplc 的定义 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统。它采用一类可编程的存储 器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作 等面向用户的指令，

20、并通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产 过程.可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体、 易于扩充其功能的原则设计。 总之，可编程控制器是一台专用计算机，它是专为工业环境应用而设计制 造的计算机，它具有多个输入输出接口，并且具有较强的驱动能力。在实际应 用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计 编制。 2.22.2 可编程控制器系统的基本结构可编程控制器系统的基本结构 可编程控制器是微机技术和继电器常规控制概念想结合的产物，它按照用 户程序存储器中预先编制的控制程序，通过输入接口采入现场信息，执行逻辑 或数值运算，进而通过输出接口

21、控制各种执行机构动作。 它的硬件配置主要由中央处理单元(cpu 模块)、信号输入输出模块、电源 和编程器等部分组成，如图 1.1 所示。 图 1.1 plc 系统的基本结构 1 1 cpucpu 模块 cpu 模块是 plc 的主要组成部分，是系统的控制核心。它以循环扫描的方 式采集现场各输入装置的状态信号，执行用户控制程序，并将运行结果传送到 相应的输出装置，驱动外部负载工作。 cup 模块中通常还插装有存储器，plc 的系统程序、用户控制程序和工作数 据就绪存储在存储器中。 2 2 输入输出模块 通常，将 plc 的信号输入模块和信号输出模块简称为输入输出模块(io 模块)。输入输出模块是

22、 plc 的 cpu 模块与外部控制现场相联系的桥梁。 plc 的输入输出模块通常可分为开关量输入模块、开关量输出模块和模拟 量输出模块等，分别用于联系不同类型的外部信号。 3 3 电源 plc 通常使用交流 220v 或直流 24v 工作电源。它的电源模块为其他各功能 cpu 模块 输 出 模 块 输 入 模 块 编程器 电源模块 按钮 开关 限位 开关 接触器 继电器 指示灯 模块提供 dc5v、dc12v、dc24v 等各种内部直流工作电源。 一般情况下，许多 plc 可以为输入电路和外部的传感器提供 24v 的工作电 源，但是驱动 plc 负载的直流电源或交流电源一般由用户提供。 4

23、4 编程器及其他选件 编程器是编制、编辑、调试、监控 plc 的用户程序的必备设备。它通过通 信接口与 plc 的 cpu 模块相联系，完成人机对话。 小型 plc 的程序编制可直接使用简易的手持式编程器来完成，较为复杂的 编程一般使用专门的编程软件。编程软件可以安装在普通计算机上，程序编制 好后通过通信电缆下载到 plc 中。 plc 还可以选配其他设备，如盒式磁带机、打印机、eprom 写入器、人机接 口单元、网络连接设备等，可以根据实际需要进行配置。 2.32.3 可编程控制器的特点可编程控制器的特点 1 1 高可靠性和强干扰能力 plc 具有很高的可靠性和很强的抗干扰能力，平均无故障工

24、作时间可达数 万小时，可以直接用于有很强烈干扰的工业生产现场并持续工作。 2 2 丰富的 io 接口模块 plc 除具有普通计算机的基本部分(如 cpu、存储器等)外，还有丰富的 io 接口模块。对不同的工业现场信号(交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、 脉冲或电位、强电或弱点等)，设计有相应的 io 模块与工业现场的器件或设备 (按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等)直接连 接。 3 3 灵活性好 plc 的各个部件，包括 cpu、电源、io 等均采用模块化设计，由机架及电 缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 相对于传统的电气控制线路，

25、plc 为改进和修改原设备提供了极其方便的 手段，通过修改或重新编写应用软件，就可以用一台 plc 实现不同的控制功能。 4 4 编程简单易学 plc 大多采用梯形图作为主要的编程语言。梯形图是一种面向用户的编程 语言，它的表达方式类似于继电器控制系统电路图，具有形象直观、易学易懂 的特点。 对于熟悉继电器控制电路图的电气技术人员来讲，很快就可以学会梯形图 语言，并用来编制用户所需程序。 5 5 系统安装简单，维修方便 plc 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只须将 现场的各种设备与 plc 相应的 io 端相连接，即可投入运行。 plc 的各种模块上大多都有运行和故障指

26、示装置，便于用户了解运行情况 和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过 更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 2.42.4 可编程控制器的应用领域可编程控制器的应用领域 1 1 逻辑控制 逻辑控制是 plc 最基本的应用，它可以取代传统的继电器控制装置，如机 床电气控制、各种电机控制等，可实现组合逻辑控制、定时控制和顺序逻辑控 制等功能。 plc 的逻辑控制功能相当完善，可用于单机控制，也可用于多机群控制及 自动生产线控制，其应用领域已普及各行各业。 2 2 运动控制 plc 使用专用的运动控制模块，可对直线运动或圆周运动的位置、速度和 加速度进行控制，实现单轴、双

27、轴和多轴位置控制，并使运动控制和顺序控制 功能有机结合在一起。 plc 的运动控制功能可用于各种机械，如金属切削机床、金属成形机械、 机器人、电梯等场合，可方便地实现机械设备的自动化控制。 3 3 闭环过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。plc 通过其模拟量 io 模块，及数据处理和数据运算等功能，实现对模拟量的闭环 控制。 现代的大中型 plc 一般都有 pid 闭环控制功能，这一功能可以用 pid 子程 序或专用的 pid 模块来实现，可用于热处理炉、锅炉、塑料挤压成形机等设备 的控制。 4 4 数据处理 现代 plc 具有数学云端、数据传送、转换、排序和

28、查表功能，可以完成数 据的采集、分析和处理等操作。这些数据可以与储存在存储器中的参考值进行 比较，也可以用通信功能传送到其他智能装置，或将它们打印制表。 数据处理功能一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于 过程控制系统，如造纸、冶金、食品加工中的一些大型控制系统。 5 5 通信联网 plc 的通信包括主机与远程 io 之间通信、多台 plc 之间的通信、plc 与其 他智能设备(如计算机、视频器、数控装置等)之间的通信。plc 与其他智能控 制设备一起，可以组成“集中管理、分散管理”式的分布式控制系统。 当然，并不是所有的 plc 都具有上述全部功能，一些小型 plc 只具有上述

29、 的部分功能，但价格较低，而大型 plc 具备的功能较为完善。 2.52.5 可编程控制器的发展趋势可编程控制器的发展趋势 (1)向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展 (2)过程控制功能不断增强 (3)大力开发智能型 io 模块 (4)与个人计算机日益紧密结合 (5)编程语言趋向标准化 （6）通信与联网能力不断增强 3可编程控制器的硬件结构可编程控制器的硬件结构 3.13.1 可编程控制器的硬件结构可编程控制器的硬件结构 3.1.13.1.1 可编程控制器的组成可编程控制器的组成 plc 是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是一种微处理器为 核心的用作数字控制的特殊计算机。他/

30、它的硬件配置与一般微机装置类似，主 要由中央处理单元(cpu)、输入单元、输出单元、编程器、电源和特殊输入输出 单元组成，如图 3.1 所示。 图 3.1 plc 系统配置结构图 图 3.1 可编程控制器的组成框图 编程器现场用户设 备 其他智能设 备 电源 模 块 cpu 模块 存 储 器 i/o 模 块 特殊 i/o 模块 通信 模 块 总 线 3.1.23.1.2 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理 plc 控制任务的完成是建立在其硬件的支持下，通过执行反映控制要求的 用户程序来实现的，这一点是和计算机的工作原理一致的。因此，可编程控制 器的工作原理是建立在计算机工作原理基础上

31、的。 由于早期的 plc 是从继电器控制系统发展而来的名主要完成的任务是开关 量的顺序控制，对被控制对象的实现是有关逻辑关系的实现。因此，plc 并不 是单纯像普通计算机那样工作，而是发展了一种叫做巡回扫描的工作机制。 plc 的巡回扫描，既是对整个程序巡回执行的工作方式，就是说用户程序 执行不是从头到尾只执行一次，而是执行一次后，又返回去执行第二次、第三 次直到停机。因此，plc 可以被看成是在系统软件规定好的任务。 定义从扫描过程中的一点开始，经过顺序扫描又回到该点的过程为一个扫 描周期。如图 3.2 所示是 plc 的 cpu 工作流程图。 复位系统定时 置错误标志位 i/o 操作 复位

32、系统定时器和程序 地址计数器 执行用户程序 执行外设命令 通电 检查 i/o 复位单元 i/o 清零，定时器复位 链接服务 复位系统定时 检查系统硬件和 程序存储器 是否正常 3.23.2 plcplc 控制系统设计的一般步骤控制系统设计的一般步骤 如图 3.3 所示，plc 控制系统一般步骤分为：熟悉控制对象，plc 选型及确 定硬件配置、设计 plc 的外部接线、设计控制程序、程序调试和编制技术文件。 被 控 对 象 分析控制要求 分配 io 点，设计外部 接线图 交付使用 现场接线 现场调试 修 改 模拟调试 设计梯形图 绘制流程图 plc 选型及硬 件设备 确定用户 io 设备 设计控

33、制台 写入、检查程 序 满足要 求？ 满足要 求？ 图 3.3 plc 设计流程图 4 plc 变压器自动化变压器自动化 可编程逻辑控制器（plc）突出的优点是：使用方便，具有杰出的实时功能 和强大的通讯能力，包含了强大的功能，使之能够独立地或通过网络分布式系 统轻而易举地完成复杂的控制任务，很小的投入即能获得最有效的自动化系统。 plc 的体积小，结构紧凑，编程方便，梯形图编程方式面向一般电气技术人员， 操作简单，维修方便，易于实现机电一体化。 中小变电站综合自动化中的自动化设备有：可编程自动化监控装置、可编 程变压器自动化屏、可编程微机计量屏、可编程微机线路保护屏、可编程微机 同期系统、可

34、编程中央信号屏、可编程电容屏、可编程微机直流电源系统等均 应用了 plc 为其智能化单元，并且都能够挂网运行，方便地实现遥信、遥测、 遥控功能，取代了传统的 rtu。本文主要介绍由 plc 构成的变压器自动化部分 在自动化变电站中的实现。 在中小型变电站中，一台变压器及其配套设备一般包括：断路器及操作单 元、变压器、变压器控制屏、避雷器、差动保护屏、变压器接地系统等。下面 以两种情况分别讲述变压器的自动化构成方案。 4.14.1 变压器及配套设备为常规设备变压器及配套设备为常规设备 变电站中控室内的变压器控制屏及其配套设备分别与可编程变压器自动化 屏通过电缆直接连接，进行信息交换。中控室或远方

35、的主计算机监控系统通过 对可编程变压器自动化屏的监控来实现对变压器的监控，其中的信息交换由主 计算机监控系统中的工控机（ipc）与可编程变压器自动化屏中的 plc 通过工业 现场通讯网络来实现。这种变压器自动化系统一般适用于改造旧站或建设资金 规模不大的自动化新站，其系统框图如图 4.1 所示。 图 4.1 变压器及配套常规设备系统框图 4.24.2 变压器及配套设备为智能化设备变压器及配套设备为智能化设备 如果断路器及操作单元、变压器、差动保护屏、变压器防雷接地系统等均 已含有智能单元及计算机接口，那么变压器控制屏部份选用可编程（plc）变压 器自动化屏，就可以非常方便地构成功能强大的变压器

36、自动化系统。其系统框 图如图 2 所示，变电站中控室内的变压器控制屏及其配套设备分别与可编程变 压器自动化屏通过工业现场通讯网络与中控室或远方的主计算机监控系统进行 信息交换。可编程变压器自动化屏与变压器及配套设备之问仅有极少量的电缆 连接，整个系统显得非常简单。 图 4.2 变压器及配套设备为智能化设备的系统框图 4.34.3 可编程变压器自动化屏的组成及实现可编程变压器自动化屏的组成及实现 可编 程变 压器 自动 化屏 的组 成 硬件设备 软件设备 p l c 隔离 继电 器 指 示 灯 报 警 器 巡 检 仪 测 试 仪 小直 流电 源 plc 自动化 键控程序 监控主计算 机通讯程序

37、变套设备 为常规设 备压器及 配 套 断路器 变压器接 地系统 变压器 差动保护屏 变压 器自 动化 屏 可编程变压器自动化屏的硬件设备包括：plc，plc 输入/输出信号隔离继 电器，近地操作按钮及故障事故指示灯、报警器、智能变压器油温度巡检仪， 智能信号测试议，小直流电源，通讯适配器等。软件主要由 plc 自动化监控程 序和与监控主计算机(上位机)的通讯程序组成。其系统框图如图 4.3。 图 4.3 可编程变压器自动化屏的组成及实现系统框图 4.3.14.3.1 plcplc 的选型的选型 从上述的被控对象(变压器)的电气特性看出，这个系统几乎是对开关量进 行监控。温度模拟量及信号模拟量均

38、有智能仪表对其监控, 智能仪表的输出触 点开关量进入 plc，因此 plc 只需选用基本模块及通讯模块，而不需特殊模块。 接下来应确定 plc 输入 输出点数，统计可编程变压器自动化屏对变压器及配 套设备的监控点数，一般输入不超过 64 点数，输出不超过 40 点。在实际中我 们选用了北京安控科技发展有限公司研制的 rock 系列 plc 产品：rock e20 系 列 plc 产品。此产品采用先进的 16 位 cpu，配置嵌入式实时多任务操作系统， 可实现采集、运算、逻辑、定时、控制、通讯等功能，其单 cpu扩展模块， 可承载 32 模块，测控 500 个 i o 点。以 rs485 或 i

39、ntranet 进行本地扩展， 以拨号 modem 或 gprs 等方式进行远程扩展。该产品采用插拨方式扩展、模块尺 寸小巧，安装使用方便、维护简单，具有应用灵活、安全、可靠等特点。 4.3.24.3.2 可编程变压器自动化屏的硬件可编程变压器自动化屏的硬件 组成可编程变压器自动化屏的各部件应严格照按电气规范设计、连接。此 外，与 plc 相连的部份应严格按照 plc 厂家技术要求进行设计、连接。 4.3.34.3.3 plcplc 的自动化监控程序的自动化监控程序 变电站的变压器组成方式不同决定了可编程变压器自动化屏 plc 的监控程 序的不同。 可编 程变 压器 自动 化屏 智能 化机 组

40、 可编程 变压器 自动化 屏 断路器 及操作 单 元 差 动 保 护 屏 变 压 器 变压器 接地系 统 plc 自动 化屏 4.3.44.3.4 plcplc 与监控主计算机串行通讯的实现与监控主计算机串行通讯的实现 计算机与 plc 之间的通讯是通过传送命令块和数据块来实现的，其命令块 格式如下： stx cmddata etx sum(h) sum(l) 开始符 命令号 起始地址及字节 数 结束符 检验（高位）检验（低位） 数据块格式如下： stx data etx sum(h) sum(l) 开始符 起始地址及字节数结束符 检验（高位） 检验（低位） 所有的块均由 ascii 码组成，

41、其格式如下： 0b0b1b2b3b4b5b6p1 开始位7 位数据 偶校 验 停止 位 低 4 位高 3 位 4.44.4 可编程变压器自动化屏的运行可编程变压器自动化屏的运行 可编程变压器自动化屏在变压器的自动化运行中处于实时监控的重要位置， 它通过输入 输出信号隔离继电器按变电站变电设备(隔离刀闸、断路器、电 压互感器、电流互感器、变压器防雷接地系统等设备)的状态 控制信号，可 编程逻辑控制器(plc)将上述信号按具体的自动化流程进行实时控制，并与监控 主计算机通过网络传递数据。完成变压器的开、停，运行维护与继电保护（过 电流保护、电流速断保护、差动保护、瓦斯保护和过负荷保护等） 。它不仅

42、使变 压器处于闭环自动控制之中，而且使变压器自动化与测控保护系统协调运行， 从而使整个变压器处于最佳运行状态。由于 plc 自身的特性，每个输入 输出 信号都有指示灯，使得变电站这个信号比较分散的场所维护检修工作变得异常 容易 5. plc 分极递阶控制系统的结构分极递阶控制系统的结构 可编程控制器(plc)被称为现代工业控制的三大支柱(plc、机器人和 cad/cam)之一，具有可靠性高，易于控制，编程使用简单，性价比高，环境适 应性强等特点，已被广泛地应用于控制领域，在变电站综合自动控制中也已有 应用。但是 plc 在数据、信息处理与图象显示等方面仍显不足，还无法与计算 机相比，因而未能充

43、分发挥其强大功能，一般只是用 plc 对开关量进行控制。 但近年来随着 plc 通信网络功能的不断增强，已可以方便的将 plc 与计算机连 接。利用计算机运算速度快，信息处理方便，显示性能高的优点，将其作为上 位机，行使管理功能，与 plc 形成一个优势互补的分级递阶控制系统。这样， plc 就可以执行复杂的控制职能，从而可以对变电站进行最优综合控制。 分级递阶控制思想的实质是将一个大的控制系统按功能或结构进行层次分 配，将全系统的监视和控制功能划属于不同的级别去完成，各级完成分配给它 的功能，并将有关信息传递到上一级，接受上一级管理。综合控制功能由最高 一级决策执行，各级的工作相互协调，力求

44、整个控制系统达到最佳效果。 分级递阶控制依据“层次越高，智能越高，控制精度越低；层次越低，智 能越低，控制精度越高”的拟人的原则进行设计。基于 plc 的分级递阶控制系 统共分为三级：组织级、监控/协调级和执行级。其系统结构框图如图 1 所示。 图 1 plc 分极递阶控制系统的结构图 (1)组织级 整个系统的最高级，其智能程度最高，执行组织管理决策的智 能，对下进行指导和监控。该级对上通过人机接口与管理人员进行友善的人机 对话，执行管理决策的职能。对下监视、指导协调级的所有行为。该级还可以 根据实际生产过程和环境等信息，采用人机结合的方式自动或半自动的提出 局域网 计算机 监控协调机 plc

45、plcplc plc 数据采集 电 压 分 量 电 流 分 量 变压 器分 别接 头 变压 器分 别接 头 变压 器分 别接 头 变压 器分 别接 头 现场总线 合理的控制目标或指标，形成相应的命令或任务向低层下达。 (2)监控/协调级 该级主要根据组织级的命令协调下位 plc 的运行，避免下 位 plc 发生冲突，并将下位 plc 的信息传输到上位计算机。监控/协调机既可以 是工业控制计算机也可以是主 plc 或 plc 终端。 (3)执行级 控制系统的最低级，执行现场控制功能，是自动控制系统中控 制的关键级。该级智能最低，但可靠性、控制精度和实时性要求最高。同时， 该级的 plc 可通过现

46、场总线与上位的监控协调级连接进行实时的在线控制和协 调。现场总线技术一般采用塌陷结构，使用开放系统互连(osi)参考模型的低层 协议，因而结构简单，实时性强。 上述结构，利用计算机运算速度快，信息处理功能强大的优势，使计算机 集中管理各控制子系统，对现场信息进行综合处理，给出最优解决方案。同时， 控制级计算机可以通过局域网与其它计算机相连，既可以实现资源共享，又可 以使不同系统在统一调度下，协调工作，减少资源浪费。下位 plc 或远程工作 站分散后进行连网，这样，执行级各控制器件就可在现场实现分散控制，并通 过网络将信息传递到上位控制机，使上位机进行集中管理。即使下位 plc 或远 程工作站个

47、别设备出现故障，也不会导致整个系统的瘫痪，整体性能好，运行 可靠。 6.plc 分级递阶控制系统在变电站综合控制系统中的应用分级递阶控制系统在变电站综合控制系统中的应用 当前，已有变电站将 plc 引入控制系统中，但是仅仅利用 plc 对开关量进 行控制，如对有载调压变压器分接开关的调节，并联补偿电容器的投切等。远 没有充分发挥 plc 的强大功能。 6.16.1 在变电站综合控制系统中在变电站综合控制系统中 plcplc 分级递阶控制系统的结构分级递阶控制系统的结构 利用本文上面提到的分级递阶控制结构，我们可以按照三级机构设计变电 站综合控制系统。 (1)组织级的设计 组织级是本系统的最高级

48、，承担着最优决策的功能。当前变电站综合控制 大部分仍是按照传统的九区控制方法，利用电压和无功功率双参数将变电站运 行状态分为九个区，根据各个区所对应的控制方案进行调节。但是，在该控制 系统中，无功调节判据是一个与电压无关的平行于电压坐标轴的固定边界，没 有充分考虑无功调节与电压调节相互间的协调关系。根据“保证电压合格，无 功基本平衡，尽量减少调节次数”的变电站电压和无功综合调节的基本原则， 无功调节边界应当是一个受电压状态影响，且在一定范围内服务于电压调节的 模糊边界。因此，我们对传统的控制策略也作了改进，引入了无功调节判据,提 出了模糊边界的无功调节。基于电压与无功的相互影响,对电容器组的投

49、切判据 建立如下数学模。 式中：u0 为标准电压；q0 为每组电容器的容量；u 为电压实时值；q 为实 时功率值；1，2 为权重系数。 根据上面推导出的数学模型，可以得到修正后的电压无功双参数调节的 模糊边界,如图 2 所示。 图 2 无功双参数调节的模糊边界图 我们利用计算机进行模糊推理，得到最优控制策略，形成控制规则表，将 其传递到下级进行协调控制。同时该级为操作人员提供了良好的人机界面，将 电压、电流、有功、无功等信息以曲线图、柱状图等形式实时反映出来，并且 在出现异常情况时可进行声光报警，使操作人员可以及时全面的了解系统运行 情况，并可对生产过程进行调节和控制。该级计算机装有专家知识库

50、，在变电 原 q 上限原 q 下限 新 q 上限 新 q 下限 u 上限 8 2 0 1 3 45 6 7 站内出现故障时，可在专家系统的引导下，尽快解除故障。定时召唤打印功能 和无人抄表功能可以方便的使变电站综合控制实现无人职守。根据各变电站的 实际运行情况和不同时段的电压、无功波动情况，还可以通过控制级计算机设 定电压整定值和灵敏度参数，而且根据控制要求还可以由功能按钮直接对有载 调压变压器的分接头和补偿电容进行控制，以进一步增加控制的灵活性。 该级的计算机还可以通过 ethernet、arcnet 等局域网进行联网，实现信息 共享，对某一区域进行综合控制，这样既可以从整体上进行控制，更有

51、利于提 高整个地区的供电质量，还可以减少资源的浪费。 (2)监控/协调级的设计 该级的主要功能是完成组织级下达的命令，负责执行级 plc 的协调工作。 该级可由计算机或主 plc 构成，随着 plc 性能价格比的不断提高，一般变电站 的监控/协调级都可由主 plc 承担。在变电站中，多变压器的同步调节主要由该 级负责，同时它还负责执行级现场信息的传输，在整个分级递阶控制中起着桥 梁作用。 在小型的变电站中，为了节省投资，也可以将组织级和监控/协调级集成在 一个高性能的计算机中。 (3)执行级的设计 执行级的智能程度最低，但控制精度和实时性要求最高。由于变电站电磁 干扰严重，常规的控制器件难以达

52、到精确控制，因而可靠性高、实时性好、性 能价格比高的 plc 是最佳选择。由于 plc 与计算机联网，可以将最优控制结果 下载到 plc，利用 plc 实现各种最优控制。对于主要器件如主变压器，可以采 用 plc 的冗余技术更进一步提高可靠性。所谓 plc 冗余技术即正常运行时，一 台 plc 作为主 plc 进行控制，其它的 plc 作为备用，监视系统运行。当主 plc 发生故障时，由 plc 协调器件指定另外一台 plc 作为主 plc，控制系统运行， 将有故障的 plc 换下维修。由于 plc 发生故障的几率十分小，采用冗余技术后 的故障率几乎为零。 现在的 plc 大多提供了现场总线技

53、术，利用组态软件可以方便的将现场的 多台 plc 组成现场总线局域网。现场总线采用开放式的标准总线结构，可以十 分方便的将分散的智能化设备连接起来，有利于彻底的实现分布式控制，而且 有利于各台 plc 的协调动作，提高了系统的可靠性。 6.26.2 通信口的设计通信口的设计 c 系列的 c200h 配有 host link 通信模块，对上可与计算机通信，进行组 网连接；对下可通过 rs-232、rs-485 等实现近程或远程的通信，实现对生产线 各个监控点的监控。本系统中链接的 plc 不多，故可采用“轮询”式的工作方 式，依次对链接的 plc 进行数据传输。上位机对来自现场的数据经特征识别、

54、 分析判断后，针对不同的状态，再经过通信口给下级下达命令。操作人员还可 经 plc 终端对 plc 的工作进行可视性监控，通过触摸屏开关下达命令。因此整 个系统运行的正常与否和通信口的设计关系极大。为保证通信畅通可靠，在编 制程序时应注意以下几点： (1)波特率的设定应与host link单元的sw3的设置保持一致； (2)为保证传输可靠，对指令帧每一字符进行“异或”逻辑运算，形成通信 指令检验的 fcs 码； (3)对由 host link 单元返回的响应帧在判读其相应位为“00”后处理，若 fcs 校验错或响应帧相应位不为“00” ，显示错误信息，重新发送指令。 基于 plc 分级递阶控制

55、的变电站综合自动控制系统既吸取了集散控制系统 “信息集中，控制分散”的优势，又保留了 plc 所固有的可靠性、灵活性及性 能价格比高的优点，同时大大降低了传统集散控制系统的成本，提高了系统性 能，以最低成本来完成高技术的自动化。 该控制系统各级之间既有分工又有联系，协调工作。同时按照现场实际控 制需要，将执行级的 plc 采用分散控制结构，将各个 plc 分散后进行联网，一 方面可将变电站的全部信息通过网络传至组织级计算机以实现信息集中管理， 另一方面可避免因个别设备出现故障而造成整个系统的瘫痪，提高了可靠性。 由于控制系统采用模块化结构形式，各变电站可依据自己的需要选择不同 数量、不同规格的

56、 plc 模块，整个系统采用分级分散的网络结构形式，使增加 或去除某些单元不会影响整个系统的功能。同时，plc 可以实现在线编程，根 据不同的需要对设定值进行整定，而不需要改变整个系统结构，因而大大提高 了系统的灵活性。 7. 变电站综合自动化通信网络的设计与实现变电站综合自动化通信网络的设计与实现 7.17.1 引言引言 变电站是输配电系统中的重要环节，是电网的主要监控点。近年来，随着 我国经济高速发展，电压等级和电网复杂程度也大大的提高。传统变电站一次 设备和二次设备已无法满足降低变电站造价和提高变电站安全与经济运行水平 这两方面的要求。 而现在变电站所采用的综合自动化技术是将站内继电保护

57、，监控系统，信 号采集，远动系统等结合为一个整体，使硬件资源共享，用不同的模式软件来 实现常规设备的各种功能。用局域网来代替电缆，用主动模式来代替常规设备 的被动模式。具有可靠、安全、便于维护等特点。 分散分层分布式是变电站综合自动化系统的发展方向，这就对通信的可靠 性提出了更高的要求，选择一个可靠、高效的网络结构，是解决问题关键。90 年代中期，国内外曾掀起一场“现场总线热” ，但是由于技术上的原因以及采用 设备总线时信息量大且传输较慢的特点，造成了现场总线存在多种标准，阻碍 了其发展。以太网经过若干年的发展，技术上日臻成熟。随着嵌入式以太网微 处理器的发展，以太网已十分便利的应用于变电站综

58、合自动化系统。以太网具 有高速、可靠、安全、灵活的特点，使其在变电站综合自动化系统中有广阔的 应用前景。 7.27.2 变电站通信系统结构变电站通信系统结构 1）管理和控制一体化局域网将无可争议地选用以太网。 2）间隔级控制总线在 ff-h2 总线尚未成熟的情况下，工业级以太网和 profibus mms（manufacturing messageing specification 制造厂信息规范） 将是一个比较好的选择。 3）可编程逻辑控制器 plc 被发展成 pcc(programable computer controller), 即用智能模块实现逻辑及自动控制功能，它比常规的 plc

59、具有可交流采样、通 讯组态方便等优点。 7.37.3 变电站综合自动化系统通信网的基本设计原则变电站综合自动化系统通信网的基本设计原则 通信在变电站综合自动化占有重要的地位。其内容包括当地采集控制单元 与变电站监控管理层之间的通信，变电站当地与远方调度中心之间的通信。系 统通讯网架的设计是十分关键的，本文从以下方面考虑变电自动化系统通信网 的设计： 1）电力系统的连续性和重要性，通讯网的可靠性是第一位的。 2）系统通讯网应能使通讯负荷合理分配，保证不出现“瓶颈”现象，保证通讯 负荷不过载，应采用分层分布式通讯结构。此外应对站内通讯网的信息性能合 理划分，根据数据的特征是要求实时的，还是没有实时

60、性要求以及实时性指标 的高低进行处理。另外系统通信网设计应满足组合灵活，可扩展性好，维修调 试方便的要求。 3）应尽量采用国际标准的通信接口，技术上设计原则是兼容目前各种标准的通 信接口，并考虑系统升级的方便。 4）应考虑针对不同类型的变电所的实际情况和具体特点，系统通信网络的拓扑 结构是 灵活多样的且具有延续性。 5）系统通信网络应采用符合国际标准的通信协议和通信规约。 6）对于通信媒介的选用，设计原则是在技术要求上支持采用光纤，但实际工程 中也考虑以屏蔽电缆为主要的通信媒介。 7）为加速产品的开发，保持对用户持续的软件支持，对用户提出的建议及要求 的快速响应，就要求摆脱小作坊式的软件开发模