施耐德电气PLC模块TSXCFY21详细说明

TSXCFY21 TSXCFY21

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。 
2PLC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)，具有可靠性高，易于控制，编程使用简单，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*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*一级决策执行，各级的工作相互协调，力求整个控制系统达到*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。 

  
  

(1)组织级(Organization Level)这是整个系统的*，其智能程度*，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。其智能程度*，但精度不高，宜粗不宜细，以便进行宏观指导。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。这部分通常由高功能的计算机来完成。 
(2)监控/协调级(Coordination Level)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，可根据控制要求进行选择。 
(3)执行级(Executive Level)这是控制系统的*，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*低，但可靠性、控制精度和实时性要求*，因而PLC正是*选择。同时，该级的PLC可通过现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*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。 

3PLC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。 

3.1在变电站综合控制系统中PLC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*，承担着*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,对电容器组的投切判据建立如下数学模型。 



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；α1，α2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。 

  

 

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        我们利用计算机进行模糊推理，得到*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*知识库，在变电站内出现故障时，可在*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*低，但控制精度和实时性要求*。由于变电站电磁干扰严重，常规的控制器件难以达到控制，因而可靠性高、实时性好、性能价格比高的PLC是*选择。由于PLC与计算机联网，可