电气工程及其自动化毕业论文PLC在变电站变压器自动化中的实现.docx
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电气工程及其自动化毕业论文PLC在变电站变压器自动化中的实现
毕业设计（论文）
题目：
PLC在变电站变压器自动化中的实现
学习中心：
年级专业：
学生姓名：
学号：
指导教师：
职称：
导师单位：
论文完成时间：
年月日
毕业设计（论文）任务书
发给学员：
1111
1．设计（论文）题目：
PLC在变电站变压器自动化中的实现
2．学生完成设计（论文）期限：
年月日至年月日
3．设计（论文）课题要求：
论文要符合专业要求，阐述明白，深入主题述写，逻辑性思维要强，结合实际。
对本设计要有全面的论证，对设计原理、计算、电路等要有一定的优势。
如有不熟悉的知识点，向指导老师请教。
4．实验（上机、调研）部分要求内容：
在规定的时间内，利用所学的PLC编程技术和到电力拖动实验室去设计图形。
用Microsoftword2003排版和图象处理软件加工文中图表。
5．文献查阅要求：
充分利用时间到图书馆和上网查询资料，保证所用资料真实可靠。
不可直接引用别人资料，如引用别人资料须在后面注明出处。
坚持实事求是的原则。
6．发出日期：
年月日
7．学员完成日期：
年月日
指导教师签名：
学生签名：
摘要
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:
变压器自动化PLC自动化屏PLC阶梯控制
第1章前言
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。
第2章PLC变压器自动化
2．1变压器自动化的构成方案
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。
变电站综合自动化系统图如下：
图2-1变电站综合自动化系统图
系统配置
主站：
主流配置的高档品牌工控机
通讯管理单元：
MGLJ系列通讯管理机
保护监控单元：
MTPR系列变压器主、后备保护
MLPR系列线路、分段保护
MCPR系列电容器保护
MBZT系列备用电源自投
MMCU系列测控单元
MPTS系列电压切换
监控软件：
单机版WLD2100厂站监控系统软件
直流电源：
WLDGZDW系列智能直流电源系统
2.2变压器及配套设备为常规设备
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为不含智能单元及计算机接口的常规设备，那么只需将变压器控制屏部份选用可编程（PLC）变压器自动化屏，就能构成比较完备的变压器自动化系统。
其系统框图如图2-2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电缆直接连接，进行信息交换。
中控室或远方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。
图2-2可编程变压器自动化屏与常规设备的系统框图
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自动化系统。
其系统框图如图2-3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。
图2-3可编程变压器自动化屏与智能机组设备的系统框图
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。
2.3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硬件设备一般包括：
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。
其系统框图如图2-4。
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。
图2-4可编程变压器自动化离继电器系统框图
2.4可编程变压器自动化的选型
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：
RockE20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Intranet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。
2.5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。
2.5.1可编程变压器自动化的自动化监控程序
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。
在此以35KV单母线、一台主变压器为例，其开机准备条件及开机程序如图2-5，停机程序如图2-6。
图2-5开机程序
图2-6停机程序图
2.5.2可编程变压器自动化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
CMD
DATA
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，其格式如下：
0
b0
b1
b2
b3
b4
b5
b6
p
1
开始位
7位数据
偶校验
停止位
低4位
高3位
2.6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。
第3章PLC分级递阶控制在变电站综合控制中的应用
3.1PLC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。
（1）组织级（OrganizationLevel）这是整个系统的最高级，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。
其智能程度最高，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（CoordinationLevel）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（ExecutiveLevel）这是控制系统的最低级，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，因而PLC正是最佳选择。
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。
3.2PLC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。
3.2.1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
组织级是本系统的最高级，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；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3-2所示。
图3-2修正后的电压一无功调节的边界图
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，在变电站内出现故障时，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。
3.2.2通信口的设计
C系列的C200H配有HOSTLINK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、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HOSTLINK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HOSTLINK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。
第4章变电站自动化系统的新发展
4.1数字化变电站自动化系统的特点
4.1.1智能化的一次设备
一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。
换言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。
4.1.2网络化的二次设备
变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源其享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。
4.1.3自动化的运行管理系统
变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化；数据信息分层、分流交换自动化；变电站运行发生故障时能即时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。
4.2数字化变电站自动化系统的结构
在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能开关、光电式互感器机电一体化设备的出现，变电站自动化技术进入了数字化的新阶段。
在高压和超高压变电站中，保护装置、测控装置、故障录波及其他自动装置的I/O单元，如A/D变换、光隔离器件、控制操作回路等将割列出来作为智能化一次设备的一部分。
反言之，智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制回路代替了常规继电保护装置、测控等装置的I/O部分；而在中低压变电站则将保护、监控装置小型化、紧凑化，完整地安装在开关柜上，实现了变电站机电一体化设计。
数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类，即智能化的一次设备和网络化的二次设备；在逻辑结构上可分为三个层次，根据IEC6185A通信协议草案定义，这三个层次分别称为“过程层”、“间隔层”、“站控层”。
4.2.1过程层
过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。
过程层的主要功能分三类：
（1）电力运行实时的电气量检测；
（2）运行设备的状态参数检测；
（3）操作控制执行与驱动。
1、电力运行的实时电气量检测。
与传统的功能一样，主要是电流、电压、相位以及谐波分量的检测，其他电气量如有功、无功、电能量可通过间隔层的设备运算得出。
与常规方式相比所不同的是传统的电磁式电流互感器、电压互感器被光电电流互感器、光电电压互感器取代；采集传统模拟量被直接采集数字量所取代，这样做的优点是抗干扰性能强，绝缘和抗饱和特性好，开关装置实现了小型化、紧凑化。
2、运行设备的状态参数在线检测与统计。
变电站需要进行状态参数检测的设备主要有变压器、断路器、刀闸、母线、电容器、电抗器以及直流电源系统。
在线检测的内容主要有温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据。
3、操作控制的执行与驱动。
操作控制的执行与驱动包括变压器分接头调节控制，电容、电抗器投切控制，断路器、刀闸合分控制，直流电源充放电控制。
过程层的控制执行与驱动大部分是被动的，即按上层控制指令而动作，比如接到间隔层保护装置的跳闸指令、电压无功控制的投切命令、对断路器的遥控开合命令等。
在执行控制命令时具有智能性，能判别命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作精度进行控制，能使断路器定相合闸，选相分闸，在选定的相角下实现断路器的关合和开断，要求操作时间限制在规定的参数内。
又例如对真空开关的同步操作要求能做到开关触头在零电压时关合，在零电流时分断等。
4.2.2间隔层
间隔层设备的主要功能是：
（1）汇总本间隔过程层实时数据信息；
（2）实施对一次设备保护控制功能；
（3）实施本间隔操作闭锁功能；
（4）实施操作同期及其他控制功能；
（5）对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制；
（6）承上启下的通信功能，即同时高速完成
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