北京和利时智能技术有限公司

    关键词： PLC；RS485；微网能量管理系统 
   
    1 引言
   
    随着国家智能电网相关政策的试行，可再生能源的开发利用及分布式供电已渐渐成为燎原之势，即将进入快速发展阶段。为保障分布式发电这一新的发电方式可靠运行、高效利用、最优化配置，对微网系统的深入研究至关重要。微网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。既可以与配电网并网运行，也可以与配电网断开孤立运行。

    本文阐述的微网能量管理系统的研究工作目标是通过开展微网能量管理系统及其应用方案的研究，摸索微网各种分布式发电的特性，寻找最优化微网能量分布策略，为智能电网建设计划提供有力的技术支持。本文的研究内容主要包括微网能量管理系统的组成、微网能量优化控制策略等。

                 

    2 系统构架

    微网是中国发展可再生能源的有效形式。一方面，充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构、保护环境、开发西部、解决农村用电及边远地区用电、进行生态建设等具有十分重要的意义。另一方面，中国的可再生能源的发展潜力巨大。

    微网在提高中国电网供电可靠性、改善电能质量方面具有重要作用。在大电网的脆弱性日益凸显的情况下，将地理位置接近的重要负荷组成微电网，设计合适的电路结构和控制，为这些负荷提供优质、可靠的电力。

    微网引入后，配电网的辐射状网架结构将改变，线路的潮流可以双向流通。而且微电源大部分是通过逆变器接入的，大量的电力电子设备的引入，将使短路电流受到限制，通常不超过额定电流的2倍。而且微网可以在和配电网并网运行也可以孤网运行，因此如何在两种工况下都能对微网内部故障做出响应以及在并网的情况下快速感知大电网故障，同时保证保护的选择性、快速性、灵敏性和可靠性，是微网保护的关键和难点。

    微网灵活的运行方式和高质量的供电服务需要有完善与稳定的控制系统。微网的控制应该基于本地的信息对电网中的事件做出自主反应，例如，对于电压跌落、故障、停电等，发电机应当利用本地信息自动跳转到独立运行方式，而不是像传统方式中有电网调度统一协调。

    微网能量管理系统主要是对微网系统内分布式电源、负荷、微网系统的执行元件、智能电表等设备的实时数据采集和控制，针对微网能量管理系统的组成、设备特性、通信方式等，可以根据不同构成形式灵活配置功能。本文基于现代先进的控制思想，采用以和利时PLC为主的集中与分散相结合的计算机控制系统，它集成了当代计算机技术、高性能控制器及智能化仪表的各自特点于一身，使其在微网系统的运行管理方面发挥了巨大的作用。

    在本文所介绍的系统中，由可编程序控制器（PLC）、智能电表、微网系统的执行元件等组成检测控制系统——现场控制站，以控制分区为对象，具有独立的区域监控能力，能接受中央控制的调控，但不依赖中央控制的存在，对微网系统各部分进行分散控制；再由中央控制室，对整个系统实行集中管理。现场控制站根据微网系统所在构筑物的平面分布，设置在控制对象和信号源相对集中的区域。

    监控系统网络采用客户/服务器模式，光纤网，客户/服务器(Client/Server)模式的分布式实时关系数据库，100Mbps传输速率，全双工通信，网络传输介质有光缆、通讯串口电缆，主网络系统布线、子网络系统布线统一考虑、综合利用，配置网络操作系统及相关应用软件。

                 

    各现场控制站的现场集中监控部分——和利时LK系列PLC与中央控制室之间由工业以太网进行数据通信，通讯介质为光缆，通讯采用MODBUS TCP标准协议，其中LK系列PLC作从站，操作员站电脑作主站；现场控制站的集中监控部分与远程分散监控部分——和利时LM系列PLC之间也由工业以太网进行数据通信，通讯介质为双绞线或光缆（视距离远近而定），通讯也采用MODBUS TCP标准协议，其中LK系列PLC作主站，LM系列PLC作从站；现场控制站的远程分散监控部分与现场检测电表进行数据通讯，通讯介质为RS-485串口通讯线，通讯采用MODBUS RTU标准协议，其中LM系列PLC作主站，智能仪表作从站；另外PLC与微网系统的执行元件单元采用24VDC电压数字信号及标准4~20mA模拟信号通讯，通讯介质为控制电缆及信号电缆；中央控制室中的操作员站与电网管理中心再通过电力骨干网进行通讯，将现场采集到的数据信息存放到中央数据库中，以供备份和分析使用。测量仪表是具有微处理器的智能设备。

    系统结构图如图2-1所示。

    3 设计方案

    PLC监控系统在微网能量管理系统中起到了至关重要的作用，其主要用于各种底层电表、逆变器、断路器、接触器等设备的分散数据采集，所有电量参数的数据整合，以及向上位监控电脑上传数据以供操作员监视和分析。在向上传递数据的同时，PLC还逐级接收来自上级的参数设置数据和控制指令，实现远程设置和操控。另外，PLC还负责直接处理一些紧急任务，如故障急停等。
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    远程分散监控——LM系列PLC

    若干个LM系列PLC系统根据控制领域的划分分别放置在每个控制领域中，紧邻该控制领域的智能电表、逆变器、断路器、接触器等数据采集设备并与之通过串口通讯线、信号电缆和控制电缆等连接在一起。在微网系统中，这些控制区域主要包括智能电能表、光伏发电及逆变器系统、储能及逆变器系统、三联供系统、地源热泵系统等。同时，LM PLC通过专用的以太网扩展模块与LK PLC进行连接。具体的LM PLC连接图如图3-1所示。

                 

    在每个控制区域中，LM系列PLC系统的职责主要分为两大部分：首先，LM负责通过RS-485串口通讯的方式，将现场智能电表和其它数据采集设备的信息读取到PLC中进行保存和处理后，再上传至LK PLC现场集中监控系统。在这个过程中，和利时LM PLC保证了数据读取的实时性和准确性，其读取所有设备数据一个周期的时间不超过2秒。
LM PLC在智能电表和其它数据采集设备的数据收集上，通过编程实现了十分复杂的微网电量采集要求。总体来说，该PLC监控系统中每个PLC可支持同时连接若干类串口通讯采集设备，每类设备也可以有多个，但是设备总数不能超过MODBUS协议的上限。另外，对于每类表来说，又将需要采集的多个参数分成若干优先级，根据优先级不同决定PLC采集该参数的频率。整体结构图如图4-2所示。

                 

    此外，LM PLC还负责对现场的继电器、接触器等电气控制设备进行运行状态、故障等情况的信号输入判断以及对其进行的闭合/断开控制等。PLC通过物理输入点DI检测到各设备的工作情况后，同时将这些工作状态数据进行上传和本地处理；另一方面，PLC也根据上级LK PLC发送过来的控制指令对各执行机构进行控制，或根据输入信号的处理结果在本地对执行机构进行一些必要的紧急处理，避免通讯延时造成的损失和危害。
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    现场集中监控——LK系列PLC

    LK PLC在整个微网能量管理系统中处于LM PLC的上一层，主要负责将上位操作站的远程指令和参数设置传递给下级LM PLC，同时将LM PLC从底层设备接收的电量数据进行整理集中，以供上位操作站接收显示。因此，可以说，LK PLC在整个系统中是连接上级和下级的枢纽，通过LK PLC将远程调度简捷化，并将现场数据规整化。
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    远程操作站监控

    操作站通常设置在监控中心，主要由计算机、打印机、大屏幕及服务器等硬件设备组成，用于对现场设备的远程监控和整体调度。通过操作站的监控组态软件，工程师可以将底层通讯的基本初始参数，诸如仪表类型数量、每类仪表数量、各数据帧的格式及读取的数据地址等在电脑上设置完毕后，传递给LK PLC现场监控站，而后通过LK发布给所有的LM PLC进行参数初始化操作。

    另外，操作站也同时可以监控现场设备的运行情况和故障信息，显示现场仪表的实时电量参数值，使得工程师或操作员可以在监控中心了解现场的基本情况，从而作出一些必要的远程手动控制或及时联系现场工作人员进行检修等。

    4 结论

    该套自动化集中监控系统具有以下优点：①先进的全开放、分布式结构；②扩展灵活；③中文操作界面友好，操作人员容易掌握。

    PLC控制系统作控制站、最优的工控组态软件及工控机作操作站，实现了对微网能量管理系统的集中监控；实现了良好的人机对话，方便操作人员在控制室里了解现场智能电表、逆变器、光伏、储能和三联供等设备的运行状况，并可通过操作站实现对现场设备的远程操作，同时通过PLC控制系统实现联锁控制保护现场设备；维护人员可以直接从操作站上灵活组态和方便查找现场设备故障原因，达到了既显示直观又节省费用的目的。本设计经北京和利时自动化驱动技术有限公司具体实施实现，已得到了非常好的实际应用效果。

    参考文献

    [ 1 ] 丁明、杨为等，基于IEC61970标准的微网EMS平台设计[J]，电力自动化设备
    [ 2 ] 王志霞、张会民、田伟，微网研究综述[J]，电力应用
    [ 3 ] 李振杰、袁越，智能微网——未来智能配电网新的组织形式[J]，电力系统自动化
    [ 4 ] 和利时PLC——面向解决方案的PLC[J]，国内外机电一体化技术