基于FR+PLC控制的电气倒闸操作模拟系统研究

2023-11-09宋坤

微型电脑应用 2023年10期

宋坤

(国网山东省电力公司济宁供电公司,山东,济宁 272000)

0 引言

变电倒闸操作是指电气设备或者电力系统由一种状态转变为另一种状态、从一种运行方式转变为另一种运行方式时必须运用的一种有序操作步骤[1]。该操作是电网厂站运行操作人员需要完成的一项极为重要的工作。为保证电力系统的安全运行,操作人员必须严格按照倒闸操作的要求流程完成操作,避免产生事故,但由于种种原因,导致电网倒闸成功率过低,影响了电力系统的安全运行[2]。为了提高倒闸操作的成功率,降低电力系统的安全隐患,许多电力相关的专家人员对此进行研究。例如徐洋等[3]建立的基于MCGS高压电气倒闸操作模拟系统,通过组态软件MCGS实现倒闸模拟操作;曾利等[4]基于专家系统的电网操作票自动生成系统,运用专家系统技术实现倒闸操作。但是这些方法均存在一定的倒闸失败率。基于原子引力模型的FR算法是一种具有显著代表性的力导向算法,其可以丰富两点之间的物理模型,加入点之间的静电力,通过计算系统的总能量并使得能量最小化,从而达到布局的目的。而且其认为节点本身存在引力和斥力,节点之间存在斥力,通过线连接的两节点之间存在引力,具备清晰展现图中各点之间关系的显著优势[5]。而PLC由于采用现代大规模集成电路技术,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性,能够实现对电网倒闸操作的准确模拟,因此文章使用这两种方法完成倒闸模拟操作。

1 倒闸操作模拟系统设计

1.1 倒闸操作模拟系统硬件部分设计

基于FR+PLC控制的电网倒闸操作模拟系统主要包含4个模块,绘图模块、系统数据管理模块、逻辑关系管理模块和操作票管理模块。使用人员只需通过这4个模块建立相应的数据文件,系统就能够根据这些相应的数据文件自动完成适合某个电网厂站的倒闸操作的模拟。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

(1) 绘图模块:该模块主要作用是绘制电网厂站接线图,能够为构造目标系统提供接线图图形数据,为目标系统查找各种元件函数及各种元件的绘图子过程。

(2) 系统数据管理模块:该模块是系统的核心,其主要作用是建立目标系统中所需的菜单文件、保护屏文件、操作类文件、库文件、杂项文件的大部分外部数据文件。

(3) 逻辑关系管理模块:该模块的主要作用是根据“操作五制”原则要求建立逻辑关系。

(4) 操作票管理模块:该模块主要作用是目标系统中形成操作票时,建立其运行所需要的各种典型操作票文件、操作任务文件、操作设备文件、设备状态文件和操作票名文件[6]。

1.2 基于FR算法的倒闸操作模拟系统软件设计

1.2.1 电网倒闸操作点网格布局

再设计基于FR算法的倒闸操作模拟系统软件,即确定电网倒闸操作点网格布局。这是因为通过电网倒闸操作网格布局是利用绘图模块实现电网厂站倒闸操作模拟的大前提。电网倒闸操作点均匀分布在画板上,相邻操作点的位置合理等均能体现位置布局的好坏。将电网倒闸操作点抽象和输电线路分别视为图中的点和线,构成图模型,通过点的布局和两点之间的路径规划实现电网倒闸操作点布局和输电线路规划。

FR算法可通过模拟图中点、线与原子之间的力场调节位置关系[7]。为此,利用设置画布的宽度和高度分别为L和H,画布大小S的计算公式为

S=L×H

(1)

在利用布局电网倒闸操作点时,应使用必要的测量工具在现场获得电网厂站各节点距离,并利用FR算法以及上述物理量测算电网倒闸操作点各节点的理想距离大小为

(2)

其中,|V|表示电网倒闸操作点数量。

电网倒闸操作点节点之间的欧式距离表达式为

(3)

其中,d(m,n)为电网倒闸操作点节点m和电网倒闸操作点n之间的欧式距离,mx、my分别为节点m水平和竖直方向的距离,nx、ny分别为节点n水平和竖直方向的距离。

FR算法将所有的节点都看做是电子,每个节点均会受到两个力的作用:即斥力与引力。斥力为其他节点的库伦力;引力为边对点的胡克力。在力的相互作用之下,整个布局最终能够呈现一种平衡的状态。因此通过计算电网倒闸操作点之间的引力和斥力,可以确保节点之间的距离适当。由于全部节点中均存在斥力,两个节点之间仅存在引力,因此可以理解为相关联节点之间的距离较近,无关联节点之间的距离相对较远。那么电网厂站节点m、n之间的引力函数表达式如下:

(4)

电网倒闸操作点m、n之间的斥力函数表达式如下:

(5)

其中,引力因子为F1,即产生引力的因子,斥力因子为F2,即产生斥力的因。库伦定理认为真空中两个静止的电荷之间的相互作用力,与他们的电荷量的乘机成正比,与他们的距离的平方成反比。因此以上因子可以通过昆仑定理等获得。

采用模拟退火算法取代传统迭代方式,避免产生局部最优现象。模拟退化算法通过模拟物理上的降温原理,达到最终稳态。通过设定初始温度和冷却速率控制节点的最大位移量,位置的偏移量随温度的下降而更加微小,最终达到稳定状态。

线性温度下降公式为

Tt+1=φ×Tt

(6)

式(6)中,Tt、Tt+1分别为当前时刻和下一时刻的温度,φ表示冷却系数,通常为正数且小于1。

利用FR算法对上述电网倒闸操作点物理量进行处理,从而转化为模型参数,以更好地进行计算。同时为获取最佳布局效果,在FR算法中引入并发参数循环计算以处理上述电网倒闸操作点物理量,从而有效利用计算机计算性能,获取电网倒闸操作点布局最优参数值。

1.2.2 电网厂站接线图的自动生成

厂站接线图可体现发电网厂站的不同电压等级母线的进出线情况。在完成电网厂站网格布局后,依据布局情况,生成电网厂站接线图。接线图中的元件主要包括母线、开关、变压器、刀闸等。由于厂站接线图的画法具有一定规范性,因此各电压等级的母线、主变压器、进出线等的位置均具备一定的规律性。并且同种接线类型的母线之间的差别除了支路数目的不同之外,模式均没有任何变化和区别。母线的出线数和母线的长度,是由间隔的数目决定的。

由于电网厂站接线图自动生成功能是作为一个组成部分融合在其他电力系统应用程序中的,其整体程序设计如图2所示。

图2 程序设计图

由于厂站接线图是由各个间隔构成,并且设备间隔是绘图的基本单位,因此为确定各种元件的位置,需要确定接线图中各间隔的位置。根据厂站接线图的画法具有一定规范性的原则,整理电网厂站接线类型及其图形设计相关的知识和经验,并定义成规则,构建使用者能够扩充的规则数据库,处理图形的绘制的相关问题。

1.3 基于PLC的倒闸操作模拟设计

在获得的电网倒闸操作点布局图的基础上需要通过系统数据管理模块和逻辑关系管理模块相互配合对指定地点的电网倒闸操作点进行倒闸操作模拟。PLC控制系统是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、自动控制技术等而形成的一代新型工业控制装置,具有通用性强、使用方便、抗干扰能力强以及编程简单等优势,为此使用该技术进行倒闸操作模拟。在模拟过程中,电网运行主要包含配电装置和系统运行的控制2部分。

(1) 配电装置包括高、低压成套装置、继电保护装置、中间继电器、主令开关等设备组成。

(2) 逻辑关系管理模块,负责各个配电设备之间的相互关系。在实际倒闸操作时,主令开关和位置开关是主要变化的信号[8]。为实现模拟操作,需要在满足各个开关量变化信号后,利用与该运行系统相符合的控制逻辑完成逻辑关系管理。在进行模拟时的主要步骤为先将配电柜操作人机界面(HMI)建立在Wincc flexible编辑所需的开关量画面上;再通过Step编写各个功能柜分、合闸PLC控制逻辑程序,PLC主要包括母联柜程序、进线柜程序、变压器柜程序以及电动机程序4部分,并对HMI与PLC进行组态,利用HMI向PLC输入信号,再由PLC对输入信号进行分析,再输出具体内容到HMI,以此完成倒闸操作模拟。其模拟设计思路如图3所示。

图3 设计思路框图

1.4 倒闸操作模拟实现流程

电网厂站倒闸模拟操作系统程序设计采用编程中常用的结构化程序设计,充分利用PLC可以使用子程序的优势,根据结构化的编程思想,将电网厂站的整体功能分解成相应的进线柜、母联柜、变压器馈线柜等子程序,通过功能柜的控制程序,实现整个系统的倒闸功能。其结构程序流程如图4所示。

图4 倒闸操作模拟实现流程

2 验证分析

将本文系统使用在上海某电网厂站的倒闸操作模拟中,测试系统的实用性能,特别是如何实现倒闸操作模拟。

该电网厂站有110 kV、35 kV和10 kV 3个电压等级,测试只选用其110 kV和10 kV 2个电压等级,测试范围为110 kV去除开关及主变中性点接地倒闸全部操作,主变10 kV侧接地桩的倒闸操作模拟。该电网厂站接线图登录主界面和接线显示界面分别如图5、图6所示。

图5 登录主界面

图6 电网厂站DCS接线图

倒闸模拟操作成功率决定了电网厂站的安全程度。因此倒闸操作模拟的成功率是衡量本文系统优劣的主要标准。采用基于MCGS高压电气倒闸操作模拟系统(文献[3]系统)和基于专家系统的电网操作票自动生成系统(文献[4]系统)与本文系统,对110 kV去除开关及主变中性点接地倒闸,分别进行5次模拟操作,并对比操作结果,如图7所示。