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    關鍵詞： PLC；RS485；微網能量管理系統 
   
    1 引言
   
    隨著國家智能電網相關政策的試行，可再生能源的開發利用及分布式供電已漸漸成為燎原之勢，即將進入快速發展階段。為保障分布式發電這一新的發電方式可靠運行、高效利用、最優化配置，對微網系統的深入研究至關重要。微網是指由分布式電源、儲能裝置、能量變換裝置、相關負荷和監控、保護裝置匯集而成的小型發配電系統，是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統。既可以與配電網并網運行，也可以與配電網斷開孤立運行。

    本文闡述的微網能量管理系統的研究工作目標是通過開展微網能量管理系統及其應用方案的研究，摸索微網各種分布式發電的特性，尋找最優化微網能量分布策略，為智能電網建設計劃提供有力的技術支持。本文的研究內容主要包括微網能量管理系統的組成、微網能量優化控制策略等。

                 

    2 系統構架

    微網是中國發展可再生能源的有效形式。一方面，充分利用可再生能源發電對于中國調整能源結構、保護環境、開發西部、解決農村用電及邊遠地區用電、進行生態建設等具有十分重要的意義。另一方面，中國的可再生能源的發展潛力巨大。

    微網在提高中國電網供電可靠性、改善電能質量方面具有重要作用。在大電網的脆弱性日益凸顯的情況下，將地理位置接近的重要負荷組成微電網，設計合適的電路結構和控制，為這些負荷提供優質、可靠的電力。

    微網引入后，配電網的輻射狀網架結構將改變，線路的潮流可以雙向流通。而且微電源大部分是通過逆變器接入的，大量的電力電子設備的引入，將使短路電流受到限制，通常不超過額定電流的2倍。而且微網可以在和配電網并網運行也可以孤網運行，因此如何在兩種工況下都能對微網內部故障做出響應以及在并網的情況下快速感知大電網故障，同時保證保護的選擇性、快速性、靈敏性和可靠性，是微網保護的關鍵和難點。

    微網靈活的運行方式和高質量的供電服務需要有完善與穩定的控制系統。微網的控制應該基于本地的信息對電網中的事件做出自主反應，例如，對于電壓跌落、故障、停電等，發電機應當利用本地信息自動跳轉到獨立運行方式，而不是像傳統方式中有電網調度統一協調。

    微網能量管理系統主要是對微網系統內分布式電源、負荷、微網系統的執行元件、智能電表等設備的實時數據采集和控制，針對微網能量管理系統的組成、設備特性、通信方式等，可以根據不同構成形式靈活配置功能。本文基于現代先進的控制思想，采用以和利時PLC為主的集中與分散相結合的計算機控制系統，它集成了當代計算機技術、高性能控制器及智能化儀表的各自特點于一身，使其在微網系統的運行管理方面發揮了巨大的作用。

    在本文所介紹的系統中，由可編程序控制器（PLC）、智能電表、微網系統的執行元件等組成檢測控制系統——現場控制站，以控制分區為對象，具有獨立的區域監控能力，能接受中央控制的調控，但不依賴中央控制的存在，對微網系統各部分進行分散控制；再由中央控制室，對整個系統實行集中管理。現場控制站根據微網系統所在構筑物的平面分布，設置在控制對象和信號源相對集中的區域。

    監控系統網絡采用客戶/服務器模式，光纖網，客戶/服務器(Client/Server)模式的分布式實時關系數據庫，100Mbps傳輸速率，全雙工通信，網絡傳輸介質有光纜、通訊串口電纜，主網絡系統布線、子網絡系統布線統一考慮、綜合利用，配置網絡操作系統及相關應用軟件。

                 

    各現場控制站的現場集中監控部分——和利時LK系列PLC與中央控制室之間由工業以太網進行數據通信，通訊介質為光纜，通訊采用MODBUS TCP標準協議，其中LK系列PLC作從站，操作員站電腦作主站；現場控制站的集中監控部分與遠程分散監控部分——和利時LM系列PLC之間也由工業以太網進行數據通信，通訊介質為雙絞線或光纜（視距離遠近而定），通訊也采用MODBUS TCP標準協議，其中LK系列PLC作主站，LM系列PLC作從站；現場控制站的遠程分散監控部分與現場檢測電表進行數據通訊，通訊介質為RS-485串口通訊線，通訊采用MODBUS RTU標準協議，其中LM系列PLC作主站，智能儀表作從站；另外PLC與微網系統的執行元件單元采用24VDC電壓數字信號及標準4~20mA模擬信號通訊，通訊介質為控制電纜及信號電纜；中央控制室中的操作員站與電網管理中心再通過電力骨干網進行通訊，將現場采集到的數據信息存放到中央數據庫中，以供備份和分析使用。測量儀表是具有微處理器的智能設備。

    系統結構圖如圖2-1所示。

    3 設計方案

    PLC監控系統在微網能量管理系統中起到了至關重要的作用，其主要用于各種底層電表、逆變器、斷路器、接觸器等設備的分散數據采集，所有電量參數的數據整合，以及向上位監控電腦上傳數據以供操作員監視和分析。在向上傳遞數據的同時，PLC還逐級接收來自上級的參數設置數據和控制指令，實現遠程設置和操控。另外，PLC還負責直接處理一些緊急任務，如故障急停等。
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    遠程分散監控——LM系列PLC

    若干個LM系列PLC系統根據控制領域的劃分分別放置在每個控制領域中，緊鄰該控制領域的智能電表、逆變器、斷路器、接觸器等數據采集設備并與之通過串口通訊線、信號電纜和控制電纜等連接在一起。在微網系統中，這些控制區域主要包括智能電能表、光伏發電及逆變器系統、儲能及逆變器系統、三聯供系統、地源熱泵系統等。同時，LM PLC通過專用的以太網擴展模塊與LK PLC進行連接。具體的LM PLC連接圖如圖3-1所示。

                 

    在每個控制區域中，LM系列PLC系統的職責主要分為兩大部分：首先，LM負責通過RS-485串口通訊的方式，將現場智能電表和其它數據采集設備的信息讀取到PLC中進行保存和處理后，再上傳至LK PLC現場集中監控系統。在這個過程中，和利時LM PLC保證了數據讀取的實時性和準確性，其讀取所有設備數據一個周期的時間不超過2秒。
LM PLC在智能電表和其它數據采集設備的數據收集上，通過編程實現了十分復雜的微網電量采集要求。總體來說，該PLC監控系統中每個PLC可支持同時連接若干類串口通訊采集設備，每類設備也可以有多個，但是設備總數不能超過MODBUS協議的上限。另外，對于每類表來說，又將需要采集的多個參數分成若干優先級，根據優先級不同決定PLC采集該參數的頻率。整體結構圖如圖4-2所示。

                 

    此外，LM PLC還負責對現場的繼電器、接觸器等電氣控制設備進行運行狀態、故障等情況的信號輸入判斷以及對其進行的閉合/斷開控制等。PLC通過物理輸入點DI檢測到各設備的工作情況后，同時將這些工作狀態數據進行上傳和本地處理；另一方面，PLC也根據上級LK PLC發送過來的控制指令對各執行機構進行控制，或根據輸入信號的處理結果在本地對執行機構進行一些必要的緊急處理，避免通訊延時造成的損失和危害。
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    現場集中監控——LK系列PLC

    LK PLC在整個微網能量管理系統中處于LM PLC的上一層，主要負責將上位操作站的遠程指令和參數設置傳遞給下級LM PLC，同時將LM PLC從底層設備接收的電量數據進行整理集中，以供上位操作站接收顯示。因此，可以說，LK PLC在整個系統中是連接上級和下級的樞紐，通過LK PLC將遠程調度簡捷化，并將現場數據規整化。
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    遠程操作站監控

    操作站通常設置在監控中心，主要由計算機、打印機、大屏幕及服務器等硬件設備組成，用于對現場設備的遠程監控和整體調度。通過操作站的監控組態軟件，工程師可以將底層通訊的基本初始參數，諸如儀表類型數量、每類儀表數量、各數據幀的格式及讀取的數據地址等在電腦上設置完畢后，傳遞給LK PLC現場監控站，而后通過LK發布給所有的LM PLC進行參數初始化操作。

    另外，操作站也同時可以監控現場設備的運行情況和故障信息，顯示現場儀表的實時電量參數值，使得工程師或操作員可以在監控中心了解現場的基本情況，從而作出一些必要的遠程手動控制或及時聯系現場工作人員進行檢修等。

    4 結論

    該套自動化集中監控系統具有以下優點：①先進的全開放、分布式結構；②擴展靈活；③中文操作界面友好，操作人員容易掌握。

    PLC控制系統作控制站、最優的工控組態軟件及工控機作操作站，實現了對微網能量管理系統的集中監控；實現了良好的人機對話，方便操作人員在控制室里了解現場智能電表、逆變器、光伏、儲能和三聯供等設備的運行狀況，并可通過操作站實現對現場設備的遠程操作，同時通過PLC控制系統實現聯鎖控制保護現場設備；維護人員可以直接從操作站上靈活組態和方便查找現場設備故障原因，達到了既顯示直觀又節省費用的目的。本設計經北京和利時自動化驅動技術有限公司具體實施實現，已得到了非常好的實際應用效果。

    參考文獻

    [ 1 ] 丁明、楊為等，基于IEC61970標準的微網EMS平臺設計[J]，電力自動化設備
    [ 2 ] 王志霞、張會民、田偉，微網研究綜述[J]，電力應用
    [ 3 ] 李振杰、袁越，智能微網——未來智能配電網新的組織形式[J]，電力系統自動化
    [ 4 ] 和利時PLC——面向解決方案的PLC[J]，國內外機電一體化技術