基于小型PLC的电网智能监测DCS控制器设计

王玉萍，曾毅

（郑州科技学院信息工程学院，河南郑州 450064）

基于小型PLC的电网智能监测DCS控制器设计

王玉萍，曾毅

（郑州科技学院信息工程学院，河南郑州 450064）

基于传统的电网监测控制器，采用微分线性组合控制方法，通过PLC和执行部件以及数据采集相连，对各分离单元的故障监测效果不好，提出一种基于小型PLC的电网智能监测DCS控制器设计方法。该方法构建电网智能监测系统模型，设计电网智能监测中故障特征信号的采集算法，采用小型PLC可编程逻辑控制器设计DCS电网智能监测分散控制器，对关键电路模块进行设计。仿真实验表明，设计的控制器具有较好的电网故障数据采集性能，对电网的故障检测误差较低，控制精度较高，稳定性好，具有较高的收敛速度，有效保证了电网监测的实时性和准确性。

电网系统；智能检测；控制器设计

电力系统的安全正常运行关系着人民生产生活的稳定。为了实现有序稳定的生活，就必须对最低保障的电力系统实现高性能要求的保障，要实现电网系统的高效实用，最好的办法就是对电网系统的管理进行高效的监测控制，大型电网系统的影响因素多元，控制参数复杂和不确定，容易产生故障，需要对电网进行有效的故障监测和控制，保障电网稳定运行。研究电网的智能检测和控制方法以及对相关控制器的设计受到了人们的广泛关注，分散控制系统（distributed control systems，DCS）是电力电网系统控制的核心，通过DCS控制器设计，实现对点网络系统的各个分离单元的故障和状态特征检测，实现对电网的智能管理和调度。

传统的网络智能检测DCS控制器设计方法中，主要有基于PLC可编程逻辑的电网控制系统、模糊神经网络控制系统、专家控制系统等自组织学习和复合控制方案[1-3]，其中，采用基于小型PLC的可编程逻辑控制系统较为典型，相关的控制器设计方法取得了一定的研究成果。文献[4]提出一种基于自适应模糊控制技术的小型PLC的DCS电网智能检测和故障检测系统，采用专家控制方案实现对电网系统的自适应监测，但该方案的内部存储量较大，执行逻辑运算复杂，应用性不好；文献[5]提出一种基于支持向量机的电网监测DCS控制模块设计技术，在进行自动控制电力网络路由节点故障监测时，由于电力网络路由节点故障源具有慢变幅度特性，导致分离控制性能不好；文献[6]提出基于路由节点故障特征提取的电网智能分离控制器设计方法，采用微分线性组合控制方法，通过PLC和执行部件以及数据采集相连，对各分离单元的故障监测效果不好。

为了克服内部存储量较大，执行逻辑运算复杂，分离控制性能差，检测效果不好等传统方法的弊端，本文提出一种基于小型PLC的电网智能监测DCS控制器设计方法。构建了自动控制电网监测系统模型，提取电网中的故障信号特征，采用小型PLC可编程逻辑控制器件，实现电网智能检测的DCS控制器设计。仿真实验验证了本文设计的DCS控制器的优越性。

1 电网系统模型及特征信号采集

1.1 电网智能监测系统模型

构建电网智能监测系统模型，实现对电网的智能故障监测和管理。电网智能监测系统主要由信号采集模块、故障分析模块和DCS控制模块等构成，系统的设计中用到了2片AD5545芯片，可得到四通道的输出[7-8]，在此给出了其中1片的电路原理图，见图1。

图1 电网智能监测DA转换接口电路Fig.1 Grid intelligent monitoring DA conversion interface circuit

图1中，CSDA1、SDI1、XCLK、SYN为CPLD上的控制信号，/RS为复位信号，当MSB=‘1’时，AD5545内部寄存器中的值被预置为0x8000。电网故障传感数据采集选用安捷伦公司生产的84904和84908，其中84904为细衰减，最小步进1 dB，而84908的最小步进为5 dB，2个级联起来使用，实现可控65 dB的衰减。对84904和84908的控制由FPGA和衰减控制电路2部分来完成。

为了实现对电网的智能监测，要求DCS控制器的衰减器控制信号的电平满足：

1）控制电压较高，需将FPGA的输出抬高至相应电平。

2）PLC输出的控制信号要转换成2路相反的驱动器控制信号来控制驱动器以改变衰减量的数值，使得2个衰减器能完成相应功能。2种衰减器的驱动电路完全相同。在基于小型PLC的DCS控制器DA转换接口电路中，接入电阻使输出电压为0～10 V。VAA为5 V电压输入，VDD、VEE为±15 V电压供电，DGND和AGND分别为数字地和模拟地。

构建DCS电网智能检测DCS分散控制功率放大器，其节点由处理器、射频芯片、外部FLASH、USB桥接芯片和其他外围设备组成，得到控制器的AD输入电压转换电路如图2所示[9-10]。

通过运算放大器AD8674及电阻分压，AD转换的输入电压为

可见，输出电压满足AD转换的输入电压要求。通过对电网智能监测系统模型的描述，实现了对电网智能监测系统模型的总体设计和DA转换电路设计，为进行DCS分散控制器设计奠定基础。

1.2 电网智能监测中故障特征信号的采集算法

为了实现对电网故障和工作状态的智能监测，提取电网正常工作时的数据特征，采集故障数据，与正常工作时的数据特征进行比较，得到电网故障特征目标函数为（定义聚类目标函数）

式中：m为权重指数；n，c为常数；（dik）2为样本xk与Vi的测度距离，用欧式距离表示：

且

为了反映出电网故障数据类群的多样性特征，需要进行故障特征提取，电网电气系统各部门通过故障排查系统进行故障数据的提取和传递，但是，由于信号数据分析的时间与判断的依据非常模糊，所以故障排查的数据较多，准确性也相对较低，从而造成工作人员对电网电气系统异常故障排查的困扰，致使工作人员工作量增多，浪费资源，降低了效率[11-12]。本文设计基于小型PLC可编程逻辑控制的电网故障监测模块，数据采集系统在1.5～2.7 GHz工作频段内具有一定的中频干扰抑制性能，需要对故障信号进行增益扩展，得到电网故障信号的频域特性为

电网节点距离基站的距离采用欧式距离计算：

式中：xi，yi分别为网络监测半径。相对于每个自动控制电力网络节点，电力网络每个路由节点分配一个时间片，使该路由节点在监测点连通性信息表征空间中的竞争集的定义为

通过上述处理，实现电网智能监测中故障特征信号的采集，为实现电网智能监测的DCS控制器设计提供准确的数据基础。

图2 控制器的AD输入电压转换电路Fig.2 The AD input voltage conversion circuit of the controller

2 电网智能监测分散控制器的改进

2.1 控制器设计流程

在进行AD转换模块设计的故障数据采集模块设计的基础上，采用故障特征分析法控制模块设计技术，并利用确定性分叉和边界的全局优化方法提高控制性能，本文采用小型PLC可编程逻辑控制器设计DCS电网智能监测分散控制器，PLC采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，电网智能监测DCS控制器的运行流程图如图3所示。

结合图3，首先进行AD转换初始化，启动定时器，开始AD转换。根据技术指标要求，DA接口为4路，最小分辨率不小于12 bit，且DA输出端加滤波器。硬件系统采用TI公司的TMS320VC5409A和PLX公司的小型PLC为核心构建控制器信号处理系统，通过阻抗匹配与功率激励技术，解决系统整个带宽范围内容抗、感抗匹配等问题。

图3 电网智能监测DCS控制器的运行流程图Fig.3 Flow chart of the grid intelligent monitoring DCS controller

2.2 DCS控制器改进设计关键技术实现

在系统的设计中，通过CPLD编程将PLC发送的并行数据转换为串行输入数据，送入AD5545将数字信号转换为模拟信号。系统的设计中选用AD780来提供参考电压。AD780可提供2.5 V和3 V的参考电压，当8脚接地时产生3 V的电压，不接时产生2.5 V电压。DCS控制器的参考电压产生电路如图4所示。

图4 DCS控制器参考电压产生电路Fig.4 DCS controller reference voltage generating circuit

因对SPWM控制环节而言，输入信号是正弦波信号，可等效为SPWM调制电压，当电流误差信号到达功率开关后，需要接一个等效比例系数为K的比例环节。信号经主频放大器输出，经三级主频放大器放大15倍，宽带电压通常测量稳定性，为避免多信号输出功率测量时的误差，采用负载阻抗宽带激励机制，宽带阵纯阻部分在频带内变化很大，得到控制器的激励电压：

式中：SL为满足要求时的电网干扰指数为电网差异信息的能量增益。在电网智能监测分散控制器设计中，电网故障系统检测装置为PLC供电的电源电压为5 V，采用专业基准源芯片PLC来产生参考源Vref，PLC可编程逻辑控制IO口P17是用于AD所需始终信号输出的，VIN和LIN是由电压和电流信号调理电路产生的，可以利用等频线性的控制方法，使电感中的电流纹波相互抵消。接收信号S1经自适应噪声抵消来虚弱其中的直耦信号T1，进而增强信噪比，通过自适应噪声抵消后的信号经带通滤波后进行能量检测处理。通过对DCS控制器的分析可知，采用本文设计的DCS控制器，偏置电流的存在使得电路中始终具有连续电流，此时，电路中不存在非线性的电流断续区，可以提高对电网监测实效性。将代码写入可编程逻辑器件PLC中，实现电网智能监测控制优化，关键代码为

3 仿真实验与性能分析

为了测试本文设计的基于小型PLC的电网智能监测DCS控制器的性能，进行实验分析。仿真实验采用Matlab作为仿真软件，计算机型号为Lenovo KM400，处理器为AMD Athlon 1.83 GHz，2 GB内存，主频为DDR 333。选用Machine库中DCS电网智能检测DCS分散控制系统作为被控对像，构建DCS分散控制器系统电路，进行AD转换初始化，启动定时器，开始AD转换，电源输入幅值0～5 V，经过信号调理电路变为0～3 V送入DSP2812内部AD进行采样，AD输入端口增加了过压保护电路。差分正信号通过一个1.5 kΩ的电阻与PU连接，DCS控制器外扩了一个256 kb×16 b的SRAM（12 ns）用于采样时存储大量数据。DSP内部自带128 kb×16 b的FLASH用于保存程序，在仿真实验中一般足够使用。本文设计的1.25 V门限检测器用于电源故障报警、低电池检测或+5 V以外的电源的监控。对电网监测故障信号彩金等额时间间隔为Tf，信道带宽为Ts=NfTf，设置Nf= 25，Tf=100 ns，Tc=2 ns，得到信号采集时域波形如图5所示。由图5可知，采用本文设计的电网智能监测中故障特征信号的采集方法，具有较好的电网故障数据采集性能，为进行电网智能检测提供了准确的数据基础。

图5 电网智能检测中故障数据采集结果Fig.5 Data acquisition result of the intelligent detection of power grids

根据电网智能检测中故障数据采集结果，采用本文设计的DCS控制器进行电网故障数据的分析和智能控制仿真，得到采用本文设计的DCS分散控制器在不同的监测时间节点下对电网的故障监测分析仿真结果如图6所示。由图6可知，采用本文设计的DCS控制器，对电网的故障检测误差较低，控制精度较高，仅需要较少的信号点数，且迭代收敛过程快，大概50次基本上就趋于稳定，展示本文设计的分散DCS控制器的优越性能。（图6中：红色线表示t12时的误差迭代曲线，深蓝色线表示t13时的迭代曲线，青绿色线表示t14时的迭代曲线。）

图6 DCS分散控制监测误差分析Fig.6 Error analysis of the DCS distributed control monitoring

4 结语

对电网进行有效的故障监测和控制，保障电网稳定运行，通过DCS控制器设计，实现对点网络系统的各个分离单元的故障和状态特征检测，实现对电网的智能管理和调度。本文提出一种基于小型PLC的电网智能监测DCS控制器设计方法，构建了自动控制电网监测系统模型，提取电网中的故障信号特征，采用小型PLC可编程逻辑控制器件，实现电网智能检测的DCS控制器设计。仿真实验结果表明，采用本文方法，具有较好的电网故障数据采集性能，对电网的故障检测误差较低，控制精度较高，稳定性好，收敛速度较快，保证了电网监测的实时性和准确性。

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Design of Power Grid Intelligent Monitoring DCS Controller Based on Small PLC

WANG Yuping，ZENG Yi
（School of Information Engineering，Zhengzhou University of Science and Technology，Zhengzhou 450064，Henan，China）

The grid monitoring controller which uses the traditional differential linear combination control method and is connected through the PLC and executive component and data acquisition is used to monitor the faults of the separate units，but the result is not good enough.In view of this issue，this paper proposes the design of a grid intelligent monitoring DCS（distributed control systems）controller based on the small PLC.With this method，the grid intelligent monitoring system model is constructed，the acquisition algorithm of fault feature signals in the monitoring is designed，and the small PLC programmable logic controller is used to design the DCS grid intelligent monitoring decentralized controller and the key circuit module.The corresponding simulation results show that the controller designed with the method proposed in the paper has satisfactory power system fault data acquisition，low fault detection error，high control precision as well as good stability，and it also has higher convergence speed，and can effectively guarantee the real-time and accuracy of the power grid monitoring.

power system；intelligent detection；controller design

2016-04-24。

王玉萍（1979—），女，硕士，副教授，主要研究领域为计算机软件；

（编辑 董小兵）

河南省软科学研究项目（KJ1306024）。

Project Supported by the Soft Science Research Program of Henan Province（KJ1306024）.

1674-3814（2016）12-0051-06

TM762

A

曾 毅（1980—），男，硕士，副教授，主要研究方向为计算机应用。