基于PLC的直流應(yīng)急電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣曉彬 張倩文 陳 坤 魯志康

(紹興文理學(xué)院 工學(xué)院，浙江 紹興312000)

直流電源是變電站的重要工作電源和備用電源，為變電站的控制系統(tǒng)、動(dòng)力設(shè)備、通信系統(tǒng)、儀器儀表、保護(hù)裝置等直流負(fù)荷提供電力保障.變電站一旦失去穩(wěn)定的直流電源，不但會(huì)引發(fā)繼電保護(hù)設(shè)備和高壓一次設(shè)備的誤動(dòng)，還可能導(dǎo)致通訊設(shè)備故障，致使遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓.同時(shí)，在直流系統(tǒng)改造過程中，采用的RTU設(shè)備一般難以實(shí)現(xiàn)過程的實(shí)時(shí)通訊、信息反饋和智能監(jiān)控[1].因此，研究設(shè)計(jì)一種智能的移動(dòng)式直流應(yīng)急電源，對(duì)于在變電站出現(xiàn)故障或直流設(shè)備改造時(shí)提高故障搶修速度和減少改造風(fēng)險(xiǎn)具有十分重要的意義.現(xiàn)有的直流應(yīng)急裝置多由便攜式充電設(shè)備、蓄電池組和直流饋電屏等三部分組成.目前，大部分關(guān)于直流應(yīng)急電源的研究多集中在直流系統(tǒng)性能改善、充電機(jī)和蓄電池可靠性提高、以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改善等方面[2-3]；當(dāng)前所使用的直流應(yīng)急裝置由于缺乏必要的監(jiān)測(cè)和控制功能，導(dǎo)致過程運(yùn)行參數(shù)和故障信息難以實(shí)時(shí)顯示和上傳，必須工作在現(xiàn)場(chǎng)有人監(jiān)視的情況下，因而實(shí)用性不強(qiáng).針對(duì)移動(dòng)式直流應(yīng)急裝置的智能化改造問題，提出了一種以可編程序控制器(PLC)、觸摸屏為核心的智能監(jiān)控方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、過程智能控制和故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)，從而提高裝置運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性.該設(shè)計(jì)方案利用了PLC可靠性高、功能強(qiáng)、體積小，以及觸摸屏可圖形化顯示、人機(jī)交互性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4-6]，符合系統(tǒng)控制要求和技術(shù)趨勢(shì)，其理論和實(shí)用意義均十分明顯.

1 智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，移動(dòng)式直流應(yīng)急裝置的智能監(jiān)控系統(tǒng)以PLC為核心，利用PLC的數(shù)字量和模擬量輸入口接收傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)得到的蓄電池、整流模塊開關(guān)狀態(tài)等數(shù)字量和母線電壓、蓄電池電壓等模擬量，實(shí)時(shí)輸出至觸摸屏圖形化顯示；同時(shí)結(jié)合觸摸屏設(shè)定的工況參數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，自適應(yīng)判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀況，對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)報(bào).

1.2 硬件選擇與I/O分配

作為智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心，PLC的選擇至關(guān)重要.本系統(tǒng)采用的臺(tái)達(dá)DVP-PLC在性價(jià)比方面具有一定優(yōu)勢(shì).同時(shí)，選用了Weinview公司的觸摸屏MT6070IH.具體的PLC與觸摸屏之間的連接以及PLC的I/O端口分配如圖2和表1所示.

表1 I/O分配表

輸入功 能輸出功 能輸出功 能X0蓄電池回路開關(guān)Y100蓄電池電流異常告警Y132整流模塊故障開關(guān)X1充電裝置輸出開關(guān)Y110蓄電池電壓異常告警Y134電源自動(dòng)切換X2充電裝置輸入開關(guān)Y120充電裝置電流異常告警Y152饋線開關(guān)X3整流模塊故障信號(hào)Y130充電裝置電壓異常告警Y140母線電壓異常告警X4電源自動(dòng)切換開關(guān)Y102蓄電池回路開關(guān)Y048V標(biāo)稱電壓輸出X5系統(tǒng)接地信號(hào)Y122充電裝置輸出開關(guān)Y1110V標(biāo)稱電壓輸出X6饋線開關(guān)Y124輸入開關(guān)Y2220V標(biāo)稱電壓輸出

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

直流應(yīng)急電源智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括人機(jī)界面設(shè)計(jì)、PLC梯形圖設(shè)計(jì)和智能監(jiān)控算法設(shè)計(jì).

2.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)安全等級(jí)，所設(shè)計(jì)的人機(jī)界面設(shè)有安全窗口、公共窗口和操作窗口.其中，公共窗口僅提供日期、時(shí)間、系統(tǒng)工作狀態(tài)等查詢服務(wù)，安全窗口則負(fù)責(zé)對(duì)其它界面窗口進(jìn)行安全管理，用戶只有輸入預(yù)設(shè)的密碼才能進(jìn)入控制窗口進(jìn)行參數(shù)電壓設(shè)定和監(jiān)控策略選擇.

系統(tǒng)界面如圖3所示，操作窗口中設(shè)有主菜單、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)查詢、曲線顯示、系統(tǒng)告警和幫助等界面.其中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊定時(shí)從傳感器讀取對(duì)應(yīng)參數(shù)的實(shí)際值，并實(shí)時(shí)傳送至觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)PLC根據(jù)設(shè)定參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷.參數(shù)設(shè)定模塊是設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)的給定量和其極限值；數(shù)據(jù)查詢模塊主要是根據(jù)用戶的查詢?nèi)掌诓樵儦v史數(shù)據(jù)和歷史事件，顯示其歷史趨勢(shì)曲線、歷史報(bào)警事件和登陸事件等；實(shí)時(shí)曲線圖形化顯示檢測(cè)參數(shù)的時(shí)變趨勢(shì)曲線，并根據(jù)其參數(shù)極限值的范圍顯示極限曲線，用戶可對(duì)其參數(shù)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視；系統(tǒng)幫助則用于介紹系統(tǒng)的總體功能以及操作步驟.

2.2 PLC梯形圖設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)主要有初始化、自診斷和主程序等模塊.其中，初始化模塊包括通訊參數(shù)和控制參數(shù)的初始化；自診斷模型則主要用于測(cè)試和診斷主要系統(tǒng)參數(shù)是否正常；主程序內(nèi)部包括通訊、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集、故障診斷等多個(gè)子模塊，對(duì)實(shí)時(shí)采集到的輸入量進(jìn)行智能判別.

系統(tǒng)中模擬量輸入模塊為DVP-04AD-S，該模塊有4路模擬量輸入，其中電壓輸入信號(hào)為0～10 V，電流輸入信號(hào)為4～20 mA.每一路都可以設(shè)置成電壓輸入或者是電流輸入，共有4種模式可以選擇，本系統(tǒng)采用電壓信號(hào)輸入模式，并在程序初始化程序里設(shè)置好需要使用的模擬量輸入模式.如，要把第一路模擬通道設(shè)置成模式1(電壓輸入為-10～+10 V)，將OFFSET值設(shè)置為0 V，GAIN值設(shè)置為2.5 V，其程序如圖4所示.

2.3 智能監(jiān)控算法

系統(tǒng)采用分層監(jiān)控策略，首先設(shè)定參數(shù)上下限，對(duì)每一個(gè)監(jiān)測(cè)變量進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)測(cè)；其次，考慮到部分參變量之間的耦合性和相關(guān)性，利用主元分析法(Principle Component Analysis，PCA)[7-8]進(jìn)行故障診斷，其流程如圖5所示.步驟如下：首先在模型訓(xùn)練過程中利用歷史樣本選取主元變量，計(jì)算得到相應(yīng)的過程統(tǒng)計(jì)量T2和殘差統(tǒng)計(jì)量SPE在95%置信度下的控制限；然后計(jì)算新樣本的T2和SPE統(tǒng)計(jì)量來判定是否存在故障.具體算法可參見文獻(xiàn)[7-8].

3 結(jié)論

在設(shè)計(jì)過程中，采用PLC和觸摸屏分別作為系統(tǒng)的控制器和顯示屏，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，有效增強(qiáng)了人機(jī)交互能力和系統(tǒng)的可操作性，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.同時(shí)，引入的固定參數(shù)值和主元分析法(PCA)的參數(shù)控制限估計(jì)方法，有效提高了系統(tǒng)可靠性和故障監(jiān)測(cè)能力.

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