基于PLC的箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

賈瀾，苗紅霞

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇常州，213000)

基于PLC的箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

賈瀾，苗紅霞

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇常州，213000)

本文基于可編程控制器（PLC）和以太網(wǎng)實現(xiàn)了箱式變電站的監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)用PLC作為下位機的執(zhí)行中心，用CP243-1作為以太網(wǎng)通信的核心元件，用組態(tài)王建立了上位機監(jiān)控子系統(tǒng)，實現(xiàn)了對箱式變電站的智能監(jiān)控，保證了供電系統(tǒng)的正常運行。

箱式變電站；PLC；CP243-1；組態(tài)王；智能監(jiān)控

0 引言

上世紀80年代我國開始研究箱式變電站，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今箱式變電站技術(shù)已經(jīng)非常成熟。箱式變電站由高壓開關(guān)柜室，低壓開關(guān)柜室，變壓器室組成，由于它占地面積小、可移動，安裝方便，經(jīng)濟性較好等優(yōu)點，得到廣泛的使用，其“可遙測，可遙控，可遙信，可遙調(diào)”等特點使得它成為供電系統(tǒng)自動化的有力保障[1-3]。為了提高供電質(zhì)量，保證供電系統(tǒng)的正常運行，當(dāng)出現(xiàn)故障時，箱式變電站應(yīng)該把供電站工作狀態(tài)實時發(fā)送給供配電中心，以便供電局能夠快速判斷系統(tǒng)故障，遠程排除故障，從而恢復(fù)電力的供應(yīng)。針對這一問題，有不少學(xué)者提出了解決方案。文獻[4]提出了一種基于S7-200可編程邏輯控制器(PLC)的中小型變電站監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建方法。文獻[5]采用GE-9030PLC，構(gòu)成劉莊變電站PLC運動監(jiān)控系統(tǒng)。為了實現(xiàn)對箱式變電站的智能監(jiān)控，減少對其檢修次數(shù)，節(jié)約資源，提高供電系統(tǒng)的智能化管理水平，本文介紹了一種基于PLC和以太網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

箱式變電站的監(jiān)測數(shù)據(jù)使用網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，通過西門子的以太網(wǎng)通信擴展模塊CP243-1實現(xiàn)S7-200PLC與高壓開關(guān)柜、變壓器室和低壓開關(guān)柜室設(shè)備的通信與控制，再通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)把箱式變電站現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心，從而達到遠程監(jiān)控的目的。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。基于PLC的箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計主要實現(xiàn)以下功能：①設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)；②視頻監(jiān)控系統(tǒng)；③報警系統(tǒng)；④實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并傳送到控制中心。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于PLC的箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

（1）CPU224，是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心。作為現(xiàn)場前置機，采集箱式變電柜及饋線的遙信、遙調(diào)信息，與智能儀表通信獲取遙測信息，通過隔離繼電器遙控輸出。

（2）MCGS觸摸屏與CPU224其中的一個PPI通信口通信，實時顯示變電站運行信息，設(shè)置參數(shù)以及提供多種現(xiàn)場操作方式。

（3）智能電力總線儀表，進行三相電量數(shù)據(jù)的采集，包括三相電壓電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等，所有的智能儀表組成RS485現(xiàn)場總線網(wǎng)，以MODBUS規(guī)約數(shù)據(jù)包的形式與PLC進行通信。

（4）CP243-1模塊，該模塊支持工業(yè)以太網(wǎng)通信，它提供了一個標(biāo)準的RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，完全支持TCP/IP協(xié)議，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、光纖傳輸，與上位機組成網(wǎng)絡(luò)，可在上位機進行監(jiān)控、報表打印、遠程報警、編程等工作。

（5）繼電保護器，包括過電流、過電壓繼電器，輸入輸出隔離用的繼電器。

（6）模擬量輸入模塊（EM231）具有4路或8路模擬量輸入通道，每個通道占用存儲器AI區(qū)域2個字節(jié)。該模塊的模擬量輸入值為只讀數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件設(shè)計分為PLC軟件設(shè)計和上位機組態(tài)界面設(shè)計。PLC軟件設(shè)計部分主要包括主程序設(shè)計與通信程序設(shè)計。主程序主要包括參數(shù)運算、數(shù)據(jù)傳輸、操作數(shù)控制、開關(guān)量控制以及定時器等。通信程序主要包括對CP243-1的組態(tài)子程序和智能電力儀表的通信子程序等。

3.1 通信程序設(shè)計

（1）CP243-1以太網(wǎng)模塊組態(tài)通信子程序

以太網(wǎng)向?qū)軌蚍浅７奖愕膶P243-1以太網(wǎng)組態(tài)，向?qū)梢院髸赏ㄐ抛映绦颍谥鞒绦蛑兄灰粩嗾{(diào)用子程序，S7-200PLC就能實現(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信。

（2）智能電力總線儀表RS485通信子程序

所有的智能電力儀表組成RS485總線網(wǎng)絡(luò)，以MODBUS通信協(xié)議與PLC通信。CPU224的RS485通信接口能夠與外接設(shè)備自由通信，對PLC編程實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。在程序中，采用“輪回時間片”的調(diào)用方式，即每次與設(shè)備通信時設(shè)立一個時間片，在該時間片里，設(shè)備可以與PLC實現(xiàn)通信。在通信過程中，調(diào)用字符中斷子程序，在字符中斷子程序中，設(shè)立計數(shù)器對通信字符計數(shù)，如果在該時間片里，字符沒有達到規(guī)定字符，則認為該次通信失敗，字符中斷退出，下一個設(shè)備通信準備[6]。系統(tǒng)通信的程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)通信程序流程圖

3.2 上位機組態(tài)界面設(shè)計

人機交互界面的設(shè)計是箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計、視頻監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計以及報警系統(tǒng)界面設(shè)計。良好的人機交互設(shè)計能夠大大地提高工作效率。

3.2.1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計主要包括：高壓開關(guān)柜監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計和SF6監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計。

（1）高壓開關(guān)柜監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計

高壓開關(guān)柜監(jiān)控界面如圖4所示。高壓開關(guān)柜監(jiān)控界面主要監(jiān)測的是高壓開關(guān)柜的參數(shù)數(shù)據(jù)、各開關(guān)的動作狀態(tài)以及手動，自動控制方式等[7]。

圖4 高壓開關(guān)柜監(jiān)控界面

圖5 SF6監(jiān)控系統(tǒng)界面

（2）SF6監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計

在箱式變電站中，使用了大量的SF6高壓開關(guān)設(shè)備，當(dāng)設(shè)備運行以后，由于高電壓放電的作用，會導(dǎo)致SF6分解成一系列的有毒氣體（SO2，SF2等）。SF6監(jiān)控系統(tǒng)實時記錄SF6氣體各項指標(biāo)，SF6監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖5所示。

3.2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計

視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)箱式變電站里多角度的監(jiān)控。攝像頭的云臺控制，實時監(jiān)控箱式變電站周圍環(huán)境，可回放視頻，并提供遠程協(xié)助維護箱式變電站的接口，能夠提高工作效率，維護箱式變電站的安全。組態(tài)王提供了視頻監(jiān)控插件，使用組態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)快速、方便地實現(xiàn)監(jiān)控，并能節(jié)省運行時間。圖6為視頻監(jiān)控界面。

3.2.3 報警系統(tǒng)界面設(shè)計

箱式變電站上位機的報警系統(tǒng)是整個上位機自動化運行的核心。報警系統(tǒng)利用采集到箱式變電站運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)進行處理，通過聲光、指示燈、語音等一系列方式在監(jiān)控畫面上顯示處理報警信息的方法，提醒系統(tǒng)管理員，使其做出迅速而又合理的反應(yīng)，從而保障系統(tǒng)的正常運行。報警系統(tǒng)能夠查詢指定時間段的報警信息，自動打印報表信息為管理員在系統(tǒng)維護與定期檢修時提供依據(jù)[8]。報警類型包括聲光報警，視頻報警，實時報警，以及歷史報警等。報警界面如圖7所示。

4 結(jié)論

本文采用西門子200PLC、多種傳感器以及組態(tài)王建立了箱式變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，人機界面友好，實現(xiàn)了對箱式變電站的智能監(jiān)控，節(jié)約了電網(wǎng)資源，保證了供電系統(tǒng)的正常運行，提高了箱式變電站的自動化水平。

圖6 視頻監(jiān)控界面

圖7 報警界面

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Design of box substation monitoring system based on PLC

Jia Lan, Miao Hongxia
(College of Internet of things engineering, Hohai University,Changzhou Jiangsu,213000)

A monitoring system of box substation was realized based on programmable controller (PLC) and Ethernet in this paper. In the monitoring system, PLC was used as the implementation center of lower computer.CP243-1 was used as the core component of Ethernet communication. The host computer monitoring subsystem was established using King View. The intelligent monitoring of the box substation was achieved to ensure the normal operation of the power supply system.

Box substation; PLC;CP243-1; King View; intelligent monitoring

常州市科技攻關(guān)項目（CE20150086）