基于PLC的箱式變電站監控系統設計

賈瀾，苗紅霞

（河海大學物聯網工程學院，江蘇常州，213000)

基于PLC的箱式變電站監控系統設計

賈瀾，苗紅霞

（河海大學物聯網工程學院，江蘇常州，213000)

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

箱式變電站；PLC；CP243-1；組態王；智能監控

0 引言

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

1 系統總體設計

箱式變電站的監測數據使用網絡進行傳輸，本系統采用以太網傳輸協議，通過西門子的以太網通信擴展模塊CP243-1實現S7-200PLC與高壓開關柜、變壓器室和低壓開關柜室設備的通信與控制，再通過以太網網絡把箱式變電站現場采集的數據傳輸到遠程監控中心，從而達到遠程監控的目的。系統框架結構圖如圖1所示。基于PLC的箱式變電站監控系統設計主要實現以下功能：①設備狀態監控系統；②視頻監控系統；③報警系統；④實現數據通信，并傳送到控制中心。

2 系統硬件設計

基于PLC的箱式變電站監控系統硬件結構如圖2所示。

圖1 系統框架結構圖

圖2 系統硬件結構圖

（1）CPU224，是整個監控系統的核心。作為現場前置機，采集箱式變電柜及饋線的遙信、遙調信息，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，設置參數以及提供多種現場操作方式。

（3）智能電力總線儀表，進行三相電量數據的采集，包括三相電壓電流、有功功率、無功功率、功率因數等，所有的智能儀表組成RS485現場總線網，以MODBUS規約數據包的形式與PLC進行通信。

（4）CP243-1模塊，該模塊支持工業以太網通信，它提供了一個標準的RJ45網絡接口，完全支持TCP/IP協議，經光電轉換、光纖傳輸，與上位機組成網絡，可在上位機進行監控、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區域2個字節。該模塊的模擬量輸入值為只讀數據。

3 系統軟件設計

該系統軟件設計分為PLC軟件設計和上位機組態界面設計。PLC軟件設計部分主要包括主程序設計與通信程序設計。主程序主要包括參數運算、數據傳輸、操作數控制、開關量控制以及定時器等。通信程序主要包括對CP243-1的組態子程序和智能電力儀表的通信子程序等。

3.1 通信程序設計

（1）CP243-1以太網模塊組態通信子程序

以太網向導能夠非常方便的對CP243-1以太網組態，向導生成以后會生成通信子程序，在主程序中只要不斷調用子程序，S7-200PLC就能實現以太網網絡通信。

（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總線網絡，以MODBUS通信協議與PLC通信。CPU224的RS485通信接口能夠與外接設備自由通信，對PLC編程實現系統的功能。在程序中，采用“輪回時間片”的調用方式，即每次與設備通信時設立一個時間片，在該時間片里，設備可以與PLC實現通信。在通信過程中，調用字符中斷子程序，在字符中斷子程序中，設立計數器對通信字符計數，如果在該時間片里，字符沒有達到規定字符，則認為該次通信失敗，字符中斷退出，下一個設備通信準備[6]。系統通信的程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統通信程序流程圖

3.2 上位機組態界面設計

人機交互界面的設計是箱式變電站監控系統的重要組成部分，主要包括設備狀態監控系統界面設計、視頻監控系統界面設計以及報警系統界面設計。良好的人機交互設計能夠大大地提高工作效率。

3.2.1 設備狀態監控系統界面設計

設備狀態監控系統界面設計主要包括：高壓開關柜監控系統界面設計和SF6監控系統界面設計。

（1）高壓開關柜監控系統界面設計

高壓開關柜監控界面如圖4所示。高壓開關柜監控界面主要監測的是高壓開關柜的參數數據、各開關的動作狀態以及手動，自動控制方式等[7]。

圖4 高壓開關柜監控界面

圖5 SF6監控系統界面

（2）SF6監控系統界面設計

在箱式變電站中，使用了大量的SF6高壓開關設備，當設備運行以后，由于高電壓放電的作用，會導致SF6分解成一系列的有毒氣體（SO2，SF2等）。SF6監控系統實時記錄SF6氣體各項指標，SF6監控系統界面如圖5所示。

3.2.2 視頻監控系統界面設計

視頻監控系統能夠實現箱式變電站里多角度的監控。攝像頭的云臺控制，實時監控箱式變電站周圍環境，可回放視頻，并提供遠程協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。組態王提供了視頻監控插件，使用組態能夠實現快速、方便地實現監控，并能節省運行時間。圖6為視頻監控界面。

3.2.3 報警系統界面設計

箱式變電站上位機的報警系統是整個上位機自動化運行的核心。報警系統利用采集到箱式變電站運行狀態的數據進行處理，通過聲光、指示燈、語音等一系列方式在監控畫面上顯示處理報警信息的方法，提醒系統管理員，使其做出迅速而又合理的反應，從而保障系統的正常運行。報警系統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維護與定期檢修時提供依據[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 結論

本文采用西門子200PLC、多種傳感器以及組態王建立了箱式變電站智能監控系統。經過現場調試，系統運行穩定，人機界面友好，實現了對箱式變電站的智能監控，節約了電網資源，保證了供電系統的正常運行，提高了箱式變電站的自動化水平。

圖6 視頻監控界面

圖7 報警界面

[1]俞海珍,史旭華,藍林花.基于組態技術的PLC實驗教學平臺設計與實現[J].寧波大學學報(理工版),2010,01:42-45.

[2]張學軍,劉海波,回文靜.組態技術在PLC實驗中的應用[J].河北工程技術高等專科學校學報,2010,04:36-38+41.

[3]姜建芳,劉吟,鄧明鑒,黃輝.基于西門子S7-200的PLC實驗系統設計[J].實驗室研究與探索,2008,08:203-206+222.

[4]趙朝陽, 史麗萍. 基于PLC變電站監控自動化的研究與實現[J].電器與能效管理技術,2006(6):23-26.

[5]楊曉旺. PLC電力遠動監控系統用于無人值班變電站[J].供用電,1999(2):24-25.

[6]李春旭,石紅信,李強,朱宗平.智能化箱式變電站測控系統的設計[A].中國接卸工程學會、中國焊接協會.[第十一次全國焊接會議論文集（第2冊）[C].中國焊接協會，2005:3.

[7]雷登峰,趙孟文.步進電機的可編程控制器控制[J].科技信息,2013,11:115+168.

[8]范為杰,劉賢興,施凱,張云龍.基于ZigBee-GPRS的箱式變電站監控系統[J].自動化與儀表,2014,05:17-21.

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

常州市科技攻關項目（CE20150086）