大學校園配電網遠程監控系統設計

陳文科

（長沙民政職業技術學院電子信息工程學院，湖南長沙，410004）

高等院校配電網承擔著將電能分配至各用電單位的任務，是確保校園電力系統正常運行的重要環節，對其進行監測具有重要意義[1]。對于建設較早的高校，校園配電網的監測主要通過人工完成，采用專人定時定點對配電網進行巡檢，具有勞動強度大、工作效率低等不足[2]。隨著自動控制技術的快速發展，部分高校逐步對其配電網監測系統進行了升級改造，以PLC為監測系統核心，構建了自動化配電監測系統，一定程度上優化了傳統配電網監測系統，但不具備遠程監測能力，其智能程度有待提升[3-4]。針對上述不足，本文設計了基于PLC+無線通信技術的校園配電網智能監控系統，實現了校園配電網的本地監控和遠程監控。

1 系統總體設計

本文設計的大學校園配電網智能監控系統由感知層、傳輸層和應用層組成，其總體結構如圖1所示。感知層由基于現場總線的配電網測控單元及感知層主控PLC構成，主要實現對配電網主要斷路器工作狀態、配電網電流、電壓、功率等參數的測量，并能根據應用層所下達的控制命令實施對配電網現場設備的運行控制。傳輸層由PLC無線通信模塊構成，主要實現感知層與應用層之間的監測信息的傳輸。應用層由安裝有監控軟件的計算機構成，實現對配電網的遠程可視化監控。

圖1 系統總體結構圖

系統工作過程如下：感知層的主控PLC通過現場總線獲取配電網信息，經過處理、運算后由傳輸層的PLC無線模塊發送至互聯網，應用層的上位機可以通過監控軟件實時顯示配電網各類參數。此外，用戶可以通過監控軟件下達控制命令，實現對現場配電設備的控制。

2 系統硬件設計

■2.1 感知層硬件設計

感知層硬件主要負責對配電網現場信息進行采集、執行應用層下達的控制命令，其主控PLC運行是否穩定可對整個系統至關重要。主控PLC品牌工業生產中應用廣泛的德國西門子PLC。根據系統總體方案，主控PLC與各測控單元采用現場總線進行信息交互，進一步確定主控PLC需具有總線功能。結合主控PLC對運算能力、運算速度等方面的要求，確定采用結構緊湊的S7-1200 PLC。

感知層測控單元要求既能對配電網現場參數進行采集，還能控制配電網現場設備，且具有現場總線通信功能。配電網現場參數包括主要斷路器的通斷狀態、電流、電壓、環境溫濕度等，涵蓋數字量信號、模擬量信號，要求測控單元既有數字量輸入功能，還需有模擬量輸入功能。配電網設備控制一般要求數字量輸出控制。綜合上述要求，考慮與主控PLC通信的便利性，測控單元采用西門子S7-1200 PLC+PROFINET總線擴展模塊的結構形式，具體如圖2所示。PROFINET總線擴展模塊采用南京實點電子科技有限公司PROFINET一體式I/O，其特點是占用空間少，傳輸速率可達100Mb/s，傳輸距離可達100m。本文中采用的數字量輸入模塊型號為PN4-1600B，數字量輸出模塊型號為PN4-0012J，模擬量輸入型號分別為電流模擬量輸入PN4-A40I和電壓型模擬量輸入PN4-A40V。

圖2 測控單元硬件結構

■2.2 傳輸層硬件設計

傳輸層硬件的功能是實現主控PLC與遠程監控系統之間的信息交互，是信息交互的中介。根據功能要求，網絡層硬件要求既能與PLC進行通信，又能與外網進行通信，采用專用的PLC無線通訊模塊可實現該功能。本文中采用PLC無線通訊模塊為廣州市巨控電子科技有限公司所生產的GRM530，該模塊可以通過以太網與S7-1200 PLC進行信息交互，采用4G無線技術與外網進行信息交互，具體參數如表1所示。

表1 GRM530典型參數

■2.3 I/O地址分配

根據系統硬件設計方案，感知層PLC主要負責讀取各個傳感器數據并進行轉換，其 I/O地址分配如表2所示。

表2 感知層PLC I/O分配表

3 系統程序設計

■3.1 感知層PLC程序設計

西門子S7-1200 PLC采用博圖軟件進行編程，在進行程序設計前，需要根據系統硬件進行組態。將南京實點電子科技有限公司PROFINET一體式I/O所對應的GSD文件導入博圖軟件，根據感知層硬件電路完成設備組態，具體組態如圖3所示。

圖3 硬件組態圖

感知層PLC程序的功能是實現對現場傳感器信號采集、轉換及發送，其程序流程圖4所示。

圖4 PLC程序流程圖

本文以三相電壓采集及發送為例，具體分析其程序程序設計。三相電壓采集及處理程序如圖5所示。采用標準化指令NORM_X將采集信號歸一化為0.0～1.0之間的浮點數，采用縮放指令SCALE_X將歸一化后的浮點數據轉換為電壓值。

圖5 電壓信號采集程序

三相電壓發送程序如圖6所示。采用基于CPU集成的開放式用戶通信，通過TSEND指令定時發送三相電壓。

圖6 壓信號發送程序

■3.2 遠端監控程序設計

圖7 上位機監控界面

PLC無線通訊模塊GRM530支持力控、昆侖通態、WINCC等多種組態軟件，組態軟件能夠通過巨控OPC Server獲取配電網現場信息或實現對現場配電設備的操作。由于感知層硬件核心為西門子PLC，采用廣泛應用于工業控制領域的集生產自動化與控制自動化的可視化軟件博圖開發上位機監控界面。上位機監控界面如圖7所示，主要包括設備狀態、設備管理、報表數據及報警歷史等頁面。

4 結語

針對傳統大學校園配電網監控系統存在的操作人員勞動強度大、工作效率低等不足，設計了基于西門子S7-1200 PLC+巨控PLC無線通信模塊GRM530的配電網遠程監控系統。該系統采用感知層、傳輸層及應用層的三層結構，感知層與傳輸層通過PROFINET總線技術互聯，傳輸層與應用層通過無線通信技術及OPC技術互聯，實現了配電網各部分現場參數的遠程采集和配電網設備的遠程控制，為配電網無人值守提供了一定的參考。