基于PLC的電力供電系統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)

尹 亮，陳貴鳳，楊曉龍，侯天仁

（1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，銀川 750001；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，北京 100192)

0 引言

經(jīng)濟高速發(fā)展背景下，電力供電系統(tǒng)趨于智慧化以及規(guī)模化發(fā)展，電力供電系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)量急劇增加。電力供電系統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)作為高新技術(shù)，受到眾多研究學(xué)者的關(guān)注。電力供電系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的日益成熟，人們對電力供電系統(tǒng)的自動化監(jiān)控提出了更高的要求。研究學(xué)者們致力于優(yōu)化電力供電系統(tǒng)自動化監(jiān)控技術(shù)，智能化控制技術(shù)在該領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

PLC技術(shù)是工業(yè)自動化技術(shù)中的重要技術(shù)，PLC技術(shù)具有較高的控制性能，PLC技術(shù)是利用單片機實現(xiàn)系統(tǒng)控制的重要技術(shù)。PLC技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于自動化控制以及供配電系統(tǒng)中。電力供電系統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的PLC技術(shù)不僅應(yīng)該具有高效的控制性能，同時還應(yīng)滿足電力供電系統(tǒng)的擴展性需求[1]。為了令PLC技術(shù)更好地適應(yīng)電力供電系統(tǒng)自動化監(jiān)控的控制需求，用戶可以利用自主選擇方式選擇系統(tǒng)應(yīng)用模塊，滿足電力供電系統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)的多樣化需求。將PLC技術(shù)應(yīng)用于電力供電系統(tǒng)自動化監(jiān)控中，提升電力供電系統(tǒng)自動化監(jiān)控的工作效率。電力供電系統(tǒng)管理人員可以依據(jù)自動化監(jiān)控結(jié)果，調(diào)整電力系統(tǒng)供配電情況，改善電力供電系統(tǒng)的供配電質(zhì)量。通過自動化監(jiān)控系統(tǒng)，實時發(fā)現(xiàn)電力供電系統(tǒng)運行中存在的異常，避免電力供電系統(tǒng)出現(xiàn)安全風(fēng)險。

目前針對電力系統(tǒng)故障控制以及電壓調(diào)節(jié)的研究較多，崔明勇等人將FOPI+FOPD控制器應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)中[2]；甘國曉等人針對電力系統(tǒng)的故障控制，采用概率論的方式展開研究[3]。以上兩種方法可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)以及故障控制，但是無法實現(xiàn)電力系統(tǒng)的全方位監(jiān)控。研究基于PLC的電力供電系統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)，通過系統(tǒng)測試驗證所設(shè)計系統(tǒng)可以實現(xiàn)電力供電系統(tǒng)的全方位監(jiān)控，提升電力供電系統(tǒng)的運行可靠性。

1 電力供電系統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

所設(shè)計基于PLC的電力供電系統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

通過圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可以看出，通過數(shù)據(jù)采集模塊采集測控設(shè)備、保護設(shè)備、電度表等電力供電系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，利用通信模塊傳送至PLC控制模塊，依據(jù)用戶的監(jiān)控需求，通過PLC可編程邏輯控制芯片將用戶所需的自動化監(jiān)控結(jié)果利用監(jiān)控中心顯示界面展示至用戶。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 PLC可編程邏輯控制芯片

PLC可編程邏輯控制芯片位于系統(tǒng)的PLC控制模塊中。選取西門子公司的6ES7 2210BA23-0xA0的PLC可編程邏輯控制芯片作為電力供電系統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)的NAND FLASH，芯片容量為128MB。系統(tǒng)采用3.5V的電源為PLC可編程邏輯控制芯片供電，PLC可編程邏輯控制芯片工作電壓為2.8V-3.8V。控制模塊中的PLC可編程邏輯控制芯片與微處理器S3C2510芯片的總線連接圖如圖2所示。

圖2 PLC的總線連接圖

電力供電系統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)運行時，除了設(shè)置DSP、SOC等控制部件外，還需要設(shè)置控制PLC芯片通信、調(diào)試、存儲等輔助外圍設(shè)備，即需要設(shè)置PLC可編程邏輯控制芯片的外圍設(shè)備。

PLC可編程邏輯控制芯片的運行性能決定了系統(tǒng)的監(jiān)控性能，系統(tǒng)需要針對PLC芯片設(shè)計操作程序，利用所設(shè)計操作程序管理系統(tǒng)中存儲器分配情況、系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度以及中斷處理等各項軟件程序。通過PLC軟件設(shè)計為PLC可編程邏輯控制提供操作程序。

所采用PLC可編程邏輯控制芯片的ISA總線具有16位的數(shù)據(jù)寬度，包含輸入繼電器和輸出繼電器各64個，PLC可編程邏輯控制芯片的數(shù)據(jù)線寬度為8位，數(shù)據(jù)線利用TSOP封裝。控制模塊中的S3C2510芯片包含NAND FLASH存儲功能。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

電力供電系統(tǒng)輸出的電壓與電流信號包括隨機函數(shù)、沖擊脈沖以及正弦波三種方式，采用整流電路測量電力供電系統(tǒng)的輸出信號時，可以獲取準(zhǔn)確的正弦波測量數(shù)值。電力供電系統(tǒng)輸出的電壓與電流為沖擊脈沖狀態(tài)時，無法獲取精準(zhǔn)的信號測量結(jié)果。

選取AD737芯片作為數(shù)據(jù)采集模塊測量輸出電流的采樣芯片。AD737芯片是一種直流轉(zhuǎn)換器，直流轉(zhuǎn)換器是具有直流成分以及交流成分的真均方根值，所采集電流為不同形式信號時，均可以獲取精準(zhǔn)的電流與電壓數(shù)據(jù)采集結(jié)果。電力供電系統(tǒng)輸出的電流設(shè)置一個標(biāo)準(zhǔn)電阻進行電流采樣，利用差分放大電路對所采樣電流進行放大[4]，放大的電流利用AD737芯片計算電力有效值，完成計算的電流值進行下一次差分放大。完成差分放大數(shù)據(jù)，利用AD轉(zhuǎn)換模塊將電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)傳送至PLC芯片內(nèi)部，PLC芯片接收所獲取的電流數(shù)據(jù)后，在監(jiān)控系統(tǒng)的顯示界面中顯示電流采樣結(jié)果。

自動化監(jiān)控系統(tǒng)采集電力供電系統(tǒng)的直流母線電壓的電路圖如圖3所示。

圖3 直流母線電壓采樣電路圖

選取型號為MIK-DZV的電壓傳感器采集電力供電系統(tǒng)的直流母線電壓，所采集電壓信號利用AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后傳送至PLC芯片中，PLC芯片將所接收的母線電壓值利用系統(tǒng)顯示界面展示。

1.2.3 系統(tǒng)通信模塊

選取Modbus總線協(xié)議作為自動化監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議。選取客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)各供電裝置的通信結(jié)構(gòu)，依據(jù)自動化監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控需求，將監(jiān)控任務(wù)分配至系統(tǒng)客戶端和服務(wù)器端，利用客戶端具有的處理能力，降低自動化監(jiān)控系統(tǒng)的通訊開銷，降低自動化監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器工作量。

自動化監(jiān)控系統(tǒng)的通信模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 通信模塊結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)所采用的Modbus總線通信協(xié)議是請求-應(yīng)答協(xié)議，電力供電系統(tǒng)的監(jiān)控中心和待監(jiān)控設(shè)備分別作為Modbus總線協(xié)議的主站和從站，主站利用單播模式將信息傳送至從站，從站的讀寫操作需要主站完成。利用RS-485串行鏈路，選取RTU傳輸方式通過Modbus總站通信協(xié)議實現(xiàn)待監(jiān)控電力供電系統(tǒng)中眾多設(shè)備的通信。選取循環(huán)冗余校驗方式作為通信模塊的差錯校驗方式。自動化監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中，各監(jiān)控設(shè)備具有唯一的地址。自動化監(jiān)控系統(tǒng)的PLC芯片、顯示設(shè)備、工控機等設(shè)備均支持以太網(wǎng)通信方式，通信模塊為各芯片以及設(shè)備分配獨立的IP地址。

選取Modbus總線通信協(xié)議中的TCP/IP方式實現(xiàn)工控機、PLC芯片等設(shè)備間的通訊，該協(xié)議開放性較高，具有較高的兼容性，適用于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中。以太網(wǎng)通信方式無需設(shè)置復(fù)雜的通信程序[5]，僅需要設(shè)置自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)備IP、網(wǎng)關(guān)以及子網(wǎng)掩碼，令待通信設(shè)備處于相同網(wǎng)端即可實現(xiàn)系統(tǒng)通信。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.3.1 基于振蕩幅度調(diào)制算法的PLC監(jiān)控控制

PLC控制模塊利用振蕩幅度調(diào)制算法實現(xiàn)自動化監(jiān)控控制。PLC芯片應(yīng)用于電力供電系統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)時，采用振蕩幅度調(diào)制算法提升PLC芯片對自動化監(jiān)控系統(tǒng)的控制性能。

利用電壓傳感器以及電流采集芯片等數(shù)據(jù)采集裝置采集電力供電系統(tǒng)的電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)時，為了實現(xiàn)功率增益分配均衡，設(shè)置輸入系統(tǒng)的調(diào)諧回路信號表達式如式(1)所示：

式(1)中，Rs與Rr分別表示相干接收機采集的高頻信號以及低頻信號；h1與Msr分別表示調(diào)諧信號以及調(diào)諧系數(shù)；ω0與Ll分別表示載頻分量以及中頻振蕩器在靜態(tài)工作點時的工作頻率。

選取互相關(guān)接收機的方式，將所采集信號通過交流電路放大后，獲取調(diào)幅發(fā)射機的增益分配信息。經(jīng)過振蕩處理后，調(diào)頻發(fā)射機基帶信號的濾波輸出表達式如式(2)所示：

式(2)中，n(t)與g(t)分別表示所采集信號輸出量以及高頻信號輸出量。

系統(tǒng)接收信號時，利用選頻濾波處理方法，均衡處理通帶內(nèi)頻譜分量的增益分配。通過選頻濾波處理方法處理后，接收機振蕩起振，輸出的電流幅值表達式如式(3)所示：

式(3)中，Vs與Vc分別表示高頻電壓以及干擾電壓信號，Z表示阻抗。

相干接收機相位裕度為最高值時，設(shè)置接收機的模擬預(yù)處理機可以處理的最大范圍為-50dB-50dB，相干放大量可提升至100dB。采用兩級放大方式作為調(diào)幅發(fā)射機的放大方式，該方式有效避免系統(tǒng)運行過程中的直耦噪聲干擾。選取自適應(yīng)噪聲抵消算法，提升系統(tǒng)設(shè)置的發(fā)射機與接收機的抗干擾性能。

1.3.2 電力供電系統(tǒng)自動化監(jiān)控流程

所設(shè)計自動化監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)控電力供電系統(tǒng)中的母線電壓、支路電流、主變壓器油溫等眾多數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電力供電系統(tǒng)設(shè)備以及線路參數(shù)的實時監(jiān)控。系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)電力供電系統(tǒng)中各項數(shù)據(jù)的實時采集，并且具有數(shù)據(jù)歷史趨勢查詢功能。電力供電系統(tǒng)自動化監(jiān)控流程如圖5所示。

圖5 自動化監(jiān)控流程

系統(tǒng)啟動時，利用PLC可編程邏輯控制芯片編程，為自動化監(jiān)控系統(tǒng)主界面的相關(guān)控件變量賦值，對自動化監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)控件和控制按鈕設(shè)置控制代碼。用戶通過自動化監(jiān)控系統(tǒng)的顯示界面選取所需功能時，系統(tǒng)自動觸發(fā)相關(guān)監(jiān)控功能，通過監(jiān)控界面為用戶展示用戶所需監(jiān)控結(jié)果。

2 系統(tǒng)測試

為了驗證所設(shè)計系統(tǒng)對于電力供電系統(tǒng)的自動化監(jiān)控性能，將該系統(tǒng)應(yīng)用于某電力企業(yè)的電力供電系統(tǒng)中。通過所設(shè)計系統(tǒng)監(jiān)控電力供電系統(tǒng)中的主變壓器、電路電流、母線電壓以及電力供電系統(tǒng)中設(shè)置的靜態(tài)補償裝置等眾多裝置運行狀況。

本文系統(tǒng)運行過程中，主變壓器運行狀態(tài)顯示結(jié)果如圖6所示。

圖6 主變壓器運行狀態(tài)

通過圖6系統(tǒng)測試結(jié)果可以看出，本文系統(tǒng)運行過程中，可以獲取主變壓器的運行溫度、功率等運行數(shù)據(jù)，驗證采用本文系統(tǒng)自動化監(jiān)控電力供電系統(tǒng)的主變壓器運行狀態(tài)有效性。本文系統(tǒng)可以直觀展示主變壓器不同側(cè)的電流，有助于電力供電系統(tǒng)管理人員依據(jù)主變壓器的運行狀態(tài)制定調(diào)度計劃，采用本文系統(tǒng)監(jiān)控變壓器的電流與電壓結(jié)果如圖7所示。

圖7 站用變壓器運行狀態(tài)

通過圖7系統(tǒng)測試結(jié)果可以看出，采用本文系統(tǒng)可以有效監(jiān)控站用變壓器的低壓側(cè)電流以及低壓側(cè)電壓。所設(shè)計系統(tǒng)可以直觀展示所設(shè)計站用變壓器的運行狀態(tài)，令電力供電系統(tǒng)的管理人員明確站用變壓器的實時運行狀態(tài)。

采用本文系統(tǒng)監(jiān)控電力供電系統(tǒng)中供電線路的節(jié)點電流變化結(jié)果如圖8所示。

圖8 供電線路節(jié)點電流監(jiān)控結(jié)果

通過圖8系統(tǒng)測試結(jié)果可以看出，采用本文系統(tǒng)可以實時監(jiān)控電力供電系統(tǒng)中供電線路的節(jié)點電流。電力供電系統(tǒng)的監(jiān)控人員可以利用供電線路運行狀態(tài)，判斷供電線路是否為可靠狀態(tài)。配電網(wǎng)存在故障或運行異常情況時，監(jiān)控人員可以通過監(jiān)控結(jié)果的電流變化狀態(tài)，快速確定電力供電系統(tǒng)的故障點，盡早解決電力供電系統(tǒng)中存在的故障，提升電力供電系統(tǒng)的運行可靠性。

電力供電系統(tǒng)的計量裝置計量精準(zhǔn)性決定了系統(tǒng)的運行可靠性。監(jiān)控過程中，不同位置計量裝置的計量誤差，統(tǒng)計結(jié)果如圖9所示。

圖9 計量裝置計量誤差

通過圖9系統(tǒng)測試結(jié)果可以看出，采用本文系統(tǒng)自動化監(jiān)控電力供電系統(tǒng)，對于不同位置設(shè)置的計量裝置，本文系統(tǒng)均可以實現(xiàn)低于0.06%的計量誤差，驗證本文系統(tǒng)具有較高的電力供電系統(tǒng)計量裝置監(jiān)控有效性。電力供電系統(tǒng)可以利用本文系統(tǒng)具有的監(jiān)控性能，通過高精度的計量結(jié)果，提升電力供電系統(tǒng)的供電計量可靠性。

統(tǒng)計采用本文系統(tǒng)監(jiān)控電力供電系統(tǒng)9天，電力供電系統(tǒng)的日平均電壓，將日平均電壓監(jiān)控結(jié)果與未采用本文系統(tǒng)監(jiān)控的電力供電系統(tǒng)電壓對比，對比結(jié)果如圖10所示。

圖10 電壓波動監(jiān)控結(jié)果

通過圖10系統(tǒng)測試結(jié)果可以看出，采用本文系統(tǒng)可以有效監(jiān)控供電網(wǎng)絡(luò)的電壓波動狀況。本文系統(tǒng)監(jiān)控的電力供電系統(tǒng)相比于未采用本文系統(tǒng)監(jiān)控時，電壓波動有了明顯改善。電力供電系統(tǒng)在用電高峰期容易存在電壓波動情況，影響供電質(zhì)量。采用本文系統(tǒng)自動化監(jiān)控電力供電系統(tǒng)，管理人員可以針對電力供電系統(tǒng)運行情況，制定相應(yīng)解決策略，改善電力供電系統(tǒng)存在的電壓波動情況，提升供電質(zhì)量。

采用本文系統(tǒng)自動化監(jiān)控電力供電系統(tǒng)時，設(shè)定了運行參數(shù)報警功能，電力供電系統(tǒng)運行參數(shù)存在異常或運行參數(shù)數(shù)值偏高時，自動化監(jiān)控系統(tǒng)將啟動自動報警功能。統(tǒng)計采用本文系統(tǒng)自動化監(jiān)控電力供電系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動自動報警的具體內(nèi)容，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 自動化監(jiān)控系統(tǒng)自動報警內(nèi)容

通過表1實驗結(jié)果可以看出，本文系統(tǒng)可以依據(jù)電力供電系統(tǒng)的設(shè)備以及線路運行狀態(tài)，實現(xiàn)電力供電系統(tǒng)的自動化監(jiān)控。系統(tǒng)可以實時監(jiān)控電力供電系統(tǒng)設(shè)備以及線路運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常時快速發(fā)出警報，電力供電系統(tǒng)維修人員接收報警信息后，及時提出故障解決策略，可使電力供電系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運行狀態(tài)。

3 結(jié)語

為了適應(yīng)當(dāng)前社會不斷發(fā)展的需求，電力供電系統(tǒng)應(yīng)該提升自身的自動化水平，滿足社會對電力供電系統(tǒng)的需求。將PLC技術(shù)應(yīng)用于電力供電系統(tǒng)的自動化監(jiān)控中，實現(xiàn)電力供電系統(tǒng)自動化水平的不斷完善，提升電力供電系統(tǒng)的供電效率以及供電質(zhì)量，保證電力供電系統(tǒng)維持穩(wěn)定的供配電水平。通過系統(tǒng)測試驗證，將該系統(tǒng)應(yīng)用于電力供電系統(tǒng)中，可以降低電力供電系統(tǒng)的故障發(fā)生率，提升電力供電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性，應(yīng)用前景廣泛。