基于PLC的供配電監控系統的研究與設計

呂志香 錢靜

摘 要：隨著變配電系統在綜合性以及多功能方面的不斷發展，配電系統的可靠性具有了更高的要求，因此，加強對供配電系統的實時監測顯得尤為重要。文章主要以小區配電房作為基礎研究對象，設計了具有自動檢測功能的監控系統。以S7-300PLC作為核心控制器，通過控制程序設計以及WinCC監控界面實現了對現場的監控，并對圖形監控系統的實現進行了討論。

關鍵詞：PLC；供配電；監控系統；變電站；組態；WinCC

引言

近年來，隨著現代高新技術的飛速發展以及應用，對供配電的有效性提出了更高的要求，積極進行電網結構的升級改造，提升可靠性以及有效性是進行電力系統自動化智能化的有效手段，對于滿足社會經濟發展和電力的需求具有一定的推動作用。目前，現代新型小區配電房監控系統都是采用計算機技術、網絡技術對供配電中所有的設備進行有效的監測和控制，這樣能夠保證系統的有效以及安全運行[1]。當前在我國快速發展的、具有理想化系統及合理組態的供配電系統，在實際應用中越來越廣泛。因此做好現代小區配電房管理工作，對于提高小區居民生活質量具有重要的現實意義。

1 系統簡介

本配電房自動化系統采用PC機作為監控單元，以S7-300PLC作為控制單元，實現以下功能：

（1）采集配電房內各主要設備點的溫濕度以及門禁防盜信號等狀態數據；

（2）小區配電房內配電變壓器的數量和容量都很龐大，在運行過程中變壓器自身產生的有功功率損耗和無功功率消耗都很大，當負荷變化較大時，擇優選取變壓器經濟運行方式，自動控制變壓器的投入和切除，從而降低損耗、節約電能并延長變壓器使用壽命；

（3）實時采集并顯示配電房輸出電壓、電流、功率、頻率等電能質量參數；

（4）根據電壓、無功功率等參數智能地控制變壓器的有載調壓裝置及電容器的投切，使得配電房供電系統電壓和無功功率滿足小區用電要求，有效減少電網損耗；

（5）在配電輸出參數出現異常時，發出報警提示，提醒管理人員進行設備檢查[2]。

2 系統硬件設計

2.1 硬件結構

本系統由S7-300PLC（CPU314C-2DP）、分布式I/O ET200以及上位機組成，其硬件接線框圖如圖1所示。

2.2 原理分析

本系統采用西門子公司的S7-300PLC作為核心控制器，負責現場設備的程序控制，溫濕度等模擬量的采集通過傳感器進行檢測并利用變送器將這些信號轉換成0-10V電壓信號，然后送到CPU314C-2DP的內部模擬量輸入通道，通道設置如圖2所示。然后調用比例變換模塊FC105，將變送器輸出信號變換成實際溫濕度等模擬量的實際測量值，并將檢測信號通過可視化組態軟件WinCC在上位機上進行輸出顯示[4]。那么PLC與WinCC的數據通信設置需要添加驅動程序，并且設置MPI連接參數，驅動程序和參數設置分別如圖3和圖4所示。

2.3 設計特點

（1）本系統采用S7-300PLC作為控制單元，硬件設計沒模塊化結構，所有模塊均安裝于機架插槽上，安裝方式靈活多變，若模塊發生故障，更換簡單快捷[4]。

（2）WinCC人機界面可以實現用戶權限管理，可添加用戶，更改用戶密碼；可實時顯示電壓、電流、功率等系統運行參數，及時了解配電系統工作狀況。

（3）PLC是專為工業環境應用而設計的，在硬件方面，開關動作由無觸點的半導體器件完成，減少故障的發生率；在軟件方面，具有良好的自診斷功能，一旦發生異常狀況，CPU會立即采取措施，防止故障擴大，系統的可靠性很高。

3 系統軟件設計

系統軟件包括上位機監控程序和下位機PLC控制程序兩部分。上位機采用西門子公司的可視化組態軟件WinCC進行設計，是基于PC的人機界面（HMI）軟件系統[5]。下位機PLC控制程序采用STEP7標準軟件包LAD程序編輯器進行程序編寫。

3.1 PLC軟件設計

西門子PLC種類繁多，S7-300PLC屬于中小型PLC，其電源模塊、CPU模塊以及信號模塊等都是獨立的，可以通過U形總線把電源模塊、CPU模塊和信號模塊緊密固定在西門子S7-300的標準軌道上。在進行系統硬件組態時，電源模塊（PS）總是安裝在機架的最左邊（1號槽），CPU模塊安裝在2號槽，機架的3號槽作為擴展槽，如需進行擴展，則在3號槽插入接口模塊IM，否則3號槽懸空，4-11號槽安裝信號模塊SM。應用S7-300PLC進行小區配電房監控系統的過程設計，具體實施步驟如下[6]：（1）詳細了解小區配電房監控系統的要求及指標，分析配電房監控系統中溫濕度檢測、電能質量參數、配電設備的動作等監控要求的輸入信號和輸出信號的點數，根據實際設計要求選擇合適的電源、CPU、輸入/輸出模塊、通信電纜線等硬件。（2）合理分配輸入/輸出信號的地址，完成硬件電路的接線。（3）根據配電房監控系統要求進行控制程序的編寫，先利用PLCSIM仿真系統進行仿真調試，然后在仿真測試成功后進行聯機調試。

3.2 WinCC人機界面設計

組態監控軟件是處在自動控制系統監控層以及的軟件平臺和開發環境，可以進行數據采集，快速構建工業自動控制系統的監控功能，主要應用于電力系統、石油化工等行業數據采集與監控領域。常見的組態軟件有WinCC、組態王及MCGS等，本監控系統選用西門子公司的視窗控制中心SIMATIC WinCC，它是一個集數據采集監控與管理一體的可視化組態軟件，因其同屬西門子公司，提供了所有重要的通訊通道，與下位機S7-300PLC的通訊非常簡單方便[7]。

小區配電房監控系統包括用戶管理功能、配電系統運行參數監控功能、配電房內溫濕度檢測和防盜報警功能。用戶管理功能主要實現管理員登錄、密碼修改以及添加新用戶等。配電系統運行參數監控功能主要實現對小區配電系統的輸出的相電壓、相電流、線電壓、線電流、輸出功率等參數進行監控，數值偏高或偏低均需進行報警提示，當工作人員發現問題并解決相應的問題之后，報警信號方可解除。配電房內溫濕度檢測及防盜報警功能主要實現對配電房內主要電力設備點的溫濕度通過傳感器進行檢測，將檢測到的信號送入PLC進行處理，然后傳送給上位機進行顯示，當檢測到的溫濕度值不能保證電力設備正常運行時，發出報警提示；防盜采用門禁系統，若被強制打開，則發出警告，表示配電房有異常出入狀況[8]。

4 結束語

隨著工業自動化的快速發展，社會對于電力系統的要求越來越高，因此智能型系統設備以及自動化的設計理念在電力系統中得到了廣泛的應用。本設計采用SIEMENS公司的S7-300PLC進行可靠的控制，符合未來供配電系統智能化的需求。系統功能強大、易于實現控制，系統的可視化監控界面，在現代新型小區配電房監控系統中的應用日漸普遍。

參考文獻

[1]李炯.基于PLC的供配電監控系統的設計[J].機電工程技術，2011，1（1）：43-44.

[2]劉春玲.基于VPN技術的供配電監控系統的設計[J].電源技術，2011，11（11）：2180-2181.

[3]王凌云.PLC與組態在供配電監控系統中的應用[J].鐵道工程學報，2010，6（6）：70-73.

[4]楊艷華.基于PLC和Modbus的配電室現場環境監控系統設計[J].云南大學學報，2013，35（S2）：211-216.

[5]王瑞.基于組態王的校園配電監控系統設計[J].石河子大學學報，2012，2（1）：120-124.

[6]王樺.基于PLC技術的長距離電纜隧道監控系統[J].中國市政工程，2007，10（5）：63-64.

[7]張平澤.PLC在供配電系統備自投中的應用[J].電工文摘，2010，10（5）：32-36.

[8]王祁.PLC技術在供配電系統中的應用[J].石河子大學學報，2009，7（21）：155-156.

作者簡介：呂志香（1979-），女，江蘇東臺人，揚州工業職業技術學院，碩士研究生，講師，研究方向：電力電子與電力傳動、高等職業教育。