基于PLC的電力供電系統自動化監控系統

尹 亮，陳貴鳳，楊曉龍，侯天仁

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

0 引言

經濟高速發展背景下，電力供電系統趨于智慧化以及規模化發展，電力供電系統中的數據量急劇增加。電力供電系統自動化監控系統作為高新技術，受到眾多研究學者的關注。電力供電系統監控系統的日益成熟，人們對電力供電系統的自動化監控提出了更高的要求。研究學者們致力于優化電力供電系統自動化監控技術，智能化控制技術在該領域得到了廣泛的應用。

PLC技術是工業自動化技術中的重要技術，PLC技術具有較高的控制性能，PLC技術是利用單片機實現系統控制的重要技術。PLC技術目前廣泛應用于自動化控制以及供配電系統中。電力供電系統自動化監控系統中的PLC技術不僅應該具有高效的控制性能，同時還應滿足電力供電系統的擴展性需求[1]。為了令PLC技術更好地適應電力供電系統自動化監控的控制需求，用戶可以利用自主選擇方式選擇系統應用模塊，滿足電力供電系統自動化監控系統的多樣化需求。將PLC技術應用于電力供電系統自動化監控中，提升電力供電系統自動化監控的工作效率。電力供電系統管理人員可以依據自動化監控結果，調整電力系統供配電情況，改善電力供電系統的供配電質量。通過自動化監控系統，實時發現電力供電系統運行中存在的異常，避免電力供電系統出現安全風險。

目前針對電力系統故障控制以及電壓調節的研究較多，崔明勇等人將FOPI+FOPD控制器應用于電力系統的電壓調節中[2]；甘國曉等人針對電力系統的故障控制，采用概率論的方式展開研究[3]。以上兩種方法可以實現電力系統的電壓調節以及故障控制，但是無法實現電力系統的全方位監控。研究基于PLC的電力供電系統自動化監控系統，通過系統測試驗證所設計系統可以實現電力供電系統的全方位監控，提升電力供電系統的運行可靠性。

1 電力供電系統自動化監控系統

1.1 系統總體結構

所設計基于PLC的電力供電系統自動化監控系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

通過圖1系統總體結構可以看出，通過數據采集模塊采集測控設備、保護設備、電度表等電力供電系統中的數據，利用通信模塊傳送至PLC控制模塊，依據用戶的監控需求，通過PLC可編程邏輯控制芯片將用戶所需的自動化監控結果利用監控中心顯示界面展示至用戶。

1.2 系統硬件設計

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自動化監控系統的NAND FLASH，芯片容量為128MB。系統采用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

電力供電系統自動化監控系統運行時，除了設置DSP、SOC等控制部件外，還需要設置控制PLC芯片通信、調試、存儲等輔助外圍設備，即需要設置PLC可編程邏輯控制芯片的外圍設備。

PLC可編程邏輯控制芯片的運行性能決定了系統的監控性能，系統需要針對PLC芯片設計操作程序，利用所設計操作程序管理系統中存儲器分配情況、系統任務調度以及中斷處理等各項軟件程序。通過PLC軟件設計為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位的數據寬度，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據線寬度為8位，數據線利用TSOP封裝。控制模塊中的S3C2510芯片包含NAND FLASH存儲功能。

1.2.2 數據采集模塊

電力供電系統輸出的電壓與電流信號包括隨機函數、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的輸出信號時，可以獲取準確的正弦波測量數值。電力供電系統輸出的電壓與電流為沖擊脈沖狀態時，無法獲取精準的信號測量結果。

選取AD737芯片作為數據采集模塊測量輸出電流的采樣芯片。AD737芯片是一種直流轉換器，直流轉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，均可以獲取精準的電流與電壓數據采集結果。電力供電系統輸出的電流設置一個標準電阻進行電流采樣，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。完成差分放大數據，利用AD轉換模塊將電流信號轉換為數據傳送至PLC芯片內部，PLC芯片接收所獲取的電流數據后，在監控系統的顯示界面中顯示電流采樣結果。

自動化監控系統采集電力供電系統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的直流母線電壓，所采集電壓信號利用AD轉換模塊轉換后傳送至PLC芯片中，PLC芯片將所接收的母線電壓值利用系統顯示界面展示。

1.2.3 系統通信模塊

選取Modbus總線協議作為自動化監控系統的通信協議。選取客戶端/服務器結構作為系統各供電裝置的通信結構，依據自動化監控系統的監控需求，將監控任務分配至系統客戶端和服務器端，利用客戶端具有的處理能力，降低自動化監控系統的通訊開銷，降低自動化監控系統的服務器工作量。

自動化監控系統的通信模塊結構圖如圖4所示。

圖4 通信模塊結構圖

系統所采用的Modbus總線通信協議是請求-應答協議，電力供電系統的監控中心和待監控設備分別作為Modbus總線協議的主站和從站，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總站通信協議實現待監控電力供電系統中眾多設備的通信。選取循環冗余校驗方式作為通信模塊的差錯校驗方式。自動化監控系統運行過程中，各監控設備具有唯一的地址。自動化監控系統的PLC芯片、顯示設備、工控機等設備均支持以太網通信方式，通信模塊為各芯片以及設備分配獨立的IP地址。

選取Modbus總線通信協議中的TCP/IP方式實現工控機、PLC芯片等設備間的通訊，該協議開放性較高，具有較高的兼容性，適用于遠程監控系統中。以太網通信方式無需設置復雜的通信程序[5]，僅需要設置自動化監控系統中的設備IP、網關以及子網掩碼，令待通信設備處于相同網端即可實現系統通信。

1.3 系統軟件設計

1.3.1 基于振蕩幅度調制算法的PLC監控控制

PLC控制模塊利用振蕩幅度調制算法實現自動化監控控制。PLC芯片應用于電力供電系統自動化監控系統時，采用振蕩幅度調制算法提升PLC芯片對自動化監控系統的控制性能。

利用電壓傳感器以及電流采集芯片等數據采集裝置采集電力供電系統的電壓數據、電流數據等數據時，為了實現功率增益分配均衡，設置輸入系統的調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分別表示調諧信號以及調諧系數；ω0與Ll分別表示載頻分量以及中頻振蕩器在靜態工作點時的工作頻率。

選取互相關接收機的方式，將所采集信號通過交流電路放大后，獲取調幅發射機的增益分配信息。經過振蕩處理后，調頻發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。

系統接收信號時，利用選頻濾波處理方法，均衡處理通帶內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，設置接收機的模擬預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幅發射機的放大方式，該方式有效避免系統運行過程中的直耦噪聲干擾。選取自適應噪聲抵消算法，提升系統設置的發射機與接收機的抗干擾性能。

1.3.2 電力供電系統自動化監控流程

所設計自動化監控系統可以監控電力供電系統中的母線電壓、支路電流、主變壓器油溫等眾多數據，實現電力供電系統設備以及線路參數的實時監控。系統不僅可以實現電力供電系統中各項數據的實時采集，并且具有數據歷史趨勢查詢功能。電力供電系統自動化監控流程如圖5所示。

圖5 自動化監控流程

系統啟動時，利用PLC可編程邏輯控制芯片編程，為自動化監控系統主界面的相關控件變量賦值，對自動化監控系統的相關控件和控制按鈕設置控制代碼。用戶通過自動化監控系統的顯示界面選取所需功能時，系統自動觸發相關監控功能，通過監控界面為用戶展示用戶所需監控結果。

2 系統測試

為了驗證所設計系統對于電力供電系統的自動化監控性能，將該系統應用于某電力企業的電力供電系統中。通過所設計系統監控電力供電系統中的主變壓器、電路電流、母線電壓以及電力供電系統中設置的靜態補償裝置等眾多裝置運行狀況。

本文系統運行過程中，主變壓器運行狀態顯示結果如圖6所示。

圖6 主變壓器運行狀態

通過圖6系統測試結果可以看出，本文系統運行過程中，可以獲取主變壓器的運行溫度、功率等運行數據，驗證采用本文系統自動化監控電力供電系統的主變壓器運行狀態有效性。本文系統可以直觀展示主變壓器不同側的電流，有助于電力供電系統管理人員依據主變壓器的運行狀態制定調度計劃，采用本文系統監控變壓器的電流與電壓結果如圖7所示。

圖7 站用變壓器運行狀態

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

采用本文系統監控電力供電系統中供電線路的節點電流變化結果如圖8所示。

圖8 供電線路節點電流監控結果

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

電力供電系統的計量裝置計量精準性決定了系統的運行可靠性。監控過程中，不同位置計量裝置的計量誤差，統計結果如圖9所示。

圖9 計量裝置計量誤差

通過圖9系統測試結果可以看出，采用本文系統自動化監控電力供電系統，對于不同位置設置的計量裝置，本文系統均可以實現低于0.06%的計量誤差，驗證本文系統具有較高的電力供電系統計量裝置監控有效性。電力供電系統可以利用本文系統具有的監控性能，通過高精度的計量結果，提升電力供電系統的供電計量可靠性。

統計采用本文系統監控電力供電系統9天，電力供電系統的日平均電壓，將日平均電壓監控結果與未采用本文系統監控的電力供電系統電壓對比，對比結果如圖10所示。

圖10 電壓波動監控結果

通過圖10系統測試結果可以看出，采用本文系統可以有效監控供電網絡的電壓波動狀況。本文系統監控的電力供電系統相比于未采用本文系統監控時，電壓波動有了明顯改善。電力供電系統在用電高峰期容易存在電壓波動情況，影響供電質量。采用本文系統自動化監控電力供電系統，管理人員可以針對電力供電系統運行情況，制定相應解決策略，改善電力供電系統存在的電壓波動情況，提升供電質量。

采用本文系統自動化監控電力供電系統時，設定了運行參數報警功能，電力供電系統運行參數存在異常或運行參數數值偏高時，自動化監控系統將啟動自動報警功能。統計采用本文系統自動化監控電力供電系統，系統啟動自動報警的具體內容，統計結果如表1所示。

表1 自動化監控系統自動報警內容

通過表1實驗結果可以看出，本文系統可以依據電力供電系統的設備以及線路運行狀態，實現電力供電系統的自動化監控。系統可以實時監控電力供電系統設備以及線路運行狀態，發現異常時快速發出警報，電力供電系統維修人員接收報警信息后，及時提出故障解決策略，可使電力供電系統快速恢復正常運行狀態。

3 結語

為了適應當前社會不斷發展的需求，電力供電系統應該提升自身的自動化水平，滿足社會對電力供電系統的需求。將PLC技術應用于電力供電系統的自動化監控中，實現電力供電系統自動化水平的不斷完善，提升電力供電系統的供電效率以及供電質量，保證電力供電系統維持穩定的供配電水平。通過系統測試驗證，將該系統應用于電力供電系統中，可以降低電力供電系統的故障發生率，提升電力供電系統的供電穩定性，應用前景廣泛。