基于PLC的直流应急电源监控系统设计

蒋晓彬 张倩文 陈 坤 鲁志康

(绍兴文理学院 工学院，浙江 绍兴312000)

直流电源是变电站的重要工作电源和备用电源，为变电站的控制系统、动力设备、通信系统、仪器仪表、保护装置等直流负荷提供电力保障.变电站一旦失去稳定的直流电源，不但会引发继电保护设备和高压一次设备的误动，还可能导致通讯设备故障，致使远程监控系统瘫痪.同时，在直流系统改造过程中，采用的RTU设备一般难以实现过程的实时通讯、信息反馈和智能监控[1].因此，研究设计一种智能的移动式直流应急电源，对于在变电站出现故障或直流设备改造时提高故障抢修速度和减少改造风险具有十分重要的意义.现有的直流应急装置多由便携式充电设备、蓄电池组和直流馈电屏等三部分组成.目前，大部分关于直流应急电源的研究多集中在直流系统性能改善、充电机和蓄电池可靠性提高、以及网络结构改善等方面[2-3]；当前所使用的直流应急装置由于缺乏必要的监测和控制功能，导致过程运行参数和故障信息难以实时显示和上传，必须工作在现场有人监视的情况下，因而实用性不强.针对移动式直流应急装置的智能化改造问题，提出了一种以可编程序控制器(PLC)、触摸屏为核心的智能监控方法，实现了数据实时采集、过程智能控制和故障自动监测，从而提高装置运行的可靠性和稳定性.该设计方案利用了PLC可靠性高、功能强、体积小，以及触摸屏可图形化显示、人机交互性能强等优点[4-6]，符合系统控制要求和技术趋势，其理论和实用意义均十分明显.

1 智能监控系统的硬件设计

1.1 系统的总体结构

如图1所示，移动式直流应急装置的智能监控系统以PLC为核心，利用PLC的数字量和模拟量输入口接收传感器实时检测得到的蓄电池、整流模块开关状态等数字量和母线电压、蓄电池电压等模拟量，实时输出至触摸屏图形化显示；同时结合触摸屏设定的工况参数、系统运行历史数据，自适应判断系统运行状况，对可能出现的故障进行预报.

1.2 硬件选择与I/O分配

作为智能监控系统的核心，PLC的选择至关重要.本系统采用的台达DVP-PLC在性价比方面具有一定优势.同时，选用了Weinview公司的触摸屏MT6070IH.具体的PLC与触摸屏之间的连接以及PLC的I/O端口分配如图2和表1所示.

表1 I/O分配表

输入功 能输出功 能输出功 能X0蓄电池回路开关Y100蓄电池电流异常告警Y132整流模块故障开关X1充电装置输出开关Y110蓄电池电压异常告警Y134电源自动切换X2充电装置输入开关Y120充电装置电流异常告警Y152馈线开关X3整流模块故障信号Y130充电装置电压异常告警Y140母线电压异常告警X4电源自动切换开关Y102蓄电池回路开关Y048V标称电压输出X5系统接地信号Y122充电装置输出开关Y1110V标称电压输出X6馈线开关Y124输入开关Y2220V标称电压输出

2 系统软件设计

直流应急电源智能监控系统软件设计包括人机界面设计、PLC梯形图设计和智能监控算法设计.

2.1 人机界面设计

为提高系统安全等级，所设计的人机界面设有安全窗口、公共窗口和操作窗口.其中，公共窗口仅提供日期、时间、系统工作状态等查询服务，安全窗口则负责对其它界面窗口进行安全管理，用户只有输入预设的密码才能进入控制窗口进行参数电压设定和监控策略选择.

系统界面如图3所示，操作窗口中设有主菜单、参数设定、数据查询、曲线显示、系统告警和帮助等界面.其中实时监测模块定时从传感器读取对应参数的实际值，并实时传送至触摸屏进行实时显示，同时PLC根据设定参数和历史数据进行故障诊断.参数设定模块是设定系统参数的给定量和其极限值；数据查询模块主要是根据用户的查询日期查询历史数据和历史事件，显示其历史趋势曲线、历史报警事件和登陆事件等；实时曲线图形化显示检测参数的时变趋势曲线，并根据其参数极限值的范围显示极限曲线，用户可对其参数变化进行实时监视；系统帮助则用于介绍系统的总体功能以及操作步骤.

2.2 PLC梯形图设计

PLC程序设计主要有初始化、自诊断和主程序等模块.其中，初始化模块包括通讯参数和控制参数的初始化；自诊断模型则主要用于测试和诊断主要系统参数是否正常；主程序内部包括通讯、参数设定、数据采集、故障诊断等多个子模块，对实时采集到的输入量进行智能判别.

系统中模拟量输入模块为DVP-04AD-S，该模块有4路模拟量输入，其中电压输入信号为0～10 V，电流输入信号为4～20 mA.每一路都可以设置成电压输入或者是电流输入，共有4种模式可以选择，本系统采用电压信号输入模式，并在程序初始化程序里设置好需要使用的模拟量输入模式.如，要把第一路模拟通道设置成模式1(电压输入为-10～+10 V)，将OFFSET值设置为0 V，GAIN值设置为2.5 V，其程序如图4所示.

2.3 智能监控算法

系统采用分层监控策略，首先设定参数上下限，对每一个监测变量进行单独监测；其次，考虑到部分参变量之间的耦合性和相关性，利用主元分析法(Principle Component Analysis，PCA)[7-8]进行故障诊断，其流程如图5所示.步骤如下：首先在模型训练过程中利用历史样本选取主元变量，计算得到相应的过程统计量T2和残差统计量SPE在95%置信度下的控制限；然后计算新样本的T2和SPE统计量来判定是否存在故障.具体算法可参见文献[7-8].

3 结论

在设计过程中，采用PLC和触摸屏分别作为系统的控制器和显示屏，简化了系统的硬件设计，有效增强了人机交互能力和系统的可操作性，提升了系统的稳定性.同时，引入的固定参数值和主元分析法(PCA)的参数控制限估计方法，有效提高了系统可靠性和故障监测能力.

参考文献:

[1] 吕华林,张杰.一种变电站直流电源集成监控系统的设计[J].电源技术，2012，36(12):1863-1865.

[2] 邓平.变电站直流电源远程监控通信子系统设计与实现[D].成都:电子科技大学，2011.

[3] 刘人礼.变电站直流电源远程监控通信子系统设计与实现[D].成都:电子科技大学，2011.

[4] 吴霆,陆平,李芳,等.PLC和触摸屏相结合的控制系统在检测仪器中的应用[J].舰船科学技术,2008,30(6):247-250.

[5] 褚渊博,唐云龙.PLC、触摸屏仿真软件在交通信号灯系统设计中的应用[J].石家庄铁道学院学报(自然科学版),2010,23(1):82-87.

[6] 徐宏海,陶广军,张财政.台达PLC与触摸屏在分子筛灌装机控制系统中的应用[J].制造业自动化,2010,7(32):142-144.

[7] Abdi H,Williams L J.Principle component analysis [J].Wiley Interdisciplinary Reviews:Computational Statistics,2010,2(4):433-459.

[8] Elshenawy L M,Yin S,Naik A S,et al.Efficient recursive principle component analysis algorithms for process monitoring[J].Industrial & Engineering Chemistry Reserch,2010,49(1):252-259.