基于PLC的供配电监控系统的研究与设计

吕志香 钱静

摘 要：随着变配电系统在综合性以及多功能方面的不断发展，配电系统的可靠性具有了更高的要求，因此，加强对供配电系统的实时监测显得尤为重要。文章主要以小区配电房作为基础研究对象，设计了具有自动检测功能的监控系统。以S7-300PLC作为核心控制器，通过控制程序设计以及WinCC监控界面实现了对现场的监控，并对图形监控系统的实现进行了讨论。

关键词：PLC；供配电；监控系统；变电站；组态；WinCC

引言

近年来，随着现代高新技术的飞速发展以及应用，对供配电的有效性提出了更高的要求，积极进行电网结构的升级改造，提升可靠性以及有效性是进行电力系统自动化智能化的有效手段，对于满足社会经济发展和电力的需求具有一定的推动作用。目前，现代新型小区配电房监控系统都是采用计算机技术、网络技术对供配电中所有的设备进行有效的监测和控制，这样能够保证系统的有效以及安全运行[1]。当前在我国快速发展的、具有理想化系统及合理组态的供配电系统，在实际应用中越来越广泛。因此做好现代小区配电房管理工作，对于提高小区居民生活质量具有重要的现实意义。

1 系统简介

本配电房自动化系统采用PC机作为监控单元，以S7-300PLC作为控制单元，实现以下功能：

（1）采集配电房内各主要设备点的温湿度以及门禁防盗信号等状态数据；

（2）小区配电房内配电变压器的数量和容量都很庞大，在运行过程中变压器自身产生的有功功率损耗和无功功率消耗都很大，当负荷变化较大时，择优选取变压器经济运行方式，自动控制变压器的投入和切除，从而降低损耗、节约电能并延长变压器使用寿命；

（3）实时采集并显示配电房输出电压、电流、功率、频率等电能质量参数；

（4）根据电压、无功功率等参数智能地控制变压器的有载调压装置及电容器的投切，使得配电房供电系统电压和无功功率满足小区用电要求，有效减少电网损耗；

（5）在配电输出参数出现异常时，发出报警提示，提醒管理人员进行设备检查[2]。

2 系统硬件设计

2.1 硬件结构

本系统由S7-300PLC（CPU314C-2DP）、分布式I/O ET200以及上位机组成，其硬件接线框图如图1所示。

2.2 原理分析

本系统采用西门子公司的S7-300PLC作为核心控制器，负责现场设备的程序控制，温湿度等模拟量的采集通过传感器进行检测并利用变送器将这些信号转换成0-10V电压信号，然后送到CPU314C-2DP的内部模拟量输入通道，通道设置如图2所示。然后调用比例变换模块FC105，将变送器输出信号变换成实际温湿度等模拟量的实际测量值，并将检测信号通过可视化组态软件WinCC在上位机上进行输出显示[4]。那么PLC与WinCC的数据通信设置需要添加驱动程序，并且设置MPI连接参数，驱动程序和参数设置分别如图3和图4所示。

2.3 设计特点

（1）本系统采用S7-300PLC作为控制单元，硬件设计没模块化结构，所有模块均安装于机架插槽上，安装方式灵活多变，若模块发生故障，更换简单快捷[4]。

（2）WinCC人机界面可以实现用户权限管理，可添加用户，更改用户密码；可实时显示电压、电流、功率等系统运行参数，及时了解配电系统工作状况。

（3）PLC是专为工业环境应用而设计的，在硬件方面，开关动作由无触点的半导体器件完成，减少故障的发生率；在软件方面，具有良好的自诊断功能，一旦发生异常状况，CPU会立即采取措施，防止故障扩大，系统的可靠性很高。

3 系统软件设计

系统软件包括上位机监控程序和下位机PLC控制程序两部分。上位机采用西门子公司的可视化组态软件WinCC进行设计，是基于PC的人机界面（HMI）软件系统[5]。下位机PLC控制程序采用STEP7标准软件包LAD程序编辑器进行程序编写。

3.1 PLC软件设计

西门子PLC种类繁多，S7-300PLC属于中小型PLC，其电源模块、CPU模块以及信号模块等都是独立的，可以通过U形总线把电源模块、CPU模块和信号模块紧密固定在西门子S7-300的标准轨道上。在进行系统硬件组态时，电源模块（PS）总是安装在机架的最左边（1号槽），CPU模块安装在2号槽，机架的3号槽作为扩展槽，如需进行扩展，则在3号槽插入接口模块IM，否则3号槽悬空，4-11号槽安装信号模块SM。应用S7-300PLC进行小区配电房监控系统的过程设计，具体实施步骤如下[6]：（1）详细了解小区配电房监控系统的要求及指标，分析配电房监控系统中温湿度检测、电能质量参数、配电设备的动作等监控要求的输入信号和输出信号的点数，根据实际设计要求选择合适的電源、CPU、输入/输出模块、通信电缆线等硬件。（2）合理分配输入/输出信号的地址，完成硬件电路的接线。（3）根据配电房监控系统要求进行控制程序的编写，先利用PLCSIM仿真系统进行仿真调试，然后在仿真测试成功后进行联机调试。

3.2 WinCC人机界面设计

组态监控软件是处在自动控制系统监控层以及的软件平台和开发环境，可以进行数据采集，快速构建工业自动控制系统的监控功能，主要应用于电力系统、石油化工等行业数据采集与监控领域。常见的组态软件有WinCC、组态王及MCGS等，本监控系统选用西门子公司的视窗控制中心SIMATIC WinCC，它是一个集数据采集监控与管理一体的可视化组态软件，因其同属西门子公司，提供了所有重要的通讯通道，与下位机S7-300PLC的通讯非常简单方便[7]。

小区配电房监控系统包括用户管理功能、配电系统运行参数监控功能、配电房内温湿度检测和防盗报警功能。用户管理功能主要实现管理员登录、密码修改以及添加新用户等。配电系统运行参数监控功能主要实现对小区配电系统的输出的相电压、相电流、线电压、线电流、输出功率等参数进行监控，数值偏高或偏低均需进行报警提示，当工作人员发现问题并解决相应的问题之后，报警信号方可解除。配电房内温湿度检测及防盗报警功能主要实现对配电房内主要电力设备点的温湿度通过传感器进行检测，将检测到的信号送入PLC进行处理，然后传送给上位机进行显示，当检测到的温湿度值不能保证电力设备正常运行时，发出报警提示；防盗采用门禁系统，若被强制打开，则发出警告，表示配电房有异常出入状况[8]。

4 结束语

随着工业自动化的快速发展，社会对于电力系统的要求越来越高，因此智能型系统设备以及自动化的设计理念在电力系统中得到了广泛的应用。本设计采用SIEMENS公司的S7-300PLC进行可靠的控制，符合未来供配电系统智能化的需求。系统功能强大、易于实现控制，系统的可视化监控界面，在现代新型小区配电房监控系统中的应用日渐普遍。

参考文献

[1]李炯.基于PLC的供配电监控系统的设计[J].机电工程技术，2011，1（1）：43-44.

[2]刘春玲.基于VPN技术的供配电监控系统的设计[J].电源技术，2011，11（11）：2180-2181.

[3]王凌云.PLC与组态在供配电监控系统中的应用[J].铁道工程学报，2010，6（6）：70-73.

[4]杨艳华.基于PLC和Modbus的配电室现场环境监控系统设计[J].云南大学学报，2013，35（S2）：211-216.

[5]王瑞.基于组态王的校园配电监控系统设计[J].石河子大学学报，2012，2（1）：120-124.

[6]王桦.基于PLC技术的长距离电缆隧道监控系统[J].中国市政工程，2007，10（5）：63-64.

[7]张平泽.PLC在供配电系统备自投中的应用[J].电工文摘，2010，10（5）：32-36.

[8]王祁.PLC技术在供配电系统中的应用[J].石河子大学学报，2009，7（21）：155-156.

作者简介：吕志香（1979-），女，江苏东台人，扬州工业职业技术学院，硕士研究生，讲师，研究方向：电力电子与电力传动、高等职业教育。