基于PLC的箱式变电站监控系统设计

贾澜，苗红霞

（河海大学物联网工程学院，江苏常州，213000)

基于PLC的箱式变电站监控系统设计

贾澜，苗红霞

（河海大学物联网工程学院，江苏常州，213000)

本文基于可编程控制器（PLC）和以太网实现了箱式变电站的监控系统。监控系统用PLC作为下位机的执行中心，用CP243-1作为以太网通信的核心元件，用组态王建立了上位机监控子系统，实现了对箱式变电站的智能监控，保证了供电系统的正常运行。

箱式变电站；PLC；CP243-1；组态王；智能监控

0 引言

上世纪80年代我国开始研究箱式变电站，经过几十年的发展，如今箱式变电站技术已经非常成熟。箱式变电站由高压开关柜室，低压开关柜室，变压器室组成，由于它占地面积小、可移动，安装方便，经济性较好等优点，得到广泛的使用，其“可遥测，可遥控，可遥信，可遥调”等特点使得它成为供电系统自动化的有力保障[1-3]。为了提高供电质量，保证供电系统的正常运行，当出现故障时，箱式变电站应该把供电站工作状态实时发送给供配电中心，以便供电局能够快速判断系统故障，远程排除故障，从而恢复电力的供应。针对这一问题，有不少学者提出了解决方案。文献[4]提出了一种基于S7-200可编程逻辑控制器(PLC)的中小型变电站监控系统的构建方法。文献[5]采用GE-9030PLC，构成刘庄变电站PLC运动监控系统。为了实现对箱式变电站的智能监控，减少对其检修次数，节约资源，提高供电系统的智能化管理水平，本文介绍了一种基于PLC和以太网的监控系统。

1 系统总体设计

箱式变电站的监测数据使用网络进行传输，本系统采用以太网传输协议，通过西门子的以太网通信扩展模块CP243-1实现S7-200PLC与高压开关柜、变压器室和低压开关柜室设备的通信与控制，再通过以太网网络把箱式变电站现场采集的数据传输到远程监控中心，从而达到远程监控的目的。系统框架结构图如图1所示。基于PLC的箱式变电站监控系统设计主要实现以下功能：①设备状态监控系统；②视频监控系统；③报警系统；④实现数据通信，并传送到控制中心。

2 系统硬件设计

基于PLC的箱式变电站监控系统硬件结构如图2所示。

图1 系统框架结构图

图2 系统硬件结构图

（1）CPU224，是整个监控系统的核心。作为现场前置机，采集箱式变电柜及馈线的遥信、遥调信息，与智能仪表通信获取遥测信息，通过隔离继电器遥控输出。

（2）MCGS触摸屏与CPU224其中的一个PPI通信口通信，实时显示变电站运行信息，设置参数以及提供多种现场操作方式。

（3）智能电力总线仪表，进行三相电量数据的采集，包括三相电压电流、有功功率、无功功率、功率因数等，所有的智能仪表组成RS485现场总线网，以MODBUS规约数据包的形式与PLC进行通信。

（4）CP243-1模块，该模块支持工业以太网通信，它提供了一个标准的RJ45网络接口，完全支持TCP/IP协议，经光电转换、光纤传输，与上位机组成网络，可在上位机进行监控、报表打印、远程报警、编程等工作。

（5）继电保护器，包括过电流、过电压继电器，输入输出隔离用的继电器。

（6）模拟量输入模块（EM231）具有4路或8路模拟量输入通道，每个通道占用存储器AI区域2个字节。该模块的模拟量输入值为只读数据。

3 系统软件设计

该系统软件设计分为PLC软件设计和上位机组态界面设计。PLC软件设计部分主要包括主程序设计与通信程序设计。主程序主要包括参数运算、数据传输、操作数控制、开关量控制以及定时器等。通信程序主要包括对CP243-1的组态子程序和智能电力仪表的通信子程序等。

3.1 通信程序设计

（1）CP243-1以太网模块组态通信子程序

以太网向导能够非常方便的对CP243-1以太网组态，向导生成以后会生成通信子程序，在主程序中只要不断调用子程序，S7-200PLC就能实现以太网网络通信。

（2）智能电力总线仪表RS485通信子程序

所有的智能电力仪表组成RS485总线网络，以MODBUS通信协议与PLC通信。CPU224的RS485通信接口能够与外接设备自由通信，对PLC编程实现系统的功能。在程序中，采用“轮回时间片”的调用方式，即每次与设备通信时设立一个时间片，在该时间片里，设备可以与PLC实现通信。在通信过程中，调用字符中断子程序，在字符中断子程序中，设立计数器对通信字符计数，如果在该时间片里，字符没有达到规定字符，则认为该次通信失败，字符中断退出，下一个设备通信准备[6]。系统通信的程序流程图如图3所示。

图3 系统通信程序流程图

3.2 上位机组态界面设计

人机交互界面的设计是箱式变电站监控系统的重要组成部分，主要包括设备状态监控系统界面设计、视频监控系统界面设计以及报警系统界面设计。良好的人机交互设计能够大大地提高工作效率。

3.2.1 设备状态监控系统界面设计

设备状态监控系统界面设计主要包括：高压开关柜监控系统界面设计和SF6监控系统界面设计。

（1）高压开关柜监控系统界面设计

高压开关柜监控界面如图4所示。高压开关柜监控界面主要监测的是高压开关柜的参数数据、各开关的动作状态以及手动，自动控制方式等[7]。

图4 高压开关柜监控界面

图5 SF6监控系统界面

（2）SF6监控系统界面设计

在箱式变电站中，使用了大量的SF6高压开关设备，当设备运行以后，由于高电压放电的作用，会导致SF6分解成一系列的有毒气体（SO2，SF2等）。SF6监控系统实时记录SF6气体各项指标，SF6监控系统界面如图5所示。

3.2.2 视频监控系统界面设计

视频监控系统能够实现箱式变电站里多角度的监控。摄像头的云台控制，实时监控箱式变电站周围环境，可回放视频，并提供远程协助维护箱式变电站的接口，能够提高工作效率，维护箱式变电站的安全。组态王提供了视频监控插件，使用组态能够实现快速、方便地实现监控，并能节省运行时间。图6为视频监控界面。

3.2.3 报警系统界面设计

箱式变电站上位机的报警系统是整个上位机自动化运行的核心。报警系统利用采集到箱式变电站运行状态的数据进行处理，通过声光、指示灯、语音等一系列方式在监控画面上显示处理报警信息的方法，提醒系统管理员，使其做出迅速而又合理的反应，从而保障系统的正常运行。报警系统能够查询指定时间段的报警信息，自动打印报表信息为管理员在系统维护与定期检修时提供依据[8]。报警类型包括声光报警，视频报警，实时报警，以及历史报警等。报警界面如图7所示。

4 结论

本文采用西门子200PLC、多种传感器以及组态王建立了箱式变电站智能监控系统。经过现场调试，系统运行稳定，人机界面友好，实现了对箱式变电站的智能监控，节约了电网资源，保证了供电系统的正常运行，提高了箱式变电站的自动化水平。

图6 视频监控界面

图7 报警界面

[1]俞海珍,史旭华,蓝林花.基于组态技术的PLC实验教学平台设计与实现[J].宁波大学学报(理工版),2010,01:42-45.

[2]张学军,刘海波,回文静.组态技术在PLC实验中的应用[J].河北工程技术高等专科学校学报,2010,04:36-38+41.

[3]姜建芳,刘吟,邓明鉴,黄辉.基于西门子S7-200的PLC实验系统设计[J].实验室研究与探索,2008,08:203-206+222.

[4]赵朝阳, 史丽萍. 基于PLC变电站监控自动化的研究与实现[J].电器与能效管理技术,2006(6):23-26.

[5]杨晓旺. PLC电力远动监控系统用于无人值班变电站[J].供用电,1999(2):24-25.

[6]李春旭,石红信,李强,朱宗平.智能化箱式变电站测控系统的设计[A].中国接卸工程学会、中国焊接协会.[第十一次全国焊接会议论文集（第2册）[C].中国焊接协会，2005:3.

[7]雷登峰,赵孟文.步进电机的可编程控制器控制[J].科技信息,2013,11:115+168.

[8]范为杰,刘贤兴,施凯,张云龙.基于ZigBee-GPRS的箱式变电站监控系统[J].自动化与仪表,2014,05:17-21.

Design of box substation monitoring system based on PLC

Jia Lan, Miao Hongxia
(College of Internet of things engineering, Hohai University,Changzhou Jiangsu,213000)

A monitoring system of box substation was realized based on programmable controller (PLC) and Ethernet in this paper. In the monitoring system, PLC was used as the implementation center of lower computer.CP243-1 was used as the core component of Ethernet communication. The host computer monitoring subsystem was established using King View. The intelligent monitoring of the box substation was achieved to ensure the normal operation of the power supply system.

Box substation; PLC;CP243-1; King View; intelligent monitoring

常州市科技攻关项目（CE20150086）