基于PLC的光纤通信技术在变压器远程监控中的应用

许金红

基于PLC的光纤通信技术在变压器远程监控中的应用

许金红

（保定天威集团特变电气有限公司，河北 保定 071056）

在某电厂110kV变压器改造过程中，针对变压器现场信号多、与后台传输距离远等特点，本文提出并采用通过可编程逻辑控制器将变压器二次开关量信号、模拟量信号转化成数字信号再经由光纤通信传到远方后台的方法，成功解决了实际困难。

变压器；可编程逻辑控制器；光纤；通信

0 引言

在某电厂110kV变压器改造过程中，二次信号的远程传输中发现3个难题：①新增的变压器本体二次信号较之前增加很多，增设电力电缆困难；②变压器与后台测控系统的传输距离较远（800m），干扰源较多，模拟量信号衰减大，容易失真[1-2]；③后台系统沿用以前老式的监控系统，必须考虑新变压器与老式后台系统的兼容问题。考虑到以上几点，本文中提出对变压器本体二次信号采用可编程逻辑控制器（programmable logic controller, PLC）转化成数字信号[3-4]，并更换为通过光纤传输数字量[5]，由光纤传输到达监控室之后再将数字信号转化成模拟量和开关量，实现与后台系统的对接。该项目具有节省成本和安全可靠的优点[6]。

1 系统组成及原理

1）变压器信号采集量

本项目中从变压器本体采集并需输送的信号包含光纤测温信号5路，全部为4～20mA模拟量；油温、油位、瓦斯报警、光纤报警开关量信号15路和1路PT100温度远传信号。采集到的信号传输到控制室后，15路开关量和5路模拟量仍保留不变，传至后台的1路PT100经转化为4～20mA模拟量后接入监控系统。

2）硬件组成

硬件设备由PLC及其扩展模块、光电交换机、单模光纤等组成。

根据设备采集及输出的开关和模拟量数量，项目中采用两台西门子ST40型CPU模块、一个EM AI08模拟量输入模块、两个EM AQ04模拟量输出模块，一个EM AR02热电阻模块，完成模数转换和通信功能。其中一台PLC放置在变压器端控箱内，用来将本体的二次开关量和模拟量转化为数字信号，另一台置于控制室，用于将数字信号转换回开关量和模拟量。光电交换机采用工业级MIENI1203型，用来将PLC转化的数字电信号转成光信号或将光信号转化回电信号。

3）工作原理

本系统主要工作过程是通过以下途径实现的：PLC作为主要数据采集和模数转化元件，首先将采集到的测控信号通过PLC转化成数字量，再经光纤交换机把电信号转换成光信号传输出去；在后台通过另一台光电交换机接收光信号，并通过后台的光电交换机接收后由后台PLC把信号转换回模拟量和开关量，两台PLC通过以太网、光纤网络组建网络通信，通过以太网协议实现两台之间的信息发送和接收。系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

2 软件编程测试

西门子S7-200 SMART CPU提供一个以太网端口，因此两台PLC可以方便地通过以太网口连接至光纤设备实现信息交换。本项目以太网通信协议采用TCP通信协议。TCP是一个因特网核心协议，在以太网通信的主机上运行的应用程序之间，TCP提供了可靠、有序并能够进行错误校验的消息交互功能。TCP能保证接收和发送的所有字节内容和顺序完全相同。

对S7-200 SMART之间的TCP通信，双方通过调用开放式用户通信指令库中的指令即可实现。

2.1 变压器端PLC编程

1）设置变压器端PLC IP地址

将变压器端PLC地址设置为192.168.0.101，如图2所示。

图2 设置变压器端PLC IP地址

2）建立变压器端PLC TCP连接

调用指令库中的TCP_CONNECT指令建立TCP连接，参数设置如图3所示。设置连接后台PLC地址为192.168.0.102，远端端口为2001，本地端口为5000，连接标识ID为1。

图3 设置变压器端TCP_CONNECT指令参数

3）调用发送数据指令

调用TCP_SEND指令发送以VB0为起始地址，数据长度为VW100内存储数据，发送到连接ID为1指定的后台端PLC。变压器端TCP_SEND指令的参数设置如图4所示。

图4 设置变压器端TCP_SEND指令参数

2.2 后台端PLC编程

1）设置后台端PLC IP地址

参照图2，设置IP地址为192.168.0.102。

2）建立后台端TCP连接

参照图3，调用TCP_CONNECT指令建立TCP连接。设置变压器端地址为192.168.0.101，远端端口为5000，本地端口为2001，连接标识ID为1。

3）后台端接收数据

后台端PLC调用TCP_RECV指令接收变压器端PLC发送的数据。接收的缓冲区长度为VW100内存储数据，数据接收缓冲区以VB1000为起始。后台端接收数据指令的设置如图5所示。

2.3 数据传输测试结果

按照图2—图5进行硬件连接和测试，并对PLC编程，进行数据传输试验。在图6中，VW0是变压器端发送的开关量数据，VW50是变压器端发送的1个模拟量数据，VW100是发送的数据长度。图7中，VW1000是后台端接收的对应开关量数据，VW1050是后台端接收的对应模拟量数据，VW100是接收的数据长度。通过变压器端PLC发送数据和后台端PLC接收数据一致性测试，数据结果显示：开关量数值完全相同；模拟量数值由于模拟量处在动态变化中以及传输的稍有滞后，结果稍有偏差，但从数值看差值很小，仅万分之三左右的误差，满足监测精度，达到了预定目标，证明方法可行。

图5 后台端TCP_RECV指令设置

图6 变压器端发送的数据

图7 后台端接收的数据

3 结论

通过本项目的软硬件实施，验证了其数据的准确性。系统运行可靠，获得了成功。本项目具有以下几方面的显著优点：

1）采用PLC作为通信控制设备，软、硬件设计简单，响应迅速，运行可靠。

2）采用光纤/以太网通信的方式，避免了铺设大量的电力电缆，可节省大量人力、物力，从而更节材。

3）采用光纤传输的方式，传输距离长，环境适应性强。

[1] 张会新, 余俊斌, 严帅, 等. 基于RS485总线的前端数字化数据采集系统[J]. 仪表技术与传感器, 2018, 000(6): 71-75.

[2] 王力锋. 内燃机车常见微机系统信号干扰问题分析处理[J]. 电子世界, 2018(7): 201, 203.

[3] 李道霖. 电气控制与PLC原理及应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2006.

[4] 王亮宽. 基于PLC实现的低压三进线三母联备自投系统[J]. 电气技术, 2010, 11(1): 51-54.

[5] 尹亮, 郑耀南. 变电站数字化改造施工中几个关键问题[J]. 电气技术, 2010, 11(5): 90-93.

[6] 冯光焰, 刘学辉. 光纤通信的保密抗干扰问题分析[J]. 无线电通信技术, 2007, 33(3): 16-17, 21.

Application of optical fiber communication technology based on PLC in transformer remote monitoring

XU Jinhong

(Baoding Tianwei Group Tebian Electric Co., Ltd, Baoding, Hebei 071056)

In the process of 110kV transformer's reconstruction, according to the characteristics of transformer signals much more and long transmission distance on-site, the method of transforming secondary switching signal and analog signal of transformer into digital signal through PLC and then communication through optical fiber was adopted, which successfully solved the practical difficulties.

transformer; programmable logic controller (PLC); optical fiber; communication

2020-06-23

2020-07-10

许金红（1978—），男，河北保定人，本科，高级工程师，主要从事智能化变压器设计工作。