基于PLC的电力供电系统自动化监控系统

尹 亮，陈贵凤，杨晓龙，侯天仁

（1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，银川 750001；2.国网电力科学研究院，北京 100192)

0 引言

经济高速发展背景下，电力供电系统趋于智慧化以及规模化发展，电力供电系统中的数据量急剧增加。电力供电系统自动化监控系统作为高新技术，受到众多研究学者的关注。电力供电系统监控系统的日益成熟，人们对电力供电系统的自动化监控提出了更高的要求。研究学者们致力于优化电力供电系统自动化监控技术，智能化控制技术在该领域得到了广泛的应用。

PLC技术是工业自动化技术中的重要技术，PLC技术具有较高的控制性能，PLC技术是利用单片机实现系统控制的重要技术。PLC技术目前广泛应用于自动化控制以及供配电系统中。电力供电系统自动化监控系统中的PLC技术不仅应该具有高效的控制性能，同时还应满足电力供电系统的扩展性需求[1]。为了令PLC技术更好地适应电力供电系统自动化监控的控制需求，用户可以利用自主选择方式选择系统应用模块，满足电力供电系统自动化监控系统的多样化需求。将PLC技术应用于电力供电系统自动化监控中，提升电力供电系统自动化监控的工作效率。电力供电系统管理人员可以依据自动化监控结果，调整电力系统供配电情况，改善电力供电系统的供配电质量。通过自动化监控系统，实时发现电力供电系统运行中存在的异常，避免电力供电系统出现安全风险。

目前针对电力系统故障控制以及电压调节的研究较多，崔明勇等人将FOPI+FOPD控制器应用于电力系统的电压调节中[2]；甘国晓等人针对电力系统的故障控制，采用概率论的方式展开研究[3]。以上两种方法可以实现电力系统的电压调节以及故障控制，但是无法实现电力系统的全方位监控。研究基于PLC的电力供电系统自动化监控系统，通过系统测试验证所设计系统可以实现电力供电系统的全方位监控，提升电力供电系统的运行可靠性。

1 电力供电系统自动化监控系统

1.1 系统总体结构

所设计基于PLC的电力供电系统自动化监控系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

通过图1系统总体结构可以看出，通过数据采集模块采集测控设备、保护设备、电度表等电力供电系统中的数据，利用通信模块传送至PLC控制模块，依据用户的监控需求，通过PLC可编程逻辑控制芯片将用户所需的自动化监控结果利用监控中心显示界面展示至用户。

1.2 系统硬件设计

1.2.1 PLC可编程逻辑控制芯片

PLC可编程逻辑控制芯片位于系统的PLC控制模块中。选取西门子公司的6ES7 2210BA23-0xA0的PLC可编程逻辑控制芯片作为电力供电系统自动化监控系统的NAND FLASH，芯片容量为128MB。系统采用3.5V的电源为PLC可编程逻辑控制芯片供电，PLC可编程逻辑控制芯片工作电压为2.8V-3.8V。控制模块中的PLC可编程逻辑控制芯片与微处理器S3C2510芯片的总线连接图如图2所示。

图2 PLC的总线连接图

电力供电系统自动化监控系统运行时，除了设置DSP、SOC等控制部件外，还需要设置控制PLC芯片通信、调试、存储等辅助外围设备，即需要设置PLC可编程逻辑控制芯片的外围设备。

PLC可编程逻辑控制芯片的运行性能决定了系统的监控性能，系统需要针对PLC芯片设计操作程序，利用所设计操作程序管理系统中存储器分配情况、系统任务调度以及中断处理等各项软件程序。通过PLC软件设计为PLC可编程逻辑控制提供操作程序。

所采用PLC可编程逻辑控制芯片的ISA总线具有16位的数据宽度，包含输入继电器和输出继电器各64个，PLC可编程逻辑控制芯片的数据线宽度为8位，数据线利用TSOP封装。控制模块中的S3C2510芯片包含NAND FLASH存储功能。

1.2.2 数据采集模块

电力供电系统输出的电压与电流信号包括随机函数、冲击脉冲以及正弦波三种方式，采用整流电路测量电力供电系统的输出信号时，可以获取准确的正弦波测量数值。电力供电系统输出的电压与电流为冲击脉冲状态时，无法获取精准的信号测量结果。

选取AD737芯片作为数据采集模块测量输出电流的采样芯片。AD737芯片是一种直流转换器，直流转换器是具有直流成分以及交流成分的真均方根值，所采集电流为不同形式信号时，均可以获取精准的电流与电压数据采集结果。电力供电系统输出的电流设置一个标准电阻进行电流采样，利用差分放大电路对所采样电流进行放大[4]，放大的电流利用AD737芯片计算电力有效值，完成计算的电流值进行下一次差分放大。完成差分放大数据，利用AD转换模块将电流信号转换为数据传送至PLC芯片内部，PLC芯片接收所获取的电流数据后，在监控系统的显示界面中显示电流采样结果。

自动化监控系统采集电力供电系统的直流母线电压的电路图如图3所示。

图3 直流母线电压采样电路图

选取型号为MIK-DZV的电压传感器采集电力供电系统的直流母线电压，所采集电压信号利用AD转换模块转换后传送至PLC芯片中，PLC芯片将所接收的母线电压值利用系统显示界面展示。

1.2.3 系统通信模块

选取Modbus总线协议作为自动化监控系统的通信协议。选取客户端/服务器结构作为系统各供电装置的通信结构，依据自动化监控系统的监控需求，将监控任务分配至系统客户端和服务器端，利用客户端具有的处理能力，降低自动化监控系统的通讯开销，降低自动化监控系统的服务器工作量。

自动化监控系统的通信模块结构图如图4所示。

图4 通信模块结构图

系统所采用的Modbus总线通信协议是请求-应答协议，电力供电系统的监控中心和待监控设备分别作为Modbus总线协议的主站和从站，主站利用单播模式将信息传送至从站，从站的读写操作需要主站完成。利用RS-485串行链路，选取RTU传输方式通过Modbus总站通信协议实现待监控电力供电系统中众多设备的通信。选取循环冗余校验方式作为通信模块的差错校验方式。自动化监控系统运行过程中，各监控设备具有唯一的地址。自动化监控系统的PLC芯片、显示设备、工控机等设备均支持以太网通信方式，通信模块为各芯片以及设备分配独立的IP地址。

选取Modbus总线通信协议中的TCP/IP方式实现工控机、PLC芯片等设备间的通讯，该协议开放性较高，具有较高的兼容性，适用于远程监控系统中。以太网通信方式无需设置复杂的通信程序[5]，仅需要设置自动化监控系统中的设备IP、网关以及子网掩码，令待通信设备处于相同网端即可实现系统通信。

1.3 系统软件设计

1.3.1 基于振荡幅度调制算法的PLC监控控制

PLC控制模块利用振荡幅度调制算法实现自动化监控控制。PLC芯片应用于电力供电系统自动化监控系统时，采用振荡幅度调制算法提升PLC芯片对自动化监控系统的控制性能。

利用电压传感器以及电流采集芯片等数据采集装置采集电力供电系统的电压数据、电流数据等数据时，为了实现功率增益分配均衡，设置输入系统的调谐回路信号表达式如式(1)所示：

式(1)中，Rs与Rr分别表示相干接收机采集的高频信号以及低频信号；h1与Msr分别表示调谐信号以及调谐系数；ω0与Ll分别表示载频分量以及中频振荡器在静态工作点时的工作频率。

选取互相关接收机的方式，将所采集信号通过交流电路放大后，获取调幅发射机的增益分配信息。经过振荡处理后，调频发射机基带信号的滤波输出表达式如式(2)所示：

式(2)中，n(t)与g(t)分别表示所采集信号输出量以及高频信号输出量。

系统接收信号时，利用选频滤波处理方法，均衡处理通带内频谱分量的增益分配。通过选频滤波处理方法处理后，接收机振荡起振，输出的电流幅值表达式如式(3)所示：

式(3)中，Vs与Vc分别表示高频电压以及干扰电压信号，Z表示阻抗。

相干接收机相位裕度为最高值时，设置接收机的模拟预处理机可以处理的最大范围为-50dB-50dB，相干放大量可提升至100dB。采用两级放大方式作为调幅发射机的放大方式，该方式有效避免系统运行过程中的直耦噪声干扰。选取自适应噪声抵消算法，提升系统设置的发射机与接收机的抗干扰性能。

1.3.2 电力供电系统自动化监控流程

所设计自动化监控系统可以监控电力供电系统中的母线电压、支路电流、主变压器油温等众多数据，实现电力供电系统设备以及线路参数的实时监控。系统不仅可以实现电力供电系统中各项数据的实时采集，并且具有数据历史趋势查询功能。电力供电系统自动化监控流程如图5所示。

图5 自动化监控流程

系统启动时，利用PLC可编程逻辑控制芯片编程，为自动化监控系统主界面的相关控件变量赋值，对自动化监控系统的相关控件和控制按钮设置控制代码。用户通过自动化监控系统的显示界面选取所需功能时，系统自动触发相关监控功能，通过监控界面为用户展示用户所需监控结果。

2 系统测试

为了验证所设计系统对于电力供电系统的自动化监控性能，将该系统应用于某电力企业的电力供电系统中。通过所设计系统监控电力供电系统中的主变压器、电路电流、母线电压以及电力供电系统中设置的静态补偿装置等众多装置运行状况。

本文系统运行过程中，主变压器运行状态显示结果如图6所示。

图6 主变压器运行状态

通过图6系统测试结果可以看出，本文系统运行过程中，可以获取主变压器的运行温度、功率等运行数据，验证采用本文系统自动化监控电力供电系统的主变压器运行状态有效性。本文系统可以直观展示主变压器不同侧的电流，有助于电力供电系统管理人员依据主变压器的运行状态制定调度计划，采用本文系统监控变压器的电流与电压结果如图7所示。

图7 站用变压器运行状态

通过图7系统测试结果可以看出，采用本文系统可以有效监控站用变压器的低压侧电流以及低压侧电压。所设计系统可以直观展示所设计站用变压器的运行状态，令电力供电系统的管理人员明确站用变压器的实时运行状态。

采用本文系统监控电力供电系统中供电线路的节点电流变化结果如图8所示。

图8 供电线路节点电流监控结果

通过图8系统测试结果可以看出，采用本文系统可以实时监控电力供电系统中供电线路的节点电流。电力供电系统的监控人员可以利用供电线路运行状态，判断供电线路是否为可靠状态。配电网存在故障或运行异常情况时，监控人员可以通过监控结果的电流变化状态，快速确定电力供电系统的故障点，尽早解决电力供电系统中存在的故障，提升电力供电系统的运行可靠性。

电力供电系统的计量装置计量精准性决定了系统的运行可靠性。监控过程中，不同位置计量装置的计量误差，统计结果如图9所示。

图9 计量装置计量误差

通过图9系统测试结果可以看出，采用本文系统自动化监控电力供电系统，对于不同位置设置的计量装置，本文系统均可以实现低于0.06%的计量误差，验证本文系统具有较高的电力供电系统计量装置监控有效性。电力供电系统可以利用本文系统具有的监控性能，通过高精度的计量结果，提升电力供电系统的供电计量可靠性。

统计采用本文系统监控电力供电系统9天，电力供电系统的日平均电压，将日平均电压监控结果与未采用本文系统监控的电力供电系统电压对比，对比结果如图10所示。

图10 电压波动监控结果

通过图10系统测试结果可以看出，采用本文系统可以有效监控供电网络的电压波动状况。本文系统监控的电力供电系统相比于未采用本文系统监控时，电压波动有了明显改善。电力供电系统在用电高峰期容易存在电压波动情况，影响供电质量。采用本文系统自动化监控电力供电系统，管理人员可以针对电力供电系统运行情况，制定相应解决策略，改善电力供电系统存在的电压波动情况，提升供电质量。

采用本文系统自动化监控电力供电系统时，设定了运行参数报警功能，电力供电系统运行参数存在异常或运行参数数值偏高时，自动化监控系统将启动自动报警功能。统计采用本文系统自动化监控电力供电系统，系统启动自动报警的具体内容，统计结果如表1所示。

表1 自动化监控系统自动报警内容

通过表1实验结果可以看出，本文系统可以依据电力供电系统的设备以及线路运行状态，实现电力供电系统的自动化监控。系统可以实时监控电力供电系统设备以及线路运行状态，发现异常时快速发出警报，电力供电系统维修人员接收报警信息后，及时提出故障解决策略，可使电力供电系统快速恢复正常运行状态。

3 结语

为了适应当前社会不断发展的需求，电力供电系统应该提升自身的自动化水平，满足社会对电力供电系统的需求。将PLC技术应用于电力供电系统的自动化监控中，实现电力供电系统自动化水平的不断完善，提升电力供电系统的供电效率以及供电质量，保证电力供电系统维持稳定的供配电水平。通过系统测试验证，将该系统应用于电力供电系统中，可以降低电力供电系统的故障发生率，提升电力供电系统的供电稳定性，应用前景广泛。