許金紅

基于PLC的光纖通信技術在變壓器遠程監(jiān)控中的應用

許金紅

（保定天威集團特變電氣有限公司，河北 保定 071056）

在某電廠110kV變壓器改造過程中，針對變壓器現(xiàn)場信號多、與后臺傳輸距離遠等特點，本文提出并采用通過可編程邏輯控制器將變壓器二次開關量信號、模擬量信號轉化成數(shù)字信號再經由光纖通信傳到遠方后臺的方法，成功解決了實際困難。

變壓器；可編程邏輯控制器；光纖；通信

0 引言

在某電廠110kV變壓器改造過程中，二次信號的遠程傳輸中發(fā)現(xiàn)3個難題：①新增的變壓器本體二次信號較之前增加很多，增設電力電纜困難；②變壓器與后臺測控系統(tǒng)的傳輸距離較遠（800m），干擾源較多，模擬量信號衰減大，容易失真[1-2]；③后臺系統(tǒng)沿用以前老式的監(jiān)控系統(tǒng)，必須考慮新變壓器與老式后臺系統(tǒng)的兼容問題?？紤]到以上幾點，本文中提出對變壓器本體二次信號采用可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）轉化成數(shù)字信號[3-4]，并更換為通過光纖傳輸數(shù)字量[5]，由光纖傳輸?shù)竭_監(jiān)控室之后再將數(shù)字信號轉化成模擬量和開關量，實現(xiàn)與后臺系統(tǒng)的對接。該項目具有節(jié)省成本和安全可靠的優(yōu)點[6]。

1 系統(tǒng)組成及原理

1）變壓器信號采集量

本項目中從變壓器本體采集并需輸送的信號包含光纖測溫信號5路，全部為4～20mA模擬量；油溫、油位、瓦斯報警、光纖報警開關量信號15路和1路PT100溫度遠傳信號。采集到的信號傳輸?shù)娇刂剖液螅?5路開關量和5路模擬量仍保留不變，傳至后臺的1路PT100經轉化為4～20mA模擬量后接入監(jiān)控系統(tǒng)。

2）硬件組成

硬件設備由PLC及其擴展模塊、光電交換機、單模光纖等組成。

根據(jù)設備采集及輸出的開關和模擬量數(shù)量，項目中采用兩臺西門子ST40型CPU模塊、一個EM AI08模擬量輸入模塊、兩個EM AQ04模擬量輸出模塊，一個EM AR02熱電阻模塊，完成模數(shù)轉換和通信功能。其中一臺PLC放置在變壓器端控箱內，用來將本體的二次開關量和模擬量轉化為數(shù)字信號，另一臺置于控制室，用于將數(shù)字信號轉換回開關量和模擬量。光電交換機采用工業(yè)級MIENI1203型，用來將PLC轉化的數(shù)字電信號轉成光信號或將光信號轉化回電信號。

3）工作原理

本系統(tǒng)主要工作過程是通過以下途徑實現(xiàn)的：PLC作為主要數(shù)據(jù)采集和模數(shù)轉化元件，首先將采集到的測控信號通過PLC轉化成數(shù)字量，再經光纖交換機把電信號轉換成光信號傳輸出去；在后臺通過另一臺光電交換機接收光信號，并通過后臺的光電交換機接收后由后臺PLC把信號轉換回模擬量和開關量，兩臺PLC通過以太網(wǎng)、光纖網(wǎng)絡組建網(wǎng)絡通信，通過以太網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)兩臺之間的信息發(fā)送和接收。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 軟件編程測試

西門子S7-200 SMART CPU提供一個以太網(wǎng)端口，因此兩臺PLC可以方便地通過以太網(wǎng)口連接至光纖設備實現(xiàn)信息交換。本項目以太網(wǎng)通信協(xié)議采用TCP通信協(xié)議。TCP是一個因特網(wǎng)核心協(xié)議，在以太網(wǎng)通信的主機上運行的應用程序之間，TCP提供了可靠、有序并能夠進行錯誤校驗的消息交互功能。TCP能保證接收和發(fā)送的所有字節(jié)內容和順序完全相同。

對S7-200 SMART之間的TCP通信，雙方通過調用開放式用戶通信指令庫中的指令即可實現(xiàn)。

2.1 變壓器端PLC編程

1）設置變壓器端PLC IP地址

將變壓器端PLC地址設置為192.168.0.101，如圖2所示。

圖2 設置變壓器端PLC IP地址

2）建立變壓器端PLC TCP連接

調用指令庫中的TCP_CONNECT指令建立TCP連接，參數(shù)設置如圖3所示。設置連接后臺PLC地址為192.168.0.102，遠端端口為2001，本地端口為5000，連接標識ID為1。

圖3 設置變壓器端TCP_CONNECT指令參數(shù)

3）調用發(fā)送數(shù)據(jù)指令

調用TCP_SEND指令發(fā)送以VB0為起始地址，數(shù)據(jù)長度為VW100內存儲數(shù)據(jù)，發(fā)送到連接ID為1指定的后臺端PLC。變壓器端TCP_SEND指令的參數(shù)設置如圖4所示。

圖4 設置變壓器端TCP_SEND指令參數(shù)

2.2 后臺端PLC編程

1）設置后臺端PLC IP地址

參照圖2，設置IP地址為192.168.0.102。

2）建立后臺端TCP連接

參照圖3，調用TCP_CONNECT指令建立TCP連接。設置變壓器端地址為192.168.0.101，遠端端口為5000，本地端口為2001，連接標識ID為1。

3）后臺端接收數(shù)據(jù)

后臺端PLC調用TCP_RECV指令接收變壓器端PLC發(fā)送的數(shù)據(jù)。接收的緩沖區(qū)長度為VW100內存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)以VB1000為起始。后臺端接收數(shù)據(jù)指令的設置如圖5所示。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸測試結果

按照圖2—圖5進行硬件連接和測試，并對PLC編程，進行數(shù)據(jù)傳輸試驗。在圖6中，VW0是變壓器端發(fā)送的開關量數(shù)據(jù)，VW50是變壓器端發(fā)送的1個模擬量數(shù)據(jù)，VW100是發(fā)送的數(shù)據(jù)長度。圖7中，VW1000是后臺端接收的對應開關量數(shù)據(jù)，VW1050是后臺端接收的對應模擬量數(shù)據(jù)，VW100是接收的數(shù)據(jù)長度。通過變壓器端PLC發(fā)送數(shù)據(jù)和后臺端PLC接收數(shù)據(jù)一致性測試，數(shù)據(jù)結果顯示：開關量數(shù)值完全相同；模擬量數(shù)值由于模擬量處在動態(tài)變化中以及傳輸?shù)纳杂袦螅Y果稍有偏差，但從數(shù)值看差值很小，僅萬分之三左右的誤差，滿足監(jiān)測精度，達到了預定目標，證明方法可行。

圖5 后臺端TCP_RECV指令設置

圖6 變壓器端發(fā)送的數(shù)據(jù)

圖7 后臺端接收的數(shù)據(jù)

3 結論

通過本項目的軟硬件實施，驗證了其數(shù)據(jù)的準確性。系統(tǒng)運行可靠，獲得了成功。本項目具有以下幾方面的顯著優(yōu)點：

1）采用PLC作為通信控制設備，軟、硬件設計簡單，響應迅速，運行可靠。

2）采用光纖/以太網(wǎng)通信的方式，避免了鋪設大量的電力電纜，可節(jié)省大量人力、物力，從而更節(jié)材。

3）采用光纖傳輸?shù)姆绞?，傳輸距離長，環(huán)境適應性強。

[1] 張會新, 余俊斌, 嚴帥, 等. 基于RS485總線的前端數(shù)字化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 儀表技術與傳感器, 2018, 000(6): 71-75.

[2] 王力鋒. 內燃機車常見微機系統(tǒng)信號干擾問題分析處理[J]. 電子世界, 2018(7): 201, 203.

[3] 李道霖. 電氣控制與PLC原理及應用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006.

[4] 王亮寬. 基于PLC實現(xiàn)的低壓三進線三母聯(lián)備自投系統(tǒng)[J]. 電氣技術, 2010, 11(1): 51-54.

[5] 尹亮, 鄭耀南. 變電站數(shù)字化改造施工中幾個關鍵問題[J]. 電氣技術, 2010, 11(5): 90-93.

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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

許金紅（1978—），男，河北保定人，本科，高級工程師，主要從事智能化變壓器設計工作。