在某電廠110kV變壓器改造過程中，二次信號的遠(yuǎn)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(shè)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(yuǎn)（800m），干擾源較多，模擬量信號衰減大，容易失真；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。

考慮到以上幾點，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(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并更換為通過光纖傳輸數(shù)字量，由光纖傳輸?shù)竭_(dá)監(jiān)控室之后再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬量和開關(guān)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。

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(guān)量信號15路和1路PT100溫度遠(yuǎn)傳信號。采集到的信號傳輸?shù)娇刂剖液螅?5路開關(guān)量和5路模擬量仍保留不變，傳至后臺的1路PT100經(jīng)轉(zhuǎn)化為4～20mA模擬量后接入監(jiān)控系統(tǒng)。

2）硬件組成

硬件設(shè)備由PLC及其擴(kuò)展模塊、光電交換機(jī)、單模光纖等組成。

根據(jù)設(shè)備采集及輸出的開關(guān)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(zhuǎn)換和通信功能。

其中一臺PLC放置在變壓器端控箱內(nèi)，用來將本體的二次開關(guān)量和模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，另一臺置于控制室，用于將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換回開關(guān)量和模擬量。光電交換機(jī)采用工業(yè)級MIENI1203型，用來將PLC轉(zhuǎn)化的數(shù)字電信號轉(zhuǎn)成光信號或?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)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(zhuǎn)化元件，首先將采集到的測控信號通過PLC轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，再經(jīng)光纖交換機(jī)把電信號轉(zhuǎn)換成光信號傳輸出去；在后臺通過另一臺光電交換機(jī)接收光信號，并通過后臺的光電交換機(jī)接收后由后臺PLC把信號轉(zhuǎn)換回模擬量和開關(guān)量，兩臺PLC通過以太網(wǎng)、光纖網(wǎng)絡(luò)組建網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用程序之間，TCP提供了可靠、有序并能夠進(jìn)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(nèi)容和順序完全相同。

對S7-200 SMART之間的TCP通信，雙方通過調(diào)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(shè)置變壓器端PLC IP地址

將變壓器端PLC地址設(shè)置為192.168.0.101，如圖2所示。

圖2 設(shè)置變壓器端PLC IP地址

2）建立變壓器端PLC TCP連接

調(diào)用指令庫中的TCP_CONNECT指令建立TCP連接，參數(shù)設(shè)置如圖3所示。設(shè)置連接后臺PLC地址為192.168.0.102，遠(yuǎn)端端口為2001，本地端口為5000，連接標(biāo)識ID為1。

圖3 設(shè)置TCP_CONNECT指令參數(shù)

3）調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)指令

調(diào)用TCP_SEND指令發(fā)送以VB0為起始地址，數(shù)據(jù)長度為VW100內(nèi)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(shè)置如圖4所示。

圖4 設(shè)置TCP_SEND指令參數(shù)

2.2 后臺端PLC編程

1）設(shè)置后臺端PLC IP地址

參照圖2，設(shè)置IP地址為192.168.0.102。

2）建立后臺端TCP連接

參照圖3，調(diào)用TCP_CONNECT指令建立TCP連接。設(shè)置變壓器端地址為192.168.0.101，遠(yuǎn)端端口為5000，本地端口為2001，連接標(biāo)識ID為1。

3）后臺端接收數(shù)據(jù)

后臺端PLC調(diào)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(nèi)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(shè)置如圖5所示。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸測試結(jié)果

按照圖2—圖5進(jìn)行硬件連接和測試，并對PLC編程，進(jìn)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(guān)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(yīng)開關(guān)量數(shù)據(jù)，VW1050是后臺端接收的對應(yīng)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(jié)果顯示：開關(guān)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?，結(jié)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(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，證明方法可行。

圖5 后臺端TCP_RECV指令設(shè)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(jié)論

通過本項目的軟硬件實施，驗證了其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)運(yùn)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(shè)備，軟、硬件設(shè)計簡單，響應(yīng)迅速，運(yùn)行可靠。

2）采用光纖/以太網(wǎng)通信的方式，避免了鋪設(shè)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(yīng)性強(qiáng)。

本文編自2021年第1期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于PLC的光纖通信技術(shù)在變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用”，作者為許金紅。