关键词：配电柜；绝缘监测；PLC
Abstract: This paper implements the insulation monitoring system of the distribution cabinet based on the programmable controller (PLC). The insulation monitoring system uses PLC as the execution center of the lower computer, and realizes the insulation intelligent monitoring and abnormal alarm of the power distribution cabinet through the insulation monitoring module, which ensures the normal operation of the power distribution system.
Key words: Wind power equipment; Low voltage ride through technology; Crowbar circuit; high voltage inverter
1 引言
从20世纪80年代我国开始引进配电柜，到90年代逐步形成成套的设施，通过将国外先进设备引进中国，在技术上实现了很大突破。从引进的国外设备来看，这些设备在设备故障防护水平、柜体设计、加工工艺程度以及智能化开关设备中都具有先进的水平。同时也推动了国内各大企业致力于集中监控，更加积极的进行智能化成套设施与智能化开发。配电柜是配电系统中的主要配电设备，其性能好坏直接关系到电力系统安全生产工作能否顺利开展。特别是对配电系统的绝缘性能监测是为提高IT系统电气设备运行可靠性，及时发现早期故障，对配电系统中运行的各种电气设备的绝缘状况进行的实时检测与诊断[1]。
通常配电系统都采用三相不接地方式，目的是当一相意外接地时，配电系统能正常工作。但是在这种情况下，必须检测出该故障，通知相关人员维修，因为如果两相接地就会发生短路问题。因此开展关于配电柜绝缘监测技术的研究，对于提升配电系统稳定性和安全性、保证电气设备安全具有十分重要的意义[2]。为了提高供电质量，保证配电系统的正常运行，当出现故障时，配电柜应该把配电系统工作状态实时发送给供配电中心，以便能够快速判断系统故障，远程定位故障位置并排除故障，从而恢复电力的供应[3]。
本文从介绍一种基于PLC控制的配电柜监测系统，通过绝缘监测模块主动发射探测信号，通过PLC根据采样电阻和探测信号计算出待测绝缘电阻真实值，并与预设值进行比较以判断是否发生故障，发出报警信号，报警信号则通过数字信号输入接口发送指令给上位机进行故障定位操作。
2 现阶段的实际应用
2.1 现阶段的技术方案
现有技术中很少通过监测配电支路的绝缘电阻来进行配电系统接地故障判断和报警，因为绝缘电阻无法直接测得，因此现有技术中要么是在配电系统中出现故障后，再通过人工现场排查以排除故障，要么是通过监测配电支路上的电流/电压值来进行故障判断与报警，当电流/电压值与预设值出现偏差时，则判断为发生故障。
2.2 现阶段存在的问题
目前，上述通过电流/电压值进行故障判断和预警的方式无法直接判断故障类型，也就是无法直接判断出配电支路的接地故障，需要通过对数据分析和后处理才能得出故障类型，这对于一般的非智能配电系统来说基本上是无法实现故障类型的判断，只能通过人工现场排查解决，费时费力。
现有的非智能绝缘监测装置只能告知绝缘故障信息，但是并不能具体定位出产生故障的所在地，维修时只能逐个排查支路故障，而有的支路又连接着重要的电气设备，不能随意关断，这就给维修带来了极大的不便。
3 配电柜监测系统
3.1 系统组成
基于上述弊端，提出了一种基于PLC控制的配电柜监测系统。具体在配电柜内设置有绝缘监测模块、绝缘故障定位模块、多个电流传感器以及两个PLC。如图1所示，绝缘监测模块与配电电网连接，绝缘监测模块包括脉冲信号发生器和采样电阻，脉冲信号发生器向配电电网发送探测信号，探测信号通过待测绝缘电阻后变化为中间信号，电流传感器输入端与待测绝缘电阻远离绝缘监测模块的一端连接，电流传感器用于采集中间探测信号，绝缘故障定位模块的一端与电流传感器的输出端连接，绝缘故障定位模块的另一端与绝缘监测模块连接，绝缘故障定位模块将中间探测信号与对应待测绝缘电阻的信息发送给绝缘监测模块。
图1 配电柜监测系统图
绝缘故障定位模块包括两级放大电路、两个滤波单元和积分器，第一级放电电路的输入端与电流传感器的输出端连接，第一个滤波单元的输入端与积分器的输出端连接，第二级放大电路的输入端与第一个滤波单元的输出端连接，第二个滤波单元的输入端与第一级放大电路的输出端连接，第二个PLC的信号输入端与第二个滤波单元的输出端连接。
3.2 实现原理
第一个PLC根据采样电阻和中间信号计算出待测绝缘电阻的实际阻值，并与设定值比较依次判断是否发生接地故障；第二个PLC的信号输出端连接至上位机，上位机根据第二个PLC的传输信号进行故障定位操作。具体的，当测得的绝缘电阻低于设定绝缘故障预报警电阻R1时，绝缘监测模块通过第一个PLC向上位机发送预报警信号，显示屏显示预报警信息。当测得的绝缘电阻低于设定绝缘故障报警电阻R2时，绝缘监测模块通过第一个PLC向上位机发送报警信号，显示屏显示报警信息。同时上位机发送定位信号进行定位，绝缘故障定位模块通过第二个PLC采集安装于配电支路中的电流传感器信号，分析可能出现的故障支路，并通过CAN接口发送给绝缘监测模块，绝缘电阻监测模块收到故障支路信息后通过显示屏显示该信息。
4 硬件系统
4.1 PLC
S7-200属于SIMATIC系列PLC中微型产品，为无风扇、模块化结构，具有结构紧凑、可靠性高的优点，编程语言为梯形图、语句表和功能块3种模式，指令功能强大，易于掌握、操作方便。S7-200 PLC本机集成了输入输出端口和24V负载电源，可以选择不同的电源电压和控制电压，内部集成了电源、高级电容和实时时钟。S7-200 PLC指令功能强大，有布尔、传送、比较、移位、产生补码、调用子程序、算数运算、数制转换、字逻辑运算等指令，可以采用主程序、中断程序和最多八级子程序结构，可使用1～255ms定时中断。程序中可以设置多级口令保护，监控定时器的定时时间为300ms。S7-200 PLC还支持模拟量输出、模拟量输入、数字量输出、数字量输入、测温模块、通信模块的扩展功能，为CPU增加大量的附加功能[4]。
4.2 通讯单元
PLC具有强大的网络连接功能，可以方便的联入计算机、人机接口设备及其他处理器。S7-200型PLC通讯接口为RS-485信号接口，利用PC/PPI电缆与计算机实现网络连接。通讯模式具有点对点通讯和自由通讯2种，点对点通讯用于实现PLC与编程器等产品之间通讯，自由通讯用户可以自己定义通讯协议。点对点通讯只能应用在停止方式下，而自由通讯可以应用在运行方式下。
5 结论
本文所提出的基PLC控制的配电柜监测系统，各控制模块互相独立，可以快速判断故障类型并进行定位，在维修时只需更换故障模块即可，一方面减小维修操作难度，另一方面通过设计消除已判定的危险或减少有关的风险，减轻事故中人员的伤害和设备的损坏，对于配电系统的稳定性发展，具有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1] 刘明琦. 矿用低压配电柜温度监测系统设计[J]. 煤矿安全,2019(09):0106-03.
[2] 贾澜,苗红霞. 基于PLC的箱式变电站监控系统设计[J]. 电子测试, 2017-14-014.
[3] 孟凯. 低压电网配电柜及防反送电装置功能特性综述[J]. 机械管理开发, 2019,12-0267-03.
[4] 李梅. 低压配电柜温度监测系统设计研究[J]. 检验检测, 2019, 39(24).
作者简介：
余勇，男，1986年9月出生，本科学历，工程师，研究方向为电气技术。
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