基于PLC的太阳能微电网监控装置的制作方法

基于plc的太阳能微电网监控装置
技术领域
1.本实用新型涉电气控制领域，尤其涉及一种基于plc的太阳能微电网监控装置。


背景技术：

2.微电网系统简单可靠，灵活方便，不受资源分布地域的限制，但是现在的微电网发电设备智能应用相对较少，并且需要工作人员实时维护，重复性高、强度大、高风险的工作都是由人力完成，给供电安全带来了很多的不确定性。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是为了提供一种基于plc的太阳能微电网监控装置，效率高、安全可靠。
4.为解决以上技术问题，本实用新型的技术方案为：基于plc的太阳能微电网监控装置，包括数据采集装置、控制系统和触摸屏；
5.数据采集装置包括连接于逆变器直流侧的直流变送器和连接于逆变器交流侧的交流变送器；直流变送器用于采集逆变器直流侧电量，交流变送器用于采集逆变器交流侧电量；
6.控制系统包括控制器和开关控制电路；控制器的输入端连接于数据采集装置，输出端连接于开关控制电路；控制器用于根据采集的数据输出开关控制电路的控制信号；开关控制电路包括直流继电器和交流继电器，直流继电器用于控制光伏电池和逆变器直流侧通断，交流继电器用于控制逆变器交流侧和用户侧的通断，直流继电器线圈端连接于控制器，直流继电器负载端连接于光伏电池和逆变器直流侧；交流继电器线圈端连接于控制器，交流继电器负载端连接于逆变器交流侧和用户侧；
7.触摸屏连接于控制器用于显示检测的数据及人机交互。
8.按以上方案，直流变送器包括直流电流变送器和直流电压变送器，交流变送器包括交流电流变送器和交流电压变送器；
9.直流电流变送器的穿孔围设于光伏电池和逆变器直流侧之间正电源线，交流电流变送器的穿孔围设于逆变器交流侧和用户侧之间正电源线；
10.直流电压变送器信号采集端连接于光伏电池和逆变器直流侧之间，交流电压变送器信号采集端连接于逆变器交流侧和用户侧之间。
11.按以上方案，控制器采用的是plc，plc采用的是fx5u型plc，fx5u型plc内置的ad模块为fx5-232adp，直流变送器和交流变送器的输出端均连接于模拟量输入端。
12.按以上方案，plc还包括用于扩展的ad模块，通过fx5u-4ad-adp模块来扩展。
13.按以上方案，直流继电器包括高压直流继电器和低压直流继电器，低压直流继电器线圈端连接于控制器，低压直流继电器负载端连接于高压直流继电器线圈端，高压直流继电器负载端连接于光伏电池和逆变器直流侧；在高压直流继电器前用低压直流继电器控制高压直流继电器的通断，既可以保护plc设备的安全，也可以保护操作人员的人身安全。
14.按以上方案，控制系统还包括用于将交流220v转换为24v直流电的直流整流器，直流整流器输入端连接于逆变器交流侧，直流整流器连接于直流变送器、交流变送器、直流继电器、交流继电器的电源端用于提供工作电压。
15.按以上方案，控制器与触摸屏之间通过支持modbusrtu协议的rs485接口数据线连接。
16.按以上方案，控制器与触摸屏之间通过cc-link通信连接。
17.按以上方案，触摸屏使用的是三菱gs2100系列。
18.本实用新型具有如下有益效果：
19.一、本实用新型为以可编程控制器和触摸屏为控制中心的微电网监控装置，采集逆变器直流侧和交流侧数据状态，实时监测微电网系统中电量参数，实现电网电能质量的实时在线监测，简单实用；
20.二、本实用新型实现太阳能微电网并网在线运行监测与故障监测，并在电路系统故障时，采用plc控制继电器动作切除故障点，降低了故障排除的人工参与度与成本，效率高，提高了微电网的安全性与可靠性，为微电网设备的稳定运行提供安全的保障。
附图说明
21.图1为本发明实施例整体结构示意图；
22.图2为本实施例中数据采集装置的电路原理图；
23.图3为本实施例中数据采集装置与控制器连接的电路原理图；
24.图4为本实施例中控制器与开关控制电路连接的电路原理图；
25.图5为本实施例中控制器输入端电流转电压的原理图；
26.图6为本实施例中数据交互结构图；
27.图7为本实施例中故障分析的流程图。
28.附图标记：1、数据采集装置；2、控制器；3、开关控制电路；4、触摸屏。
具体实施方式
29.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。
30.请参考图1至图7，本实用新型为一种基于plc的太阳能微电网监控装置，设于太阳能微电网中，微电网中的光伏电池发出电能并通过逆变器将直流电转换成交流电后给用户侧使用，监控装置包括数据采集装置1、控制系统和触摸屏4；数据采集装置1采集电路电量参数，包括直流变送器和交流变送器；控制系统包括控制器2和开关控制电路3；控制器2的输入端连接于数据采集装置1，输出端连接于开关控制电路3；控制器2用于根据采集的数据输出开关控制电路3的控制信号；开关控制电路3包括直流继电器和交流继电器，直流变送器和交流变送器采集并转换电路直流电量与交流电量输入至控制器2中，控制器2输出端连接直流继电器，直流继电器开关部分即负载端连接被保护电路，控制器2输出驱动继电器动作实现电路保护；继电器用于保护光伏逆变器输入端和光伏逆变器输出端；触摸屏4连接于控制器2用于显示检测的数据及人机交互。
31.结合图1和图2，数据采集装置1包括连接于逆变器直流侧的直流变送器和连接于
逆变器交流侧的交流变送器；直流变送器用于采集逆变器直流侧电量，交流变送器用于采集逆变器交流侧电量；直流变送器包括直流电流变送器和直流电压变送器，交流变送器包括交流电流变送器和交流电压变送器；
32.图2中圆圈i
dc
和i
ac
对应的位置为直流电流变送器和交流电流变送器的穿孔，i
dc
对应直流电流变送器，i
ac
对应交流电流变送器；
33.正电源线v 分别穿过直流电流变送器和交流电流变送器的穿孔；直流电流变送器的穿孔围设于光伏发电阵列和逆变器直流侧之间正电源线，交流电流变送器的穿孔围设于逆变器交流侧和用户侧之间正电源线；直流电流变送器和交流电流变送器的穿孔用于电流数据采集；
34.直流电压变送器信号采集端连接于光伏发电阵列和逆变器直流侧之间，交流电压变送器信号采集端连接于逆变器交流侧和用户侧之间；参阅图2，直流电压变送器和交流电压变送器的引脚“1”、“3”端用于电压数据采集；
35.直流变送器和交流变送器的“10”、“11”端是电源端，连接于24v直流电源，获取工作电压。直流电压变送器和交流电压变送器的“8”、“12”端用于数据采集的输出。直流电流变送器和交流电流变送器的“8”、“12”端用于数据采集的输出。
36.结合图1、图3至图5，控制系统包括控制器2和开关控制电路3；控制器2的输入端连接于数据采集装置1，输出端连接于开关控制电路3；
37.控制器2用于根据采集的数据输出开关控制电路3的控制信号；控制器2采用的是plc，plc采用的是fx5u型plc，fx5u型plc内置的ad模块为fx5-232adp，直流变送器和交流变送器的输出端均连接于ad模块的模拟量输入端，ad模块输出端连接于plc；
38.变送器将所测的信号转为fx5u型plc模拟量模块所需要的0至10 v直流电压，而fx5u型plc的自带模块数字输入特性为0至4000，因此理论上对应的比例为1:400，由此可计算出采集信号的实际大小。plc模拟量模块v-接地，v＋与信号输入端相连，电阻阻值选取500ω；由于v-为0v，所以与v－相连的电阻一端电压为0v，选取最大输入电压为10v，最大输出电流为20ma，因此电压除以电流即可得到外界电阻的阻值。当不需要使用通道时，将v＋与v-短接。
39.本实施例中，plc采用的是fx5u型plc，内置ad模块即模拟量模块为fx5-232adp，内置12位2ch模拟量输入，1ch模拟量输出，fx5u内置模拟量模块端子如图所示，其中v1 与v1-为第一路模拟量输入，v2 与v2-为第二路模拟量输入，输入电压dc 0至10v，对应的模拟量输入特殊寄存器sd6020反映出的是一个0至4000的值，v2 与v2－对应的模拟量输入特殊寄存器是sd6060。采集模块需要采集的量大于两个，因此自带的模拟量模块不够用，所需要用到fx5u-4ad-adp模块来扩展，扩展的ad模块原理与自带的ad模块原理相同。
40.结合图1和图4，开关控制电路3切断故障电路，包括直流继电器和交流继电器，直流继电器用于控制光伏发电阵列和逆变器直流侧通断，交流继电器用于控制逆变器交流侧和用户侧负荷的通断，直流继电器线圈端连接于控制器2，直流继电器负载端连接于光伏发电阵列和逆变器直流侧；交流继电器线圈端连接于控制器2，交流继电器负载端连接于逆变器交流侧和用户侧；
41.本实施例中，在发电侧的直流继电器为高压直流继电器，为了保障安全，在高压直流继电器前用低压直流继电器控制高压直流继电器的通断，既可以保护plc等设备的安全，
也可以保护操作人员的人身安全。低压直流继电器线圈端连接于控制器2，低压直流继电器负载端连接于高压直流继电器线圈端，高压直流继电器负载端连接于光伏发电阵列和逆变器直流侧；
42.控制系统还包括用于将交流220v转换为24v直流电的直流整流器，直流整流器输入端连接于逆变器交流侧，直流整流器连接于直流变送器、交流变送器、直流继电器、交流继电器的电源端用于提供工作电压。plc上设有熔断器和开关，参阅图4，plc的引脚x0接启停开关，引脚x1接急停开关，引脚x2接熔断器，进一步保护plc设备安全。在其他一些实施例中，控制器plc采用以太网与另设的上位机通信，设有上位机时，上位机远程监控使用力控这一组态软件实时显示plc中的测量数据，上位机与plc之间使用以太网通信监控控制系统的控制情况。
43.控制器plc控制继电器动作的工作原理为：plc驱动继电器动作实现保护，强电中的高压直流继电器经低压直流继电器被plc控制，按照自动重合闸原理设计继电器动作保护，电流保护采用电流速断保护作为主保护。
44.当逆变器直流一侧数据正常时，plc输出高电平给低压直流继电器，低压直流继电器的线圈端导通，线圈通电，低压直流继电器的负载端闭合；低压直流继电器的负载端连接24v电源后连接于高压直流继电器的线圈端，低压直流继电器负载端闭合时相当于高压直流继电器线圈端导通，高压直流继电器线圈通电，高压直流继电器的负载端闭合，高压直流继电器负载两端连接于光伏发电阵列和逆变器直流侧，高压直流继电器的负载端闭合相当于导通光伏发电阵列和逆变器直流侧；即plc输出高电平给低压直流继电器时，高压直流继电器接通，光伏发电阵列和逆变器直流侧导通；
45.当逆变器直流一侧数据异常时，plc输出低电平给低压直流继电器，低压直流继电器的线圈端不导通，线圈不通电，低压直流继电器的负载端不闭合，从而高压直流继电器线圈不通电，高压直流继电器的负载端不闭合，光伏发电阵列和逆变器直流侧断开；即plc输出低电平给低压直流继电器时，高压直流继电器断开，光伏发电阵列和逆变器直流侧断开；
46.当逆变器交流一侧数据正常时，plc输出高电平给交流继电器，交流继电器的线圈端导通，线圈通电，交流继电器的负载端闭合，交流继电器负载两端连接于逆变器交流侧和用户侧，交流继电器的负载端闭合相当于导通逆变器交流侧和用户侧；即plc输出高电平给交流继电器时，交流继电器接通，逆变器交流侧和用户侧导通；
47.同理，当逆变器交流一侧数据异常时，plc输出低电平给交流继电器，交流继电器断开，逆变器交流侧和用户侧断开。
48.结合图1和图6，触摸屏4与plc通过rs485通信或cc-link通信连接，实现数据传输用于显示太能微电网逆变器两侧电路的实时电量参数，同时通过触摸屏4实现对电路的部分控制；采用rs485通信时，plc与触摸屏4之间通过支持modbusrtu协议的rs485接口数据线连接。本实施例中，触摸屏4连接于控制器2用于显示检测的数据及人机交互，实时查看数据是否正常，设备是否正常运行，方便管理人员进行数据查阅；可以重启系统，也可以强制停止系统运行；在触摸屏4上可以检测微电网的工作状态与报警记录，屏上操作可以控制plc内部软元件达到控制与保护太阳能微电网的目的，通过触摸屏4实现人工远程监控功能；触摸屏4采用的是三菱gs2100系列。
49.参阅图7，控制器2输出驱动继电器控制故障点的分断与恢复，控制器2的工作流程
为：
50.步骤1、采集数据：系统启动后，数据采集装置1的直流变送器采集逆变器直流侧电量，交流变送器采集逆变器交流侧电量；
51.步骤2.1：在控制器中预设工作电流电压、故障电流电压和速断保护电流的阈值；本实施例采用的是速断电流保护为主保护，具体为，预设正常工作电流、速断保护电流和故障电流；
52.步骤2.2、将实时采集的电流数据与阈值对比，判断数据是否正常；若正常，则继电器接通；若异常，继电器断开后再重合闸，跳转至步骤3；
53.步骤3、判断数据是否正常，若数据正常即一次重合闸后电流恢复正常，则为瞬时故障，自动恢复供电，跳转至步骤2.2；若一次重合闸后电流数据仍然不正常，则为永久故障，继电器再次断开，切除故障电路；记录下瞬时故障与永久故障，发生故障时触摸屏4产生报警信息。
54.本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
55.以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。