嵌入式協(xié)議轉(zhuǎn)換器在無源無線測(cè)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用

覃 奇 陳 金 鄢 芬 余 菲

（1. 廣西電網(wǎng)百色供電局，廣西 百色 535000；2. 武漢烽火富華電氣有限責(zé)任公司，武漢 430074）

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是現(xiàn)今工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的一大熱點(diǎn)，可以將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接起來，將所有的信息匯總于后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，并協(xié)同各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)工作人員不用去現(xiàn)場(chǎng)即可觀察設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)防故障的發(fā)生。

電力系統(tǒng)中，電力設(shè)備的溫度是設(shè)備是否正常運(yùn)行的重要指標(biāo)之一。在設(shè)計(jì)之初，即對(duì)使用溫度做了嚴(yán)格的界定，因此在運(yùn)行過程中，對(duì)溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)十分必要。高壓開關(guān)柜通常要能承受最高達(dá)到4000A的正常工作電流，設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，開關(guān)的觸點(diǎn)和母線連接等連接點(diǎn)因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱，如果得不到及時(shí)解決，將使絕緣部件性能降低，甚至導(dǎo)致?lián)舸?，造成重大?jīng)濟(jì)損失。

開關(guān)柜內(nèi)有裸露高壓，空間封閉狹小，無法進(jìn)行人工巡查測(cè)溫。因此，無源無線測(cè)溫系統(tǒng)的提出徹底解決了開關(guān)柜內(nèi)有裸露高壓、空間封閉狹小、無法進(jìn)行人工巡查測(cè)溫等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)開關(guān)柜溫度狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

無源無線測(cè)溫系統(tǒng)的采集終端收集傳感頭的溫度信號(hào)后，將其重新打包，通過485總線發(fā)送至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，安裝在測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)。由于485總線最大傳輸距離為 1219m，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，而通過以太網(wǎng)即可將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種控制狀態(tài)傳送到遠(yuǎn)程控制室內(nèi)，因此提出基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的兩層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。同時(shí)電力系統(tǒng)內(nèi)通信協(xié)議較多，不同廠家的設(shè)備接口協(xié)議不一致，為了更好地與各設(shè)備廠商后臺(tái)系統(tǒng)對(duì)接，需要一款協(xié)議轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)內(nèi)Modbus，IEC-870-5-101，IEC-870-5-104，CDT，IEC61850通信協(xié)議的互轉(zhuǎn)。

1 協(xié)議分析

1.1 Modbus協(xié)議

Modbus協(xié)議是由 Modicon公司開發(fā)的與具體網(wǎng)絡(luò)類型無關(guān)的主從式通信協(xié)議[1]，是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議。其幀格式相對(duì)簡(jiǎn)單易懂，用戶容易接受，開發(fā)也相對(duì)容易，使得Modbus協(xié)議在早期得到了廣泛應(yīng)用。目前 Modbus協(xié)議應(yīng)用較多的是RTU模式和TCP模式。本協(xié)議轉(zhuǎn)換器采用的是RTU模式，采用RTU模式的Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)見表1。

表1 RTU模式下消息幀結(jié)構(gòu)

無源無線測(cè)溫系統(tǒng)的采集終端收集的溫度數(shù)據(jù)即填充到數(shù)據(jù)區(qū)，結(jié)構(gòu)清晰，簡(jiǎn)單明了。

1.2 IEC-870-5-101協(xié)議

IEC-870-5-101協(xié)議規(guī)定了電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）中主站和子站（遠(yuǎn)動(dòng)終端）之間以問答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2]。

IEC-807-5-101協(xié)議相對(duì)于Modbus協(xié)議而言，可傳輸信息量大，地址域有3個(gè)字節(jié)，一次最大傳輸（224-1）個(gè)字節(jié)的信息，且傳輸機(jī)制更成熟。而Modbus的地址域只有2個(gè)字節(jié)，一次最多只能傳送（216-1）個(gè)字節(jié)的信息。無源無線測(cè)溫系統(tǒng)的采集終端收集的溫度數(shù)據(jù)可作為遙測(cè)數(shù)據(jù)傳送至其他廠家的后臺(tái)系統(tǒng)。

IEC-870-5-101協(xié)議有可變幀長(zhǎng)、固定幀長(zhǎng)、和單個(gè)字符E5H三種幀格式，分別見表2、表3和表4。

表2 可變幀長(zhǎng)格式

表3 固定幀長(zhǎng)格式

表4 單個(gè)字符E5H幀格式

1.3 IEC-870-5-104協(xié)議

IEC-870-5-104協(xié)議是為了實(shí)現(xiàn)101以太網(wǎng)訪問制定的，并采用101的平衡傳輸模式，通過TCP/IP協(xié)議傳輸遠(yuǎn)動(dòng)信息。適用于PAD（分組裝拆）的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)[3]。該協(xié)議規(guī)定對(duì) 101的應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元的結(jié)構(gòu)稍加變動(dòng)如下：

1）保留 1個(gè)啟動(dòng)字符，1個(gè)幀長(zhǎng)L；刪除第2個(gè)啟動(dòng)字符，第 2個(gè)幀長(zhǎng) L，幀校驗(yàn)和以及結(jié)束字符；增加傳輸層所需要的4個(gè)控制字節(jié)。

2）由于網(wǎng)絡(luò)傳輸無法對(duì)時(shí)，因此用能夠表示從毫秒到年的7個(gè)字節(jié)時(shí)標(biāo)替代只能夠表示從毫秒到分鐘的3個(gè)字節(jié)時(shí)標(biāo)。

3）在應(yīng)用功能方面，除了IEC 60870-5-101的召喚1級(jí)用戶數(shù)據(jù)、召喚2級(jí)用戶數(shù)據(jù)功能外，其他應(yīng)用功能全部保留。

IEC-870-5-104協(xié)議的應(yīng)用層傳輸幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.4 CDT循環(huán)遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約

CDT循環(huán)遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約用于廠站與調(diào)度主站之間的通信。主站與子站之間進(jìn)行以下數(shù)據(jù)的傳輸：遙信、遙測(cè)、事件順序記錄（SOE）、電能脈沖記數(shù)值、遙控命令、設(shè)定命令、升降命令、對(duì)時(shí)、廣播命令、復(fù)歸命令、子站工作狀態(tài)。遙測(cè)又分為重要遙測(cè)、次要遙測(cè)和一般遙測(cè)。無源無線測(cè)溫系統(tǒng)的采集終端收集的溫度數(shù)據(jù)可作為一般遙測(cè)數(shù)據(jù)傳送至其他廠家的后臺(tái)系統(tǒng)。

圖1 IEC-870-5-104協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)

CDT協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)見表5。

表5 CDT協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

CDT協(xié)議提供 RS232、RS485、RS422三種串行通信方式，在RS485方式下，只支持遙測(cè)和遙信命令，不支持遙調(diào)和遙控命令。本協(xié)議轉(zhuǎn)換器采用RS232通信口。

1.5 IEC61850協(xié)議

IEC61850是一個(gè)關(guān)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其目的是使變電站內(nèi)不同廠家的通信設(shè)備通過一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息共享和互操作[4]。

IEC 61850規(guī)約體系完善，相對(duì)于傳統(tǒng)規(guī)約而言，應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的IEC 61850有明顯的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

1）系統(tǒng)分層技術(shù)：IEC 61850將變電站自動(dòng)化系統(tǒng)分為變電站層、間隔層和過程層3層結(jié)構(gòu)，并定義了各層之間的接口意義。

2）面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)：IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一建模語言來全面的描述設(shè)備和系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互操作性，并提出設(shè)備必須具有自描述功能。

3）抽象服務(wù)通信接口技術(shù)：抽象通信服務(wù)接口（ACSI）的提出是為了實(shí)現(xiàn)無縫的通信網(wǎng)絡(luò)，接口技術(shù)獨(dú)立于具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議，可適應(yīng)以太網(wǎng)以及現(xiàn)場(chǎng)總線等各種通信體系，從而適應(yīng)電力系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜多樣的特點(diǎn)。

2 硬件接口描述

協(xié)議轉(zhuǎn)換器通過 Modbus協(xié)議與溫度采集終端進(jìn)行通信，Modbus協(xié)議、CDT協(xié)議和IEC-870-5-101協(xié)議均采用 RS232通信方式，IEC-870-5-104和IEC61850協(xié)議采用以太網(wǎng)通信方式，故硬件設(shè)備至少需配備3個(gè)串口，兩個(gè)網(wǎng)口。本協(xié)議轉(zhuǎn)換器配備了4個(gè)串口，兩個(gè)網(wǎng)口。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括根據(jù)配置的參數(shù)選擇互轉(zhuǎn)的協(xié)議，協(xié)議的解幀，數(shù)據(jù)凈荷的轉(zhuǎn)換和協(xié)議的組幀。各協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，最主要是數(shù)據(jù)凈荷的轉(zhuǎn)換，收到需要轉(zhuǎn)換的協(xié)議的數(shù)據(jù)幀后，去除幀頭幀尾，取出數(shù)據(jù)凈荷，根據(jù)目標(biāo)協(xié)議的組幀規(guī)則重新打包，從對(duì)應(yīng)的硬件接口發(fā)送出去。流程如圖 2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

4 在無源無線測(cè)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用

在這里以 Modbus協(xié)議向 61850協(xié)議轉(zhuǎn)換為例做詳細(xì)介紹。這樣的協(xié)議轉(zhuǎn)換器已在某變電站中使用，運(yùn)行效果良好，其系統(tǒng)連接圖如圖3所示。

每個(gè)開關(guān)柜安裝6個(gè)傳感器，分別為A、B、C三相進(jìn)線和A、B、C三相出線。每個(gè)開關(guān)柜安裝一個(gè)采集終端，采集6個(gè)探頭溫度信號(hào)，采集終端通過232總線與協(xié)議轉(zhuǎn)換器通信，上傳各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度信息，協(xié)議轉(zhuǎn)換器將所有的溫度信息通過 IEC 61850協(xié)議上報(bào)給其他廠家的后臺(tái)系統(tǒng)。Modbus數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)見表6。

圖3 系統(tǒng)連接圖

表6 Modbus數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

IEC 61850的cid文件如圖4所示。

圖4 IEC 61850的cid文件

5 結(jié)論

由于現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸距離和負(fù)載容量的限制，使得遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)共享受到非常大的制約，極大地限制了產(chǎn)品的推廣和發(fā)展。并且電力系統(tǒng)內(nèi)通信協(xié)議較多，當(dāng)采集終端不接入自己的后臺(tái)系統(tǒng)時(shí)，不能很好地與其他廠家生產(chǎn)的設(shè)備通信。采用此協(xié)議轉(zhuǎn)換器即可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)內(nèi) Modbus，IEC-870-5-101，IEC-870-5-104，CDT，IEC 61850通信協(xié)議的互轉(zhuǎn)，從而使產(chǎn)品適用于更多場(chǎng)合。

[1] 樓蔚松,廖任秀,唐金花.基于嵌入式Linux的Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007.

[2] 電力系統(tǒng)控制及其通信標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).IEC-60870-5-101.遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng),第5部分，傳輸規(guī)約，基本遠(yuǎn)動(dòng)任務(wù)的配套標(biāo)準(zhǔn)[S]. 1995.

[3] 電力系統(tǒng)控制及其通信標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).IEC-60870-5-104.遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng),第 5部分,傳輸規(guī)約,采用標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議集的 IEC 60870-5-101網(wǎng)絡(luò)訪問[S]. 2006.

[4] 袁敬中.數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)[J].華北電力技術(shù),2006.