基于智能開關(guān)柜的數(shù)據(jù)通訊研究與實現(xiàn)

賴成瑜

（井岡山大學電子與信息工程學院，江西，吉安343000）

0 引言

智能開關(guān)柜的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)開關(guān)柜故障監(jiān)測和檢測半人工化的問題，通過自動監(jiān)控單元，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，實現(xiàn)集散控制，極大地提高了開關(guān)柜和配電系統(tǒng)的性能和可靠性，提升了電力網(wǎng)絡運行的效率。但目前開關(guān)柜智能化的研究和開發(fā)還不完善，主要問題是單一性能的居多，綜合功能的偏少，無法滿足多功能、綜合性、快速聯(lián)動、故障自動檢測等要求。隨著電力系統(tǒng)自動化的不斷改進和智能電網(wǎng)的出現(xiàn)，對智能開關(guān)柜提出了更高的要求，市場迫切需要一種高智能化的開關(guān)柜，提升電力系統(tǒng)運行的效率和減輕人工勞動強度。為此，針對現(xiàn)行開關(guān)柜開展研究，在分析智能開關(guān)柜的通訊系統(tǒng)構(gòu)成后，按照總體要求設計了單主站-從站為架構(gòu)的通訊單元，開發(fā)出一種新型智能開關(guān)柜，通過實時監(jiān)測，實現(xiàn)電網(wǎng)的全自動綜合監(jiān)控。

1 智能開關(guān)柜的通訊系統(tǒng)

智能開關(guān)柜的通訊系統(tǒng)分為三個主要組成部分：主機、智能型控制設備和通訊網(wǎng)絡，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1。第一部分主機是智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件。通訊系統(tǒng)把智能型元器件采集到的數(shù)據(jù)傳遞到主機，主機對數(shù)據(jù)進行分析判斷，發(fā)送相關(guān)指令，實現(xiàn)對控制設備的監(jiān)控和保護。第二部分智能型控制設備由各種傳感器和參數(shù)檢測器件組成，用來實時監(jiān)測電網(wǎng)工作狀態(tài)和各種電力設備的工作狀況，監(jiān)視當前運行態(tài)勢，并通過通訊系統(tǒng)實時傳送檢測數(shù)據(jù)。第三部分通訊系統(tǒng)由接口、網(wǎng)卡等部分組成。為提升主機對通訊系統(tǒng)的響應能力和速度，完善系統(tǒng)實時監(jiān)控力度，通訊系統(tǒng)在主機之后的下級網(wǎng)絡加裝一個網(wǎng)絡從站。網(wǎng)絡從站作為通訊系統(tǒng)的組成部分，是主站下屬站，用于分擔主站和設備之間的通訊負載，減輕主站工作，提升系統(tǒng)的通訊能力和保障通訊的可靠性。系統(tǒng)工作時，智能傳感器及電力監(jiān)測設備通過在線測量工作電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)、諧波含量等基本參數(shù)，監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況并傳遞到智能接口，智能接口接收參數(shù)后，自動分析診斷，實現(xiàn)故障檢測和控制，系統(tǒng)根據(jù)故障類型對真空斷路器合閘、分閘等操作，實現(xiàn)對過載、短路、漏電、斷相、欠電壓等常規(guī)電網(wǎng)故障的監(jiān)控和報警。

圖1 智能開關(guān)柜的構(gòu)成Fig.1 Composition of the intelligent switch cabinet

1.1 通訊電路的總體設計

通訊電路最重要的任務就是將接收或采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C，主機發(fā)出控制指令反饋到控制設備或開關(guān)，實現(xiàn)雙向信息傳輸，如圖2。主機通過PROFIBUS-DP[1]總線連接外設單元電路，實時在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和設備運行工況信息，通過接口由主機接收，監(jiān)控單元與智能設備之間接口通訊采用RS-485實現(xiàn)網(wǎng)絡連通。

圖2 開關(guān)柜的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)Fig.2 Data communication system of switch cabinet

1.2 通訊單元的設計

1.2.1 主站通訊單元的設計

系統(tǒng)采用主站-從站式結(jié)構(gòu)，各接口設備和檢測設備通過PROFIBUS-DP協(xié)議實現(xiàn)連接和通訊，可以根據(jù)電網(wǎng)大小、規(guī)模、成本控制等要求配置從站數(shù)量，分配站點地址；從站的基本參數(shù)、控制參數(shù)、電量狀態(tài)參數(shù)按照格式及長度分別設置。智能開關(guān)柜一般設計為單主站方式，電網(wǎng)容量大或用戶數(shù)量比較多時可以考慮采用多主站方式，兩者通訊原理基本相似，單主站系統(tǒng)的特點是主站從站及設備之間PROFIBUS-DP具有數(shù)據(jù)高速傳輸能力，總線系統(tǒng)通訊消耗時間最少，滿足系統(tǒng)響應的快速性要求；同時，必要時可以在現(xiàn)有基礎上方便擴展從站數(shù)量，增加負載容量，而不需要重新設計系統(tǒng)。多主站系統(tǒng)帶負載能力強，但要求主站下設從站數(shù)量分配均衡，從站擴容時，要重新設計，使負載對稱分布。

1.2.2 從站通訊單元的設計

從站通訊單元由PROFIBUS-DP通訊芯片和單片機組成，主要部分包括SPC3(Siemens Profibus Controller)和87C196KC單片機。 Profibus-DP協(xié)議采用OSI((Open System Interconnect)七層模型，保留了第一層的物理層、第二層的數(shù)據(jù)鏈路層和從站用戶接口，舍棄其他三至七層[2]，SPC3是PROFIBUS-DP專用協(xié)議芯片，負責主站和從站的數(shù)據(jù)收發(fā)，發(fā)送速率可達97.1kbps～12.1Mbps，主站可以周期性地獲取從站的發(fā)送內(nèi)容，也可以周期性地向從站發(fā)送指令，實現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)的雙向傳輸[3]，具體任務包括:數(shù)據(jù)打包，拆包，存儲，解讀和發(fā)出指令等。87C196KC作為CPU 與A/D，繼電器的接口連接SPC3，RS485總線驅(qū)動連通主站，其結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 從站硬件接口Fig.3 Slave hardware interface

SPC3完全響應DP通訊協(xié)議，協(xié)助CPU 處理通訊事務，減輕了CPU 的負載。為實現(xiàn)SPC3與CPU 數(shù)據(jù)交換，其內(nèi)部自帶的RAM用作CPU 擴展的RAM，SPC3內(nèi)部集成了功能齊全的SAP通信電路，用來完成數(shù)據(jù)交互，DP有多個緩沖區(qū)用于收發(fā)數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)，并通過相應的寄存器完成地址和報文設置。

2 數(shù)據(jù)交換

從站與主站通訊設計完成后，從站按照進程開始數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)交換分四個階段:第一階段配置參數(shù)，主站完成狀態(tài)檢測，設置當前基礎參數(shù)，并發(fā)送報文識別附屬的從站，從站接收到報文后，進行核查診斷，確認通訊連接成功，如果出現(xiàn)通訊錯誤，主站根據(jù)反饋報文自動改變輸出狀態(tài)為安全模式，重新對系統(tǒng)狀態(tài)化和參數(shù)化；第一階段參數(shù)化設置結(jié)束后，進入第二階段報文參數(shù)化。在上電狀態(tài)時主站發(fā)送報文，從站接收信息改變地址，地址順序從小到大排列，同時啟動報文參數(shù)化，等待接收就緒后，從站開始接收參數(shù)化報文，但還無法接受其他報文，報文內(nèi)容包含主站地址，同步(異步)鎖定等系統(tǒng)運行信息；報文參數(shù)化結(jié)束后，進入到第三個階段組態(tài)配置階段，從站進入到等待組態(tài)模式，接收報文，組態(tài)報文規(guī)定了收發(fā)數(shù)據(jù)的字節(jié)大小，檢查組態(tài)模式，向主站反饋檢查結(jié)果，主站依據(jù)反饋信息進入到第四階段數(shù)據(jù)交換；組態(tài)成功的系統(tǒng)自動完成數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)主站從站通訊，若組態(tài)和數(shù)據(jù)交換不成功則系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到第一階段[4]。通訊過程如圖4。

圖4 主站從站通訊建立過程 Fig.4 Process of establishing communication between master and slave

數(shù)據(jù)交換通過三個緩沖區(qū)D、N、U 完成交換過程。主站發(fā)送的報文數(shù)據(jù)放置在D區(qū)，從站接收的報文數(shù)據(jù)也放置在D 區(qū)，U 區(qū)用來存放接口數(shù)據(jù)。系統(tǒng)檢測到D區(qū)報文數(shù)據(jù)后，需要將其輸出時，輸出指針指向D區(qū)，數(shù)據(jù)從D區(qū)被轉(zhuǎn)存到N 區(qū)。系統(tǒng)在中斷工作狀態(tài)下，產(chǎn)生的實時輸出通過將N 區(qū)和U 區(qū)的數(shù)據(jù)交換獲??；如果從站需要向主站發(fā)送數(shù)據(jù)時，在搜索獲取當前緩沖區(qū)的地址指針后，依據(jù)當前狀態(tài)存入數(shù)據(jù)，CPU 發(fā)送數(shù)據(jù)輸入指令，改換新的地址指針，用戶數(shù)據(jù)發(fā)送到主站。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

功能模塊完成參數(shù)檢測后，要根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)分析計算，判斷運行情況，開始下一步程序設計，啟動芯片初始化，實現(xiàn)主站從站通訊[5]。其流程圖如圖5。

主程序主要任務包括以下方面:

(1)對SPC3 參數(shù)清零，恢復初始值，并處于等待狀態(tài)。

(2)寄存器設置。設置芯片RAM 寄存器，中斷寄存器和模式寄存器，在RAM 寄存器完成從站編號，從站地址以及硬件地址等基本信息注冊，在中斷寄存器設置中斷。

(3)緩沖區(qū)設置。計算緩沖區(qū)數(shù)據(jù)空間長度，分配數(shù)據(jù)存儲區(qū)段，將結(jié)果存入寄存器。

(4)計算緩沖區(qū)數(shù)據(jù)首地址指針，存入寄存器。

(5)中斷響應設置。

3.2 數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的偽代碼

數(shù)據(jù)發(fā)送時，先檢測當前最新輸入的數(shù)據(jù)，其偽代碼如下:

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

3.3 主站從站通訊調(diào)試與仿真

在主從結(jié)構(gòu)的通訊方式中，為了便于功能擴展，簡化設計流程，各功能模塊相互獨立設計，按照結(jié)構(gòu)和功能建立通訊，方便程序調(diào)試和后期維護[6]。實際應用中程序調(diào)試時，主站從站需要反復設置參數(shù)，驗證通訊過程，西門子S7-300/400的PLC仿真軟件PLCSIM 可以方便地模擬主站從站通訊[7]。以下為主要仿真調(diào)試過程如圖6-圖9。

圖6 新建從站Fig.6 Create a new slave

圖7 從站屬性設置Fig.7 Slave property settings

圖8 主站從站通訊連接Fig.8 Master station and slave station communication connection

圖9 連接成功Fig.9 Successful connection

4 結(jié)論

PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線協(xié)議簡單，開放容錯能力強，實時性高，安全性好，成本低，適用于頻繁交換的互聯(lián)通信網(wǎng)絡，基于此協(xié)議構(gòu)建的主站從站系統(tǒng)，集成多種功能于一體，可以獨立完成數(shù)據(jù)采集、處理、控制任務，滿足系統(tǒng)通信的要求。以SPC3與87C196KC為基礎構(gòu)建的系統(tǒng)硬件電路具有實時性的特點，因而系統(tǒng)響應快，符合系統(tǒng)快速性的需求；同時，在軟件層面開發(fā)的主程序，按照功能和流程任務，完成初始化和參數(shù)設置工作，實現(xiàn)了從檢測執(zhí)行單元到主機控制的雙向通訊，仿真驗證了系統(tǒng)的可靠性。本文設計開發(fā)的智能開關(guān)柜具有開放性好，強大的數(shù)據(jù)和信息處理能力，可以有效應用于電網(wǎng)監(jiān)測，完成常規(guī)故障的預警指示以及斷閘、合閘等自動操作。下一步，智能化開關(guān)柜將在標準化、模塊化、通用化方面展開深入研究，提升其智能化程度。