文丨關 巍

前言

在電力系統信息化高速發(fā)展的今天，智能電網受到了重視，在中國大陸建立一套完善的智能電網系統迫在眉睫。傳統的電工24小時值班制度，大量的電磁式儀表的使用，使得值班人員操作繁瑣容易出錯。文章講述的基于TCP/IP的配電柜監(jiān)控裝置就是在這樣的條件下誕生的。有了該裝置電力系統就可以對供電情況集中調控和監(jiān)測管理；實現配電房無人值班，節(jié)約資源。TCP/IP網絡通信搭建相當簡單，只需在原有的網絡上架設設備交換機和相關的網絡線路即可，這大大減少了電力控制線路布線的成本。本文主要從兩個方面講述該裝置：以51單片機構成的監(jiān)測和控制系統和TCP/IP網絡通信模塊。

裝置的原理實現框圖如下圖1所示。51單片機構成的微機系統擔任進線或饋線的電流、電壓、相位、頻率等參數的測量及運算和上位機的命令實施；對測量異常數據進行記錄和報警輸出，對上位機的要求執(zhí)行。所有的正常數據及異常數據和報警均通過51單片機的通信口（串口）輸出，所有上位機要施行的命令均通過51單片機的通信口（串口）接收。51單片機的通信口（串口）經串口轉TCP/IP網絡模塊對外進行數據交流。所有的監(jiān)測和控制得到與PC機組態(tài)系統實時溝通。TCP/IP網絡接口組合靈活，方便搭建智能監(jiān)控平臺。

監(jiān)測和控制系統

1.監(jiān)測模塊。電力系統中，配電柜的電能參數和開關量的監(jiān)測是電力系統可靠運行的信息源泉，因此數據準確性相當重要。在單片機系統中，為了防止現場強電磁干擾或工頻電壓通過輸出通道反串到測控系統，常常采用通道隔離技術。在輸出通道的隔離中，最常用的隔離元件是光耦合器。在本檢測系統中，設置了光電隔離器件實現“隔離保安”。在硬件方面，采用常用光電隔離器P521, 采用常用A/D轉換芯片TLC549。

2.控制模塊。該部分主要承擔控制斷路器和其他電氣元件的合、分動作的控制。采用繼電器干結點輸出接口，單片機可以通過設置決定若干路繼電器輸出的先后級別；同時可以設定繼電器輸出的常態(tài)（常開/常閉）及節(jié)點閉合、分斷的時間。單片機通過ULN2003驅動繼電器輸出。

圖1 原理實現框圖

監(jiān)測和控制系統與TCP/IP網絡通信模塊之間采用串行通信格式。數據格式采用RTU協議。RTU模式中，每次傳送信息前都有3.5個字符的靜止時間；當對方接收到3.5個字符的靜止信號時就開始清理內存準備接收數據（依據使用的波特率，很容易計算這個3.5個字符的靜止的時間實際值）。接著，傳送的第一個區(qū)的數據為設備地址。各個區(qū)允許發(fā)送的字符均為16進制的0-9,A-F。

網絡上的設備連續(xù)監(jiān)測網絡上的信息，包括靜止時間。當接收第一個地址數據時，每臺設備立即對它解碼，以決定是否是自己的地址。發(fā)送完最后一個字符號后，也有一個3.5個字符的靜止時間，然后才能發(fā)送一個新的信息。

整個信息必須連續(xù)發(fā)送。如果在發(fā)送幀信息期間，出現大于1.5個字符的靜止時間時，則接收設備刷新不完整的信息，并假設下一個地址數據。

同樣一個信息后，立即發(fā)送的一個新信息，（若無3.5個字符的靜止時間）這將會產生一個錯誤。是因為合并信息的CRC校驗碼無效而產生的錯誤。

當數據幀到達終端設備時，它通過一個簡單的“端口”進入被主機尋址到的設備，該設備去掉數據幀的“信封”（數據頭），讀取數據，如果沒有錯誤，就執(zhí)行數據所請求的任務，然后，它將自己生成的數據加入到取得的“信封”中，把數據幀返回給發(fā)送者。返回的響應數據中包含了以下內容：終端從機地址(Address)、被執(zhí)行了的命令(Function)、執(zhí)行命令生成的被請求數據(Data)和一個校驗碼(Check)。發(fā)生任何錯誤都不會有成功的響應。

圖2 報文控制框圖

數據幀格式如下表1所示。

表1 數據幀格式

地址域（Address）在幀的開始部分，由一個字節(jié)（8位二進制碼）組成，十進制為0～255。這些位標明了用戶指定的終端設備的地址，該設備將接收來自與之相連的主機數據。每個終端設備的地址必須是唯一的，僅僅被尋址到的終端會響應包含了該地址的查詢。當終端發(fā)送回一個響應，響應中的從機地址數據便告訴了主機哪臺終端正與之進行通信。

TCP/IP網絡通信模塊

TCP/IP網絡通信模塊負責銜接單片機RTU通信的數據并解析出功能后打包成TCP/IP網絡通信協議對外交換數據。其報文控制框圖如圖2：

表2 功能碼表

表3 系統功能碼表

在數據分析過程中對電器控制的各個功能做了詳盡的劃分。

功能域。功能域代碼告訴了被尋址到的終端執(zhí)行何種功能。以下列出了本設計用到的功能碼（如下表2所示），以及它們的意義和功能。

系統使用的功能碼如下表3所示:

數據域。數據域包含了終端執(zhí)行特定功能所需要的數據或者終端響應查詢時采集到的數據。這些數據的內容可能是數值、參考地址或者設置值。例如：功能域碼告訴終端讀取一個寄存器，數據域則需要指明從哪個寄存器開始及讀取多少個數據，內嵌的地址和數據依照類型和從機之間的不同內容而有所不同。

錯誤校驗允許主機和終端檢查傳輸過程中的錯誤。有時，由于電噪聲和其它干擾，一組數據在從一個設備傳輸到另一個設備時在線路上可能會發(fā)生一些改變，出錯校驗能夠保證主機或者終端不去響應那些傳輸過程中發(fā)生了改變的數據，這就提高了系統的安全性和效率， RTU方式出錯校驗使用了16位循環(huán)冗余的方法（CRC16）。

結束語

使用基于TCP/IP的配電柜監(jiān)控裝置后，大大減少了傳統原有電力配電柜的中控小母線的布線；同時提高了數據傳送的速度提高工作效率。由于TCP/IP的配電柜監(jiān)控裝置的出現，推動了國家電網智能化的進程，使裝設該裝置的配電房或供電所可以實現了集中控制無人值班。該裝置適用于高低壓配電柜，可在新型的高低壓配電柜中裝設，亦可在原有的舊款高低壓配電柜中加以改裝而完成。