賴成瑜

（井岡山大學(xué)電子與信息工程學(xué)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(cè)和檢測(cè)半人工化的問題，通過自動(dòng)監(jiān)控單元，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)，實(shí)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(luò)運(yùn)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(dòng)、故障自動(dòng)檢測(cè)等要求。隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化的不斷改進(jìn)和智能電網(wǎng)的出現(xiàn)，對(duì)智能開關(guān)柜提出了更高的要求，市場(chǎng)迫切需要一種高智能化的開關(guān)柜，提升電力系統(tǒng)運(yùn)行的效率和減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度。為此，針對(duì)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(shè)計(jì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的全自動(dòng)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(gè)主要組成部分：主機(jī)、智能型控制設(shè)備和通訊網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1。第一部分主機(jī)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(jī)，主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，發(fā)送相關(guān)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制設(shè)備的監(jiān)控和保護(hù)。第二部分智能型控制設(shè)備由各種傳感器和參數(shù)檢測(cè)器件組成，用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)工作狀態(tài)和各種電力設(shè)備的工作狀況，監(jiān)視當(dāng)前運(yùn)行態(tài)勢(shì)，并通過通訊系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳送檢測(cè)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(jī)對(duì)通訊系統(tǒng)的響應(yīng)能力和速度，完善系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控力度，通訊系統(tǒng)在主機(jī)之后的下級(jí)網(wǎng)絡(luò)加裝一個(gè)網(wǎng)絡(luò)從站。網(wǎng)絡(luò)從站作為通訊系統(tǒng)的組成部分，是主站下屬站，用于分擔(dān)主站和設(shè)備之間的通訊負(fù)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(shí)，智能傳感器及電力監(jiān)測(cè)設(shè)備通過在線測(cè)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(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況并傳遞到智能接口，智能接口接收參數(shù)后，自動(dòng)分析診斷，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)和控制，系統(tǒng)根據(jù)故障類型對(duì)真空斷路器合閘、分閘等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(bào)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(shè)計(jì)

通訊電路最重要的任務(wù)就是將接收或采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)，主機(jī)發(fā)出控制指令反饋到控制設(shè)備或開關(guān)，實(shí)現(xiàn)雙向信息傳輸，如圖2。主機(jī)通過PROFIBUS-DP[1]總線連接外設(shè)單元電路，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行工況信息，通過接口由主機(jī)接收，監(jiān)控單元與智能設(shè)備之間接口通訊采用RS-485實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)

1.2.1 主站通訊單元的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用主站-從站式結(jié)構(gòu)，各接口設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備通過PROFIBUS-DP協(xié)議實(shí)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(diǎn)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(zhǎng)度分別設(shè)置。智能開關(guān)柜一般設(shè)計(jì)為單主站方式，電網(wǎng)容量大或用戶數(shù)量比較多時(shí)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(diǎn)是主站從站及設(shè)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(shí)間最少，滿足系統(tǒng)響應(yīng)的快速性要求；同時(shí)，必要時(shí)可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上方便擴(kuò)展從站數(shù)量，增加負(fù)載容量，而不需要重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)。多主站系統(tǒng)帶負(fù)載能力強(qiáng)，但要求主站下設(shè)從站數(shù)量分配均衡，從站擴(kuò)容時(shí)，要重新設(shè)計(jì)，使負(fù)載對(duì)稱分布。

1.2.2 從站通訊單元的設(shè)計(jì)

從站通訊單元由PROFIBUS-DP通訊芯片和單片機(jī)組成，主要部分包括SPC3(Siemens Profibus Controller)和87C196KC單片機(jī)。 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(fù)責(zé)主站和從站的數(shù)據(jù)收發(fā)，發(fā)送速率可達(dá)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(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)的雙向傳輸[3]，具體任務(wù)包括:數(shù)據(jù)打包，拆包，存儲(chǔ)，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(dòng)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(yīng)DP通訊協(xié)議，協(xié)助CPU 處理通訊事務(wù)，減輕了CPU 的負(fù)載。為實(shí)現(xiàn)SPC3與CPU 數(shù)據(jù)交換，其內(nèi)部自帶的RAM用作CPU 擴(kuò)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(gè)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(yīng)的寄存器完成地址和報(bào)文設(shè)置。

2 數(shù)據(jù)交換

從站與主站通訊設(shè)計(jì)完成后，從站按照進(jìn)程開始數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)交換分四個(gè)階段:第一階段配置參數(shù)，主站完成狀態(tài)檢測(cè)，設(shè)置當(dāng)前基礎(chǔ)參數(shù)，并發(fā)送報(bào)文識(shí)別附屬的從站，從站接收到報(bào)文后，進(jìn)行核查診斷，確認(rèn)通訊連接成功，如果出現(xiàn)通訊錯(cuò)誤，主站根據(jù)反饋報(bào)文自動(dòng)改變輸出狀態(tài)為安全模式，重新對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)化和參數(shù)化；第一階段參數(shù)化設(shè)置結(jié)束后，進(jìn)入第二階段報(bào)文參數(shù)化。在上電狀態(tài)時(shí)主站發(fā)送報(bào)文，從站接收信息改變地址，地址順序從小到大排列，同時(shí)啟動(dòng)報(bào)文參數(shù)化，等待接收就緒后，從站開始接收參數(shù)化報(bào)文，但還無法接受其他報(bào)文，報(bào)文內(nèi)容包含主站地址，同步(異步)鎖定等系統(tǒng)運(yùn)行信息；報(bào)文參數(shù)化結(jié)束后，進(jìn)入到第三個(gè)階段組態(tài)配置階段，從站進(jìn)入到等待組態(tài)模式，接收?qǐng)?bào)文，組態(tài)報(bào)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(jìn)入到第四階段數(shù)據(jù)交換；組態(tài)成功的系統(tǒng)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)交換，實(shí)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(gè)緩沖區(qū)D、N、U 完成交換過程。主站發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)放置在D區(qū)，從站接收的報(bào)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(cè)到D區(qū)報(bào)文數(shù)據(jù)后，需要將其輸出時(shí)，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(shí)時(shí)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(shí)，在搜索獲取當(dāng)前緩沖區(qū)的地址指針后，依據(jù)當(dāng)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(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

功能模塊完成參數(shù)檢測(cè)后，要根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)分析計(jì)算，判斷運(yùn)行情況，開始下一步程序設(shè)計(jì)，啟動(dòng)芯片初始化，實(shí)現(xiàn)主站從站通訊[5]。其流程圖如圖5。

主程序主要任務(wù)包括以下方面:

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

(2)寄存器設(shè)置。設(shè)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(hào)，從站地址以及硬件地址等基本信息注冊(cè)，在中斷寄存器設(shè)置中斷。

(3)緩沖區(qū)設(shè)置。計(jì)算緩沖區(qū)數(shù)據(jù)空間長(zhǎng)度，分配數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)段，將結(jié)果存入寄存器。

(4)計(jì)算緩沖區(qū)數(shù)據(jù)首地址指針，存入寄存器。

(5)中斷響應(yīng)設(shè)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(shí)，先檢測(cè)當(dāng)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(kuò)展，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，各功能模塊相互獨(dú)立設(shè)計(jì)，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(hù)[6]。實(shí)際應(yīng)用中程序調(diào)試時(shí)，主站從站需要反復(fù)設(shè)置參數(shù)，驗(yàn)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(shè)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(chǎng)總線協(xié)議簡(jiǎn)單，開放容錯(cuò)能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)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(luò)，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(dú)立完成數(shù)據(jù)采集、處理、控制任務(wù)，滿足系統(tǒng)通信的要求。以SPC3與87C196KC為基礎(chǔ)構(gòu)建的系統(tǒng)硬件電路具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，因而系統(tǒng)響應(yīng)快，符合系統(tǒng)快速性的需求；同時(shí)，在軟件層面開發(fā)的主程序，按照功能和流程任務(wù)，完成初始化和參數(shù)設(shè)置工作，實(shí)現(xiàn)了從檢測(cè)執(zhí)行單元到主機(jī)控制的雙向通訊，仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。本文設(shè)計(jì)開發(fā)的智能開關(guān)柜具有開放性好，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)和信息處理能力，可以有效應(yīng)用于電網(wǎng)監(jiān)測(cè)，完成常規(guī)故障的預(yù)警指示以及斷閘、合閘等自動(dòng)操作。下一步，智能化開關(guān)柜將在標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化方面展開深入研究，提升其智能化程度。