嵌入式協議轉換器在無源無線測溫系統中的應用

覃 奇 陳 金 鄢 芬 余 菲

（1. 廣西電網百色供電局，廣西 百色 535000；2. 武漢烽火富華電氣有限責任公司，武漢 430074）

現場總線技術是現今工業現場應用的一大熱點，可以將現場設備通過現場總線連接起來，將所有的信息匯總于后臺監控系統，并協同各種現場設備完成控制任務，實現工作人員不用去現場即可觀察設備的運行狀態，預防故障的發生。

電力系統中，電力設備的溫度是設備是否正常運行的重要指標之一。在設計之初，即對使用溫度做了嚴格的界定，因此在運行過程中，對溫度的實時在線監測十分必要。高壓開關柜通常要能承受最高達到4000A的正常工作電流，設備在長期運行過程中，開關的觸點和母線連接等連接點因老化或接觸電阻過大而發熱，如果得不到及時解決，將使絕緣部件性能降低，甚至導致擊穿，造成重大經濟損失。

開關柜內有裸露高壓，空間封閉狹小，無法進行人工巡查測溫。因此，無源無線測溫系統的提出徹底解決了開關柜內有裸露高壓、空間封閉狹小、無法進行人工巡查測溫等技術難題，實現了對開關柜溫度狀態進行實時在線監測。

無源無線測溫系統的采集終端收集傳感頭的溫度信號后，將其重新打包，通過485總線發送至后臺監控系統，安裝在測溫現場。由于485總線最大傳輸距離為 1219m，不能實現遠程監控現場設備，而通過以太網即可將現場設備的各種控制狀態傳送到遠程控制室內，因此提出基于以太網和現場總線的兩層結構，實現遠程控制。同時電力系統內通信協議較多，不同廠家的設備接口協議不一致，為了更好地與各設備廠商后臺系統對接，需要一款協議轉換器，實現電力系統內Modbus，IEC-870-5-101，IEC-870-5-104，CDT，IEC61850通信協議的互轉。

1 協議分析

1.1 Modbus協議

Modbus協議是由 Modicon公司開發的與具體網絡類型無關的主從式通信協議[1]，是全球第一個真正用于工業現場的總線協議。其幀格式相對簡單易懂，用戶容易接受，開發也相對容易，使得Modbus協議在早期得到了廣泛應用。目前 Modbus協議應用較多的是RTU模式和TCP模式。本協議轉換器采用的是RTU模式，采用RTU模式的Modbus協議數據幀結構見表1。

表1 RTU模式下消息幀結構

無源無線測溫系統的采集終端收集的溫度數據即填充到數據區，結構清晰，簡單明了。

1.2 IEC-870-5-101協議

IEC-870-5-101協議規定了電網數據采集和監視控制系統（SCADA）中主站和子站（遠動終端）之間以問答方式進行數據傳輸[2]。

IEC-807-5-101協議相對于Modbus協議而言，可傳輸信息量大，地址域有3個字節，一次最大傳輸（224-1）個字節的信息，且傳輸機制更成熟。而Modbus的地址域只有2個字節，一次最多只能傳送（216-1）個字節的信息。無源無線測溫系統的采集終端收集的溫度數據可作為遙測數據傳送至其他廠家的后臺系統。

IEC-870-5-101協議有可變幀長、固定幀長、和單個字符E5H三種幀格式，分別見表2、表3和表4。

表2 可變幀長格式

表3 固定幀長格式

表4 單個字符E5H幀格式

1.3 IEC-870-5-104協議

IEC-870-5-104協議是為了實現101以太網訪問制定的，并采用101的平衡傳輸模式，通過TCP/IP協議傳輸遠動信息。適用于PAD（分組裝拆）的數據網絡[3]。該協議規定對 101的應用協議數據單元的結構稍加變動如下：

1）保留 1個啟動字符，1個幀長L；刪除第2個啟動字符，第 2個幀長 L，幀校驗和以及結束字符；增加傳輸層所需要的4個控制字節。

2）由于網絡傳輸無法對時，因此用能夠表示從毫秒到年的7個字節時標替代只能夠表示從毫秒到分鐘的3個字節時標。

3）在應用功能方面，除了IEC 60870-5-101的召喚1級用戶數據、召喚2級用戶數據功能外，其他應用功能全部保留。

IEC-870-5-104協議的應用層傳輸幀結構如圖1所示。

1.4 CDT循環遠動規約

CDT循環遠動規約用于廠站與調度主站之間的通信。主站與子站之間進行以下數據的傳輸：遙信、遙測、事件順序記錄（SOE）、電能脈沖記數值、遙控命令、設定命令、升降命令、對時、廣播命令、復歸命令、子站工作狀態。遙測又分為重要遙測、次要遙測和一般遙測。無源無線測溫系統的采集終端收集的溫度數據可作為一般遙測數據傳送至其他廠家的后臺系統。

圖1 IEC-870-5-104協議的幀結構

CDT協議的幀結構見表5。

表5 CDT協議幀結構

CDT協議提供 RS232、RS485、RS422三種串行通信方式，在RS485方式下，只支持遙測和遙信命令，不支持遙調和遙控命令。本協議轉換器采用RS232通信口。

1.5 IEC61850協議

IEC61850是一個關于變電站自動化系統結構和數據通信的國際標準，其目的是使變電站內不同廠家的通信設備通過一種標準協議實現信息共享和互操作[4]。

IEC 61850規約體系完善，相對于傳統規約而言，應用面向對象技術的IEC 61850有明顯的技術特點和優勢。

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

2）面向對象的建模技術：IEC 61850標準采用面向對象的統一建模語言來全面的描述設備和系統，以實現設備之間的互操作性，并提出設備必須具有自描述功能。

3）抽象服務通信接口技術：抽象通信服務接口（ACSI）的提出是為了實現無縫的通信網絡，接口技術獨立于具體的網絡應用層協議，可適應以太網以及現場總線等各種通信體系，從而適應電力系統內網絡復雜多樣的特點。

2 硬件接口描述

協議轉換器通過 Modbus協議與溫度采集終端進行通信，Modbus協議、CDT協議和IEC-870-5-101協議均采用 RS232通信方式，IEC-870-5-104和IEC61850協議采用以太網通信方式，故硬件設備至少需配備3個串口，兩個網口。本協議轉換器配備了4個串口，兩個網口。

3 軟件設計

軟件設計主要包括根據配置的參數選擇互轉的協議，協議的解幀，數據凈荷的轉換和協議的組幀。各協議之間的轉換，最主要是數據凈荷的轉換，收到需要轉換的協議的數據幀后，去除幀頭幀尾，取出數據凈荷，根據目標協議的組幀規則重新打包，從對應的硬件接口發送出去。流程如圖 2所示。

圖2 數據處理流程圖

4 在無源無線測溫系統中的應用

在這里以 Modbus協議向 61850協議轉換為例做詳細介紹。這樣的協議轉換器已在某變電站中使用，運行效果良好，其系統連接圖如圖3所示。

每個開關柜安裝6個傳感器，分別為A、B、C三相進線和A、B、C三相出線。每個開關柜安裝一個采集終端，采集6個探頭溫度信號，采集終端通過232總線與協議轉換器通信，上傳各個測點的溫度信息，協議轉換器將所有的溫度信息通過 IEC 61850協議上報給其他廠家的后臺系統。Modbus數據幀結構見表6。

圖3 系統連接圖

表6 Modbus數據幀結構

IEC 61850的cid文件如圖4所示。

圖4 IEC 61850的cid文件

5 結論

由于現場總線傳輸距離和負載容量的限制，使得遠程控制和數據共享受到非常大的制約，極大地限制了產品的推廣和發展。并且電力系統內通信協議較多，當采集終端不接入自己的后臺系統時，不能很好地與其他廠家生產的設備通信。采用此協議轉換器即可實現電力系統內 Modbus，IEC-870-5-101，IEC-870-5-104，CDT，IEC 61850通信協議的互轉，從而使產品適用于更多場合。

[1] 樓蔚松,廖任秀,唐金花.基于嵌入式Linux的Modbus協議轉換的設計與實現[J].金華職業技術學院學報，2007.

[2] 電力系統控制及其通信標準化技術委員會.IEC-60870-5-101.遠動設備及系統,第5部分，傳輸規約，基本遠動任務的配套標準[S]. 1995.

[3] 電力系統控制及其通信標準化技術委員會.IEC-60870-5-104.遠動設備及系統,第 5部分,傳輸規約,采用標準傳輸協議集的 IEC 60870-5-101網絡訪問[S]. 2006.

[4] 袁敬中.數字化變電站自動化系統[J].華北電力技術,2006.