基于TCP/IP的配電柜監(jiān)控裝置

文丨關(guān) 巍

前言

在電力系統(tǒng)信息化高速發(fā)展的今天，智能電網(wǎng)受到了重視，在中國(guó)大陸建立一套完善的智能電網(wǎng)系統(tǒng)迫在眉睫。傳統(tǒng)的電工24小時(shí)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(cuò)。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(tǒng)就可以對(duì)供電情況集中調(diào)控和監(jiān)測(cè)管理；實(shí)現(xiàn)配電房無人值班，節(jié)約資源。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信搭建相當(dāng)簡(jiǎn)單，只需在原有的網(wǎng)絡(luò)上架設(shè)設(shè)備交換機(jī)和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)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(gè)方面講述該裝置：以51單片機(jī)構(gòu)成的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

裝置的原理實(shí)現(xiàn)框圖如下圖1所示。51單片機(jī)構(gòu)成的微機(jī)系統(tǒng)擔(dān)任進(jìn)線或饋線的電流、電壓、相位、頻率等參數(shù)的測(cè)量及運(yùn)算和上位機(jī)的命令實(shí)施；對(duì)測(cè)量異常數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和報(bào)警輸出，對(duì)上位機(jī)的要求執(zhí)行。所有的正常數(shù)據(jù)及異常數(shù)據(jù)和報(bào)警均通過51單片機(jī)的通信口（串口）輸出，所有上位機(jī)要施行的命令均通過51單片機(jī)的通信口（串口）接收。51單片機(jī)的通信口（串口）經(jīng)串口轉(zhuǎn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模塊對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。所有的監(jiān)測(cè)和控制得到與PC機(jī)組態(tài)系統(tǒng)實(shí)時(shí)溝通。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口組合靈活，方便搭建智能監(jiān)控平臺(tái)。

監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)

1.監(jiān)測(cè)模塊。電力系統(tǒng)中，配電柜的電能參數(shù)和開關(guān)量的監(jiān)測(cè)是電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行的信息源泉，因此數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性相當(dāng)重要。在單片機(jī)系統(tǒng)中，為了防止現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電磁干擾或工頻電壓通過輸出通道反串到測(cè)控系統(tǒng)，常常采用通道隔離技術(shù)。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(cè)系統(tǒng)中，設(shè)置了光電隔離器件實(shí)現(xiàn)“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(zhuǎn)換芯片TLC549。

2.控制模塊。該部分主要承擔(dān)控制斷路器和其他電氣元件的合、分動(dòng)作的控制。采用繼電器干結(jié)點(diǎn)輸出接口，單片機(jī)可以通過設(shè)置決定若干路繼電器輸出的先后級(jí)別；同時(shí)可以設(shè)定繼電器輸出的常態(tài)（常開/常閉）及節(jié)點(diǎn)閉合、分?jǐn)嗟臅r(shí)間。單片機(jī)通過ULN2003驅(qū)動(dòng)繼電器輸出。

圖1 原理實(shí)現(xiàn)框圖

監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信模塊之間采用串行通信格式。數(shù)據(jù)格式采用RTU協(xié)議。RTU模式中，每次傳送信息前都有3.5個(gè)字符的靜止時(shí)間；當(dāng)對(duì)方接收到3.5個(gè)字符的靜止信號(hào)時(shí)就開始清理內(nèi)存準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)（依據(jù)使用的波特率，很容易計(jì)算這個(gè)3.5個(gè)字符的靜止的時(shí)間實(shí)際值）。接著，傳送的第一個(gè)區(qū)的數(shù)據(jù)為設(shè)備地址。各個(gè)區(qū)允許發(fā)送的字符均為16進(jìn)制的0-9,A-F。

網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備連續(xù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)上的信息，包括靜止時(shí)間。當(dāng)接收第一個(gè)地址數(shù)據(jù)時(shí)，每臺(tái)設(shè)備立即對(duì)它解碼，以決定是否是自己的地址。發(fā)送完最后一個(gè)字符號(hào)后，也有一個(gè)3.5個(gè)字符的靜止時(shí)間，然后才能發(fā)送一個(gè)新的信息。

整個(gè)信息必須連續(xù)發(fā)送。如果在發(fā)送幀信息期間，出現(xiàn)大于1.5個(gè)字符的靜止時(shí)間時(shí)，則接收設(shè)備刷新不完整的信息，并假設(shè)下一個(gè)地址數(shù)據(jù)。

同樣一個(gè)信息后，立即發(fā)送的一個(gè)新信息，（若無3.5個(gè)字符的靜止時(shí)間）這將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤。是因?yàn)楹喜⑿畔⒌腃RC校驗(yàn)碼無效而產(chǎn)生的錯(cuò)誤。

當(dāng)數(shù)據(jù)幀到達(dá)終端設(shè)備時(shí)，它通過一個(gè)簡(jiǎn)單的“端口”進(jìn)入被主機(jī)尋址到的設(shè)備，該設(shè)備去掉數(shù)據(jù)幀的“信封”（數(shù)據(jù)頭），讀取數(shù)據(jù)，如果沒有錯(cuò)誤，就執(zhí)行數(shù)據(jù)所請(qǐng)求的任務(wù)，然后，它將自己生成的數(shù)據(jù)加入到取得的“信封”中，把數(shù)據(jù)幀返回給發(fā)送者。返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)中包含了以下內(nèi)容：終端從機(jī)地址(Address)、被執(zhí)行了的命令(Function)、執(zhí)行命令生成的被請(qǐng)求數(shù)據(jù)(Data)和一個(gè)校驗(yàn)碼(Check)。發(fā)生任何錯(cuò)誤都不會(huì)有成功的響應(yīng)。

圖2 報(bào)文控制框圖

數(shù)據(jù)幀格式如下表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

地址域（Address）在幀的開始部分，由一個(gè)字節(jié)（8位二進(jìn)制碼）組成，十進(jìn)制為0～255。這些位標(biāo)明了用戶指定的終端設(shè)備的地址，該設(shè)備將接收來自與之相連的主機(jī)數(shù)據(jù)。每個(gè)終端設(shè)備的地址必須是唯一的，僅僅被尋址到的終端會(huì)響應(yīng)包含了該地址的查詢。當(dāng)終端發(fā)送回一個(gè)響應(yīng)，響應(yīng)中的從機(jī)地址數(shù)據(jù)便告訴了主機(jī)哪臺(tái)終端正與之進(jìn)行通信。

TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信模塊

TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信模塊負(fù)責(zé)銜接單片機(jī)RTU通信的數(shù)據(jù)并解析出功能后打包成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議對(duì)外交換數(shù)據(jù)。其報(bào)文控制框圖如圖2：

表2 功能碼表

表3 系統(tǒng)功能碼表

在數(shù)據(jù)分析過程中對(duì)電器控制的各個(gè)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(shè)計(jì)用到的功能碼（如下表2所示），以及它們的意義和功能。

系統(tǒng)使用的功能碼如下表3所示:

數(shù)據(jù)域。數(shù)據(jù)域包含了終端執(zhí)行特定功能所需要的數(shù)據(jù)或者終端響應(yīng)查詢時(shí)采集到的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的內(nèi)容可能是數(shù)值、參考地址或者設(shè)置值。例如：功能域碼告訴終端讀取一個(gè)寄存器，數(shù)據(jù)域則需要指明從哪個(gè)寄存器開始及讀取多少個(gè)數(shù)據(jù)，內(nèi)嵌的地址和數(shù)據(jù)依照類型和從機(jī)之間的不同內(nèi)容而有所不同。

錯(cuò)誤校驗(yàn)允許主機(jī)和終端檢查傳輸過程中的錯(cuò)誤。有時(shí)，由于電噪聲和其它干擾，一組數(shù)據(jù)在從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備時(shí)在線路上可能會(huì)發(fā)生一些改變，出錯(cuò)校驗(yàn)?zāi)軌虮ＷC主機(jī)或者終端不去響應(yīng)那些傳輸過程中發(fā)生了改變的數(shù)據(jù)，這就提高了系統(tǒng)的安全性和效率， RTU方式出錯(cuò)校驗(yàn)使用了16位循環(huán)冗余的方法（CRC16）。

結(jié)束語(yǔ)

使用基于TCP/IP的配電柜監(jiān)控裝置后，大大減少了傳統(tǒng)原有電力配電柜的中控小母線的布線；同時(shí)提高了數(shù)據(jù)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(xiàn)，推動(dòng)了國(guó)家電網(wǎng)智能化的進(jìn)程，使裝設(shè)該裝置的配電房或供電所可以實(shí)現(xiàn)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(shè)，亦可在原有的舊款高低壓配電柜中加以改裝而完成。