低壓配電網(wǎng)絡(luò)PLC監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張文婷，劉琦

（1.江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇徐州，221000；2.徐礦綜合利用發(fā)電有限公司，江蘇徐州，221000）

1 低壓配電網(wǎng)絡(luò)PLC監(jiān)控系統(tǒng)功能性模塊構(gòu)成設(shè)計(jì)

1.1 智能低壓斷路器模塊

低壓配電網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)控配電網(wǎng)絡(luò)中電路以及設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)短路、過載、電壓異常等問題時(shí)，能夠及時(shí)地通過切斷電路來保護(hù)設(shè)施設(shè)備不被過度破壞。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，就先要具備能夠智能切斷電路的功能模塊。智能低壓斷路器要實(shí)現(xiàn)智能化同時(shí)要通過配電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集與分析，來判斷是否執(zhí)行斷路操作。因此，智能低壓斷路器應(yīng)該具備以下幾個(gè)基本功能：

第一，要具備對(duì)電路中其他設(shè)備的保護(hù)功能，即要有三段電流保護(hù)和過、欠電壓保護(hù)。

第二，要具備接收與發(fā)送信息的通訊功能，能夠與監(jiān)控系統(tǒng)的其他功能模塊完成數(shù)據(jù)交互，能夠接收并解析監(jiān)控軟件發(fā)送的指令數(shù)據(jù)，對(duì)指令數(shù)據(jù)作出反應(yīng)。同時(shí)能夠向監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)模塊反饋斷路器工作狀態(tài)。

第三，要具備一定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，能存儲(chǔ)一段時(shí)間內(nèi)的低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)采集器模塊

數(shù)據(jù)采集器模塊主要負(fù)責(zé)智能低壓斷路器（下位機(jī)）與監(jiān)控系統(tǒng)主控軟件（上位機(jī)）之間的通信數(shù)據(jù)集中處理。智能斷路器的分布根據(jù)配電網(wǎng)絡(luò)的大小和布局會(huì)出現(xiàn)較大不同，且安裝分布位置相對(duì)分散，著這種情況下，要給每一個(gè)低壓斷路器裝配上線上移動(dòng)通信模塊，不僅成本過高，且容易出現(xiàn)信號(hào)不穩(wěn)定，信號(hào)之間相互干擾等問題。因此需要在相對(duì)較大的一片區(qū)域內(nèi)，將若干個(gè)智能斷路器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信功能集中在一個(gè)數(shù)據(jù)采集器上，有數(shù)據(jù)采集器收集下轄的斷路器數(shù)據(jù)，并將這些屬于一個(gè)斷路器的數(shù)據(jù)打包成一個(gè)處理單元，傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器，同時(shí)接收監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送的各個(gè)處理單元對(duì)應(yīng)的反饋指令，將該指令發(fā)送給對(duì)應(yīng)的智能斷路器。

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)主控軟件模塊

監(jiān)控系統(tǒng)主控軟件模塊也就是監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器模塊，主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互功能、系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)、運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置、功能異常事件報(bào)警功能。

人機(jī)交互功能主要包括人機(jī)操作界面功能實(shí)現(xiàn)、操作權(quán)限的管理功能、歷史數(shù)據(jù)的查詢功能等。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)與存儲(chǔ)功能則主要用于儲(chǔ)存各個(gè)下轄智能斷路器實(shí)時(shí)采集到的配電網(wǎng)絡(luò)電量參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)以及歷史斷路報(bào)警數(shù)據(jù)等，方便系統(tǒng)操作人員直觀地查看整個(gè)低壓配電網(wǎng)絡(luò)的故障高發(fā)區(qū)域和高發(fā)故障類型。

異常事件報(bào)警功能主要針對(duì)監(jiān)控軟件接收到的斷路器的反饋信息，出現(xiàn)斷路器工作的情況是，就將代表該區(qū)域的故障指示燈電量，并在人機(jī)交互界面顯示故障區(qū)域以及斷路器初步研判的故障原因。

運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置主要通過人機(jī)交互界面對(duì)某一個(gè)數(shù)據(jù)采集器對(duì)應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性的運(yùn)行參數(shù)修改。將參數(shù)修改指令發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器，再由采集器轉(zhuǎn)發(fā)到下轄的區(qū)域內(nèi)低壓斷路器上。

2 智能低壓斷路器軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

智能低壓斷路器的定位為整個(gè)智能監(jiān)控系統(tǒng)的下位機(jī)部分也是主體模塊。系統(tǒng)的大部分功能都通過這一模塊得以實(shí)現(xiàn)。要想實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的主要電路狀態(tài)監(jiān)控及電路設(shè)備保護(hù)功能。就需要具備實(shí)時(shí)采集電路數(shù)據(jù)、進(jìn)行邏輯研判、執(zhí)行斷路操作、進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的這幾項(xiàng)PLC自控系統(tǒng)常見的功能模塊。而硬件設(shè)計(jì)也要圍繞這一思路展開：

圖1 智能低壓斷路器主控芯片PIC24FJ64GA006

第一，主控制器模塊。主控制器模塊主要負(fù)責(zé)儲(chǔ)存斷路器自動(dòng)化控制軟件程序、運(yùn)行程序調(diào)用各個(gè)功能性子模塊、進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的邏輯研判等功能。考慮到低壓配電網(wǎng)絡(luò)本身覆蓋范圍較廣，需要用到的智能低壓斷路器數(shù)量也相對(duì)較多，另外低壓電路的電量以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)相對(duì)不復(fù)雜，因此建議采用主控芯片PIC24FJ64GA006美國微芯公司的16為高速低功耗指令集芯片。

通信模塊要考慮傳輸數(shù)據(jù)速度以及抗干擾能力。低壓配電網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)SP3485就能夠滿足RS-485串行通信協(xié)議的低功率收發(fā)器，數(shù)據(jù)層傳輸速度也有10Mbs，同時(shí)SP3485通訊模塊也具備較高的抑制共模干擾的能力，能夠確保數(shù)據(jù)通信過程中的安全可靠。

數(shù)據(jù)采集模塊主要包括對(duì)電路電流、電壓等數(shù)據(jù)的采集工作，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹骺匦酒腁/D接口能夠識(shí)別的0-3.3V模擬信號(hào)，然后在外界一個(gè)抗干擾的RC濾波電路，保證采集到的數(shù)據(jù)集信號(hào)的可靠性。

動(dòng)作模塊主要用于執(zhí)行斷路動(dòng)作。當(dāng)主控芯片經(jīng)過邏輯研判以后，判定監(jiān)控電路或設(shè)備狀態(tài)處于故障狀態(tài)且滿足斷路判斷參數(shù)時(shí)，向動(dòng)作模塊發(fā)送動(dòng)作指令，這時(shí)低壓斷路器進(jìn)行故障工作狀態(tài)，TRIP端由低電平變?yōu)楦唠娖剑O管D10與三極管Q2導(dǎo)通，脫扣器兩端電流增加，脫扣裝置觸發(fā)跳閘保護(hù)。當(dāng)電路故障消除時(shí)，主控芯片發(fā)送合閘指令，RECLOSE由低電平切換為高電平，三極管Q1與繼電器K1導(dǎo)通，電機(jī)的J3接口通電，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)低壓斷路器閉合，恢復(fù)主電路流通。

圖2 智能低壓斷路器動(dòng)作模塊電路圖

2.2 軟件流程設(shè)計(jì)

智能低壓斷路器的軟件流程有多個(gè)對(duì)應(yīng)各個(gè)功能模塊的自動(dòng)化流程。最主要的還是主控芯片的斷路與合閘研判流程。

該流程中現(xiàn)有系統(tǒng)完成初始化操作，恢復(fù)包括始終信號(hào)、寄存器、動(dòng)作模塊狀態(tài)在內(nèi)的各個(gè)子模塊狀態(tài)。然后調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊采集監(jiān)控電路的電路電壓數(shù)值，并通過參數(shù)運(yùn)算將這些數(shù)值轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)數(shù)據(jù)，通過對(duì)比參數(shù)判斷當(dāng)前監(jiān)控電路及其設(shè)備是否運(yùn)行正常。如果存在故障則再次通過對(duì)比參數(shù)判斷該故障是否需要斷開電路，如故障數(shù)據(jù)滿足參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，則發(fā)送動(dòng)作模塊的斷開指令。

3 數(shù)據(jù)采集器軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本課題開發(fā)一款數(shù)據(jù)采集器作為智能低壓斷路器與監(jiān)控軟件的通信橋梁，主要有以下原因：

第一，由于智能低壓斷路器安裝位置分散，且安裝的數(shù)量不一，如果在智能低壓斷路器上直接添加4G移動(dòng)通信模塊，其成本將大大增加。

第二，將某一區(qū)域范圍內(nèi)的智能低壓斷路器通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行集中管理，能夠方便數(shù)據(jù)的集中傳輸和管理。

數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)接收處理單元、RS-485通信模塊、4G移動(dòng)通信模塊和供電電源等四大部分。當(dāng)使用人員利用監(jiān)控軟件通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送指令到數(shù)據(jù)采集器獲得所需要的數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)采集器通過RS-485通信模塊將智能低壓斷路器的各種數(shù)據(jù)包括自身的狀態(tài)、三相電壓和電流和工作參數(shù)等送到數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元解析處理和打包接收后的數(shù)據(jù)，通過4G移動(dòng)通信模塊把打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控軟件。

主控芯片模塊需要處理下轄多個(gè)智能低壓斷路器的數(shù)據(jù)傳輸模塊都需要通過該模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，因此數(shù)據(jù)采集器需要的數(shù)據(jù)傳輸與運(yùn)算功能相對(duì)較大，需要功能相對(duì)強(qiáng)大，且引腳接口相對(duì)較多的主控芯片類型。本文建議采用自帶有VSS/VDD電源引腳以及32對(duì)I/O引腳的STM32F103RCT6芯片。該芯片非常適合作為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的通信模塊主控芯片，但為了保證信號(hào)的抗干擾能力，需要外接一些抗干擾濾波電路，才能保證數(shù)量較大的共模信號(hào)不會(huì)相互干擾。

信號(hào)的收發(fā)模塊主要選用RS-485模塊，SP3485芯片發(fā)送完指令以后，數(shù)據(jù)采集器再接收信號(hào)，控制芯片SP3485控制通信模塊切換到接收狀態(tài)。

4G模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)已經(jīng)打包過的數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控軟件之間的交互。4G通信模塊一般采用遠(yuǎn)程通信性能穩(wěn)定且體積較小的SIM7600CE芯片作為主控芯片。根據(jù)SIM7600CE芯片官方硬件手冊(cè)，在4個(gè)VBAT引腳上接入供電電路和射頻電路，同時(shí)在供電電路上增加一個(gè)電解電容與普通電容并聯(lián)的濾波電路，能夠有效地提高芯片供電的穩(wěn)定性。另外鑒于4G通信的GPRS信號(hào)發(fā)射電流需要高于2A，因此需要引腳電源能夠穩(wěn)定提供高于2A的電流。同時(shí)要注意通過介入SIM卡的方式，來抑制靜電放電、鎖閉狀態(tài)等電壓突然起伏對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的干擾。

圖3 智能低壓斷路器主程序流程圖

3.2 軟件流程設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器的定位處于上位機(jī)與下位機(jī)的橋梁功能，它的主程序也應(yīng)該是完成上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)無損交互。

首先同樣調(diào)用系統(tǒng)初始化程序，完成對(duì)始終信號(hào)、I/O端口狀態(tài)、寄存器的初始化操作。然后系統(tǒng)循環(huán)接入上位機(jī)程序，等待接收數(shù)據(jù)采集控制指令。當(dāng)操作人員通過上位機(jī)人機(jī)交互發(fā)布數(shù)據(jù)采集指令以后，解析上位機(jī)指令內(nèi)容，根據(jù)指令內(nèi)容發(fā)送對(duì)應(yīng)的下位機(jī)數(shù)據(jù)采集指令，接收下位機(jī)反饋信號(hào)，判斷下位機(jī)是否正確接收到數(shù)據(jù)采集指令。最后，當(dāng)下位機(jī)接收信號(hào)后向數(shù)據(jù)采集器發(fā)送所需數(shù)據(jù)以后，再由數(shù)據(jù)采集器調(diào)用4G通信模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的一系列操作功能、實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警功能、下位機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置與修改功能。

首先，人機(jī)交互功能就包括了系統(tǒng)管理人員的管理權(quán)限系列功能，包括管理人員注冊(cè)、登錄與注銷、權(quán)限修改功能，還包括操作界面的布局與數(shù)據(jù)顯示功能。操作界面要保持直觀簡潔，方便操作人員輸入操作指令，同時(shí)也能夠準(zhǔn)確迅速地展現(xiàn)操作人員的查詢、參數(shù)修改等操作反饋結(jié)果。

其次，下位機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置與修改功能，主要是提高整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的靈活性。操作人員可以以數(shù)據(jù)采集器為單位，針對(duì)不同數(shù)據(jù)采集器下轄的配電網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況，針對(duì)性地配置該區(qū)域智能低壓斷路器的運(yùn)行參數(shù)。修改前必須了解當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)。在設(shè)定參數(shù)界面上，工作人員選擇設(shè)定的對(duì)象，發(fā)送查詢當(dāng)前設(shè)定參數(shù)，監(jiān)控軟件收到查詢指令并解析，在界面上顯示供工作人員查看。然后工作人員結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，在輸入?yún)^(qū)內(nèi)修改相應(yīng)的參數(shù)。輸入過程中，如果某個(gè)參數(shù)超過設(shè)定的限制，軟件將會(huì)發(fā)出提示。修改完成后，發(fā)送設(shè)定指令到數(shù)據(jù)采集器，再轉(zhuǎn)發(fā)到智能低壓斷路器上。設(shè)定運(yùn)行參數(shù)包括框架電流、額定電流、長延時(shí)電流、反時(shí)限時(shí)間保護(hù)（長延時(shí)）、短延時(shí)電流值設(shè)定、瞬時(shí)電流保護(hù)值設(shè)定、過壓值、欠壓值、漏電電流上限、短延時(shí)間、漏電時(shí)間、過壓動(dòng)作延時(shí)和欠壓動(dòng)作延時(shí)。

最后，故障報(bào)警功能，則是判斷下轄智能低壓斷路器的運(yùn)行狀態(tài)，如果出現(xiàn)斷路器處于斷開狀態(tài)時(shí)，則需要通過故障指示燈提醒操作人員故障方位與故障初步原因研判結(jié)果，提高配電網(wǎng)絡(luò)故障的檢修效率。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本文建議選擇較適合數(shù)字化數(shù)據(jù)管理的SQL Server2012作為數(shù)據(jù)庫。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能實(shí)際需求，設(shè)計(jì)用戶信息表、設(shè)備信息表、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)表、斷路器工作日志數(shù)據(jù)表、參數(shù)設(shè)置變更數(shù)據(jù)表，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)模塊數(shù)據(jù)的精細(xì)化存儲(chǔ)與管理。