基于DSP和Modbus總線的智能斷路器控制器設計

作為輸配電網絡中保護用的電力斷路器(包括框架式斷路器和塑殼式斷路器），在設備過載、短路時，能安全、可靠地切斷故障電流，防止事故擴大危及到整個輸配電系統。隨著科學技術的進步，人們對供配電系統的自動化程度要求越來越高，傳統斷路器的功能已不能滿足供配電系統自動化的需要。斷路器控制器正在向智能化、多功能、模塊化及可通信的方向發(fā)展。對于供電系統中的多臺斷路器要求能實現聯網通信、集中監(jiān)控等功能，即第四代斷路器，同時對高分斷能力、多保護功能、高可靠性提出了更高的應用要求。本文著重研究和設計了一種基于DSP的Modbus總線的新型可通信智能斷路器控制器，并給出結合斷路器的上位監(jiān)控軟件的完整應用實現。該控制器不僅具有三段保護的基本功能，還能實現在串行鏈路Modbus總線通信的“四遙”(遙訊、遙測、遙調、遙控)及附加的電力質量監(jiān)控等功能。
1 智能斷路器硬件結構
1.1 硬件總體結構
    由斷路器、智能控制器和上位機構成的監(jiān)控系統總體框圖如圖1所示。上位機與下位機采用Modbus現場總線相連接，下位機完成整個測控系統的基礎工作，實現對輸電線路的保護以及電力質量監(jiān)控；上位機通過Modbus總線與智能控制器進行數據傳輸，實現對多個智能控制器節(jié)點的集中控制和管理。

    智能控制器采用TI的高性能DSP芯片TMS320F2812，電路主要由電壓電流輸入信號的調理電路、自生電源和外部電源控制模塊、RS485通信模塊、顯示和按鍵模塊及外圍檢測信號輸入電路、脫扣控制電路等組成。電流互感器和電阻分壓前端分別檢測供電線路中的電流和電壓信號，并將其轉換為數字電路和DSP可處理的電平信號，經過模擬信號調理電路(隔離、濾波、放大等)送入DSP，DSP自帶的A/D轉換單元將模擬信號轉換成數字信號，供DSP進行邏輯運算和處理。DSP將檢測到的電流信號與整定值相比較，判斷是否脫扣，從而實現三段保護功能。同時在系統中采用Modbus總線協議與上位機通信，實現智能控制器的“四遙”功能。
1.2 采樣與信號調理
    采用空芯電流互感器檢測電流信號，以保證有較好的線性范圍。采用串聯的電阻分壓提供電壓信號。電流和電壓信號經過RC濾波后，分2路進行采樣，以解決量程變換問題。當互感器輸出電壓比較小時，電壓經過LM324放大，由A/D采樣；而當互感器輸出電壓比較大時，LM324輸出出現飽和，則直接由A/D采樣。其中通道的選擇由軟件完成,以使采樣信號在閥值處能較好銜接起來。電流采樣電路如圖2。R11、R12、R21、R22將交流信號提升為A/D可識別的3.3 V直流信號，D1、D2、D7、D8構成限幅保護電路。電壓通道除了電阻分壓不同，其他部分相似。

1.3 通信接口
    采用SP485E芯片的通信接口如圖3。由于斷路器的分斷會對電路產生干擾，為保證可靠的通信，電路附加了一些保護。其中8.2 V的TVS管V1、V2、V3都是用來保護RS485總線的，以避免RS485總線在受外界干擾時(雷擊、浪涌)產生的高壓損壞RS485收發(fā)器。電路中的L1、L2、C7、C8元件，用于提高電路的EMI性能，并對SP485E芯片起到良好的保護效果。

2 智能控制器軟件設計
2.1 智能控制器軟件結構
    智能控制器軟件主要包括：采樣數據處理、通信處理、按鍵和顯示處理及能量記憶處理等模塊。主程序流程圖如圖4。在主程序中，智能控制器上電初始化后，查詢通信事件狀態(tài)，處理Modbus協議狀態(tài)機，并做相應的通信處理。通過采樣獲取主線路的電流信號，每周期20 ms采樣40點，采用0.5 ms的定時器，實現非失真采樣。而線路的三段保護，即電流速斷、限時電流速斷、定時過電流均依據一定的算法在這些采樣點的基礎上進行。根據測得的電流信號進行有效值計算（40個采樣點采用加權平滑濾波，取均值），進行熱記憶能量累加或消退，先后比較是否達到或超過瞬時脫扣整定值Ii、短延時脫扣電流整定值Isd、過載長延時脫扣電流整定值Ir，判斷是否大于整定的脫扣能量從而發(fā)出分斷命令，動作時間延時T根據斷路器控制器的電流－時間特性曲線決定(可參考斷路器行業(yè)標準[3])，從而實現對線路中的過載、短路、接地等故障的保護。

2.2 Modbus協議棧設計
    控制器能設置ASCII或RTU兩種傳輸模式中的任何一種在標準的Modbus網絡中通信。目前最常用的是RTU模式。在消息中的每個8 bit字節(jié)包含2個4 bit的十六進制字符，在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數據[1]。本設計采用Modbus RTU傳輸模式，使用RTU模式的關鍵是幀字符時間的處理。要求至少為3.5個字符時間的空閑間隔將報文幀區(qū)分開，同時整個報文幀必須作為一個連續(xù)的數據流傳輸，2個字符之間的空閑間隔小于1.5個字符時間[2]。
    協議棧采用分層設計，分為協議狀態(tài)機處理部分和硬件相關部分。協議狀態(tài)機部分，通過查詢協議事件狀態(tài)維護協議狀態(tài)機，根據不同狀態(tài)對接收幀進行校驗以及對功能碼的處理函數。硬件相關部分包括對定時器和串口的初始化配置以及相應的定時器中斷、串口接收發(fā)送中斷。協議棧程序的流程圖如圖5。應用程序將AD采樣后處理好的數據存儲在特定的緩沖區(qū)中，供上位機查詢。協議棧的接收和發(fā)送Modbus RTU數據幀是通過一個由硬件提取層的調用驅動狀態(tài)機來實現的。協議棧開T3.5字符計時中斷、接收中斷和發(fā)送中斷，在主函數循環(huán)中對事件標志進行查詢和處理。

3 上位機監(jiān)控軟件的設計
    在智能控制器監(jiān)控系統設計中，智能控制器與上位機系統通信采用主從方式，上位機的作用主要是實現“四遙”功能。智能控制器一方面將實時數據和信息上傳，另一方面接收上位PC機發(fā)出的控制命令。斷路器智能控制器系統中，上位機監(jiān)控主要實現如下功能[4]：
    (1)實時接收下位機(智能控制器)上傳的數據，采用數據列表和實時曲線的方式顯示。上位機接收下位機定時發(fā)送的數據，包括：三相電壓、三相電流、中性線電流、有功功率、功率因素及累計電量等；可隨時讀取下位機中的數據。操作人員可在監(jiān)控機上隨時向下位機發(fā)送查詢幀，索取當前斷路器中的運行數據。
    (2)具有在線設置下位機參數及發(fā)送遠程合分閘命令功能。這樣便于操作人員在遠離現場的情況下安全地控制和操縱斷路器的運行。
    上位機監(jiān)控軟件可采用VB、VC等高級語言實現，亦或在組態(tài)軟件上進行二次開發(fā)?？紤]到人機界面構建簡易、程序便于集成和升級，設計中采用Visual C++ 6．0作為開發(fā)工具。在9 600 b/s波特率下，設置Modbus幀間間隔為50 ms。超時時間為300 ms時，對節(jié)點地址為10的額定100 A斷路器線路電流有效值進行監(jiān)控，監(jiān)控測試界面如圖6。

    本文從硬件和軟件上設計實現了Modbus智能斷路器，給出了包括監(jiān)控上位機軟件在內的整套應用方案，通過上位機監(jiān)控軟件實現對斷路器的“四遙”等聯網應用功能。通過現場實驗測試表明，系統運行穩(wěn)定可靠、實時性高，為斷路器的網絡互聯提供一種較好的解決方案。