基于DSP和Modbus總線的智能斷路器控制器設(shè)計(jì)

作為輸配電網(wǎng)絡(luò)中保護(hù)用的電力斷路器(包括框架式斷路器和塑殼式斷路器），在設(shè)備過(guò)載、短路時(shí)，能安全、可靠地切斷故障電流，防止事故擴(kuò)大危及到整個(gè)輸配電系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)供配電系統(tǒng)的自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)斷路器的功能已不能滿足供配電系統(tǒng)自動(dòng)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(duì)于供電系統(tǒng)中的多臺(tái)斷路器要求能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信、集中監(jiān)控等功能，即第四代斷路器，同時(shí)對(duì)高分?jǐn)嗄芰?、多保護(hù)功能、高可靠性提出了更高的應(yīng)用要求。本文著重研究和設(shè)計(jì)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(jié)合斷路器的上位監(jiān)控軟件的完整應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。該控制器不僅具有三段保護(hù)的基本功能，還能實(shí)現(xiàn)在串行鏈路Modbus總線通信的“四遙”(遙訊、遙測(cè)、遙調(diào)、遙控)及附加的電力質(zhì)量監(jiān)控等功能。
1 智能斷路器硬件結(jié)構(gòu)
1.1 硬件總體結(jié)構(gòu)
    由斷路器、智能控制器和上位機(jī)構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。上位機(jī)與下位機(jī)采用Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線相連接，下位機(jī)完成整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的保護(hù)以及電力質(zhì)量監(jiān)控；上位機(jī)通過(guò)Modbus總線與智能控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)智能控制器節(jié)點(diǎn)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(hào)的調(diào)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(cè)信號(hào)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(cè)供電線路中的電流和電壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字電路和DSP可處理的電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)調(diào)理電路(隔離、濾波、放大等)送入DSP，DSP自帶的A/D轉(zhuǎn)換單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，供DSP進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理。DSP將檢測(cè)到的電流信號(hào)與整定值相比較，判斷是否脫扣，從而實(shí)現(xiàn)三段保護(hù)功能。同時(shí)在系統(tǒng)中采用Modbus總線協(xié)議與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)智能控制器的“四遙”功能。
1.2 采樣與信號(hào)調(diào)理
    采用空芯電流互感器檢測(cè)電流信號(hào)，以保證有較好的線性范圍。采用串聯(lián)的電阻分壓提供電壓信號(hào)。電流和電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)RC濾波后，分2路進(jìn)行采樣，以解決量程變換問(wèn)題。當(dāng)互感器輸出電壓比較小時(shí)，電壓經(jīng)過(guò)LM324放大，由A/D采樣；而當(dāng)互感器輸出電壓比較大時(shí)，LM324輸出出現(xiàn)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(hào)在閥值處能較好銜接起來(lái)。電流采樣電路如圖2。R11、R12、R21、R22將交流信號(hào)提升為A/D可識(shí)別的3.3 V直流信號(hào)，D1、D2、D7、D8構(gòu)成限幅保護(hù)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?jǐn)鄷?huì)對(duì)電路產(chǎn)生干擾，為保證可靠的通信，電路附加了一些保護(hù)。其中8.2 V的TVS管V1、V2、V3都是用來(lái)保護(hù)RS485總線的，以避免RS485總線在受外界干擾時(shí)(雷擊、浪涌)產(chǎn)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(duì)SP485E芯片起到良好的保護(hù)效果。

2 智能控制器軟件設(shè)計(jì)
2.1 智能控制器軟件結(jié)構(gòu)
    智能控制器軟件主要包括：采樣數(shù)據(jù)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(xié)議狀態(tài)機(jī)，并做相應(yīng)的通信處理。通過(guò)采樣獲取主線路的電流信號(hào)，每周期20 ms采樣40點(diǎn)，采用0.5 ms的定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)非失真采樣。而線路的三段保護(hù)，即電流速斷、限時(shí)電流速斷、定時(shí)過(guò)電流均依據(jù)一定的算法在這些采樣點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。根據(jù)測(cè)得的電流信號(hào)進(jìn)行有效值計(jì)算（40個(gè)采樣點(diǎn)采用加權(quán)平滑濾波，取均值），進(jìn)行熱記憶能量累加或消退，先后比較是否達(dá)到或超過(guò)瞬時(shí)脫扣整定值Ii、短延時(shí)脫扣電流整定值Isd、過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)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?jǐn)嗝?，?dòng)作時(shí)間延時(shí)T根據(jù)斷路器控制器的電流－時(shí)間特性曲線決定(可參考斷路器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3])，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路中的過(guò)載、短路、接地等故障的保護(hù)。[!--empirenews.page--]

2.2 Modbus協(xié)議棧設(shè)計(jì)
    控制器能設(shè)置ASCII或RTU兩種傳輸模式中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)中通信。目前最常用的是RTU模式。在消息中的每個(gè)8 bit字節(jié)包含2個(gè)4 bit的十六進(jìn)制字符，在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)[1]。本設(shè)計(jì)采用Modbus RTU傳輸模式，使用RTU模式的關(guān)鍵是幀字符時(shí)間的處理。要求至少為3.5個(gè)字符時(shí)間的空閑間隔將報(bào)文幀區(qū)分開(kāi)，同時(shí)整個(gè)報(bào)文幀必須作為一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸，2個(gè)字符之間的空閑間隔小于1.5個(gè)字符時(shí)間[2]。
    協(xié)議棧采用分層設(shè)計(jì)，分為協(xié)議狀態(tài)機(jī)處理部分和硬件相關(guān)部分。協(xié)議狀態(tài)機(jī)部分，通過(guò)查詢協(xié)議事件狀態(tài)維護(hù)協(xié)議狀態(tài)機(jī)，根據(jù)不同狀態(tài)對(duì)接收幀進(jìn)行校驗(yàn)以及對(duì)功能碼的處理函數(shù)。硬件相關(guān)部分包括對(duì)定時(shí)器和串口的初始化配置以及相應(yīng)的定時(shí)器中斷、串口接收發(fā)送中斷。協(xié)議棧程序的流程圖如圖5。應(yīng)用程序?qū)D采樣后處理好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在特定的緩沖區(qū)中，供上位機(jī)查詢。協(xié)議棧的接收和發(fā)送Modbus RTU數(shù)據(jù)幀是通過(guò)一個(gè)由硬件提取層的調(diào)用驅(qū)動(dòng)狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。協(xié)議棧開(kāi)T3.5字符計(jì)時(shí)中斷、接收中斷和發(fā)送中斷，在主函數(shù)循環(huán)中對(duì)事件標(biāo)志進(jìn)行查詢和處理。

3 上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)
    在智能控制器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，智能控制器與上位機(jī)系統(tǒng)通信采用主從方式，上位機(jī)的作用主要是實(shí)現(xiàn)“四遙”功能。智能控制器一方面將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息上傳，另一方面接收上位PC機(jī)發(fā)出的控制命令。斷路器智能控制器系統(tǒng)中，上位機(jī)監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)如下功能[4]：
    (1)實(shí)時(shí)接收下位機(jī)(智能控制器)上傳的數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)列表和實(shí)時(shí)曲線的方式顯示。上位機(jī)接收下位機(jī)定時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)，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(jì)電量等；可隨時(shí)讀取下位機(jī)中的數(shù)據(jù)。操作人員可在監(jiān)控機(jī)上隨時(shí)向下位機(jī)發(fā)送查詢幀，索取當(dāng)前斷路器中的運(yùn)行數(shù)據(jù)。
    (2)具有在線設(shè)置下位機(jī)參數(shù)及發(fā)送遠(yuǎn)程合分閘命令功能。這樣便于操作人員在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的情況下安全地控制和操縱斷路器的運(yùn)行。
    上位機(jī)監(jiān)控軟件可采用VB、VC等高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，亦或在組態(tài)軟件上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)?？紤]到人機(jī)界面構(gòu)建簡(jiǎn)易、程序便于集成和升級(jí)，設(shè)計(jì)中采用Visual C++ 6．0作為開(kāi)發(fā)工具。在9 600 b/s波特率下，設(shè)置Modbus幀間間隔為50 ms。超時(shí)時(shí)間為300 ms時(shí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)地址為10的額定100 A斷路器線路電流有效值進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控測(cè)試界面如圖6。

    本文從硬件和軟件上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了Modbus智能斷路器，給出了包括監(jiān)控上位機(jī)軟件在內(nèi)的整套應(yīng)用方案，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的“四遙”等聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用功能。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性高，為斷路器的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)提供一種較好的解決方案。