低壓配電開關柜監(jiān)控單元設計

1、低壓配電開關柜監(jiān)控單元設計摘 要近年來，經濟的快速發(fā)展對我國電力工業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求，提供更多的電能，具備更高的供電可靠性，更小的線路損耗，更長的使用壽命，更少的維護工作等等。針對上述要求，國家對電廠實行“西電東送”和“關停并轉”等措施，解決供需矛盾，對電網進行“城網農網改造”，進一步優(yōu)化電網結構，減少線損，在變配電所實行配網綜合自動化，提高可靠性，進而達到無人值守。其中一個很重要的方面就是對開關及開關柜運行狀態(tài)進行監(jiān)控，傳統(tǒng)的開關柜與現代電子技術相結合的智能化開關柜應運而生，它一方面滿足傳統(tǒng)開關柜的基本功能要求，另一方面將微電子技術引進柜內，使其有自檢、自控和自我診斷的新功能，以滿足配

2、電網綜合自動化的需要。一些高新技術如傳感器技術、微電子技術、計算機技術和信息技術的飛速發(fā)展及其在各工業(yè)領域的成功應用，使智能化開關柜的開發(fā)和應用成為可能。本文配變監(jiān)測終端的主要設計目標是：實時采集配電系統(tǒng)運行的模擬量和狀態(tài)量，要求高精度、高準確性；接收中心站查詢命令，將最新測量結果上報主站；能自動檢測與識別配變故障，若有異常，立即向中心站發(fā)送告警消息和測量數據，同時，根據中心站命令控制外部開關設備；監(jiān)測設備自身具有故障自檢及自恢復功能；保證終端工作可靠性，滿足電磁兼容性要求。本文的主要內容包括：首先，對目前國內傳統(tǒng)開關柜與國外先進的智能開關柜進行了系統(tǒng)的分析和比較，指出了兩種存在的不同及優(yōu)缺點

3、，并對目前國內傳統(tǒng)開關柜提出了智能化改造設想，提出了系統(tǒng)設計思想。其次，分析了終端配電狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計。系統(tǒng)硬件采用了芯片模塊化并協(xié)同工作設計思想，單片機控制數據采集，這樣設計的目的是為了提高數據采集的速度和精度，現場總線通訊芯片負責數據的上傳和下載，兩部分屬獨立設計，兩者組成了本次設計的硬件電路。此外還詳細介紹了硬件系統(tǒng)中的濾波電路設計、信號采集電路設計、顯示按鍵單元設計、開關量輸入及輸出單元設計等。最后，介紹了系統(tǒng)固件程序設計和應用程序功能模塊。系統(tǒng)固件程序包括單片機主程序、中斷程序和SPC3的初始化程序等； 應用程序包括：數據采集應II用模塊圖、顯示應用模塊圖、從站上傳數據應用模塊

4、圖，從站下載數據應用模塊圖等。關鍵詞：智能配電 狀態(tài)監(jiān)測 信號采集 數據通訊AbstractIIILow voltage Distribution Switchgeat Control Unit Design Introduction of the author: Liyong, male, was born in January,1982 whose tutor was rofessor Wujianping. He graduated from Chengdu University of Technology in Testing&Measure Technology and Ap

5、paratus major and was granted the Master Engineering Degree in June, 2010. Abstract In recent years, rapid economic development on the development of Chinas power industry has put forward higher requirements: to provide more power, with higher reliability, smaller line loss, longer life, less mainte

6、nance and so on. in response to these requests, the state of the power plant implementation of “West to East”and”Guantingbingzhuan”and other measure to resolve the contradiction between supply and demand on the grid for “City Network Rural reform”, and further optimize network structure, reduce line

7、 loss, in the implementation of substation distribution network automation system, improve reliability, and thus achieve unattended. one very important aspect of the switch cabinet to monitor the status of traditional switchgear with modern electronic technologycombined with the intelligent switch c

8、abinet came into being, which on the hand traditional switchgear to meet the basic functional requirements, and the other regardto the introduction of microelectronic technology cabinet, so there is self, self-control and self-diagnostic features to meet the needs of distribution managements system.

9、 Some high-tech.such as sensor technology,microelectronics,computer technology and the rapid development of information technology and its success in various industrial applications, intelligent switchgear to the development and application possible. Distribution Transformer Terminal article the mai

10、n design goals are: real-time acquisition of the analog distribution system operation and status volume, quires high precision, high accuracy; reception center station inquire command, the geophysicists have reported the main points; can automatically detect and the distribution transformer fault in

11、dentification,if unusual, immediately to the center stations in Alert messages and measurements at the same time, according to central station command and control of external switch device; monitoring device itself has a fault self-test and self-recovery functions; to ensure the reliability of the t

12、erminal work to meet IVelectromagnetic compatibility requirements. The main content of this paper includes: First, the traditional domestic and foreign advanced intelligent switchgear for a systematic analysis and comparison, that the existence of two different advantages and disadvantages, and the

13、traditional switchboard domestic reform ideas proposed intelligent system is presented design. Secondly, the analysis of the distribution terminal condition monitoring system hardware designs. Using modular hardwareand chip design to work, MCU control data collection, this design aims to improvethe

14、speed and accuracy of data collection, field bus communication chips for data uploads and downloads the two parts of an independent design, the two formed the design of this hardware. In addition, details of the hardware system filter circuit design, signal acquisition circuit design, display design

15、 of Key modules, digital input and output cell design. Finally, the introduction of the system design and application firmware modules, System firmware, including single chip main program, interrupt procedures and SPC3 initialization procedures; applications include: data acquisition application mod

16、ules, showing application module map, upload the data from the station application module map, from the station to download data application block diagram and so on. Keywords:Intelligent Power Distribution、Condition Monitoring、Signal Acquisition、Data Communication 第1章 引 言1.1 課題背景及研究的現實意義隨著計算機技術、微電子技

17、術、電力電子技術、抗干擾技術等新技術的迅速發(fā)展，特別是網絡通訊技術的發(fā)展使得配電自動化技術得到了空前發(fā)展1。針對10kV 及其以上的配電系統(tǒng)自動化的研究在我國已有近十年時間，且已應用于實踐，其技術日趨成熟和完善，為我國配電自動化的發(fā)展奠定了基礎。而低壓配電系統(tǒng)的智能化還處于探索階段。在10kV以下0.4kV電壓等級的低壓配電網中，開關柜是開關設備的主要工作形態(tài)之一，它是以開關為主的成套電路。對于0.4kV低壓配電系統(tǒng)，傳統(tǒng)的電氣控制，主要通過斷路器、接觸器、熱繼電器、熔斷器、控制繼電器、主令開關、互感器、各種電工儀表(電流表、電壓表、功率表等)組合成低壓開關控制柜來實現配電、控制、監(jiān)視等功能。

18、這種傳統(tǒng)的開關柜不僅配有數十個或更多的電工儀表等盤裝元器件，給生產、儲存、維修帶來極大不便，并且以人工直接操作為主，無法實現計算機智能管理，對于較為復雜的控制邏輯實現起來比較困難。但隨著廣大企業(yè)對用電質量要求的提高，傳統(tǒng)的采用電磁式機械結構的一二次控制保護元件已無法適應現代電網發(fā)展的需要，而引進計算機技術并將其作為監(jiān)控、計量、控制、保護的核心，并與斷路器配合構成的智能化低壓開關柜將受到用戶的歡迎與應用，其計量、保護、控制、通信、記錄等功能均可通過智能技術、數字顯示技術等可靠的運用起來2。這里所提到的智能型開關柜，也就是采用了智能型元器件的開關柜，其主要特點是在傳統(tǒng)開關柜和元器件基礎上充分應用了

19、微電子技術、電力電子技術、計算機控制技術以及網絡通訊等新技術，具有較高的性能和可靠性。此外，智能化低壓開關設備應具有傳統(tǒng)電器難以實現的特點:低壓斷路器等一次元件在線監(jiān)控。微處理機控制測量技術，數字化監(jiān)控控制技術，功能一體化、控制、保護智能化、網絡化。若干智能型開關柜通訊網絡組成的智能低壓配電監(jiān)控系統(tǒng)，對電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率等電參量進行監(jiān)控以及對斷路器的分/合狀態(tài)、故障信息進行監(jiān)視，對斷路器的分/合狀態(tài)進行控制，并且提供完善的遠程監(jiān)控軟件，從而實現卓越的“三遙”功能3。智能開關柜應用到變電所組網集中控制與傳統(tǒng)開關柜組網集中控制的結構的主要區(qū)別在于數據處理與信息取樣、控制

20、的通訊方式上。傳統(tǒng)開關柜組網集中控制是將系統(tǒng)電壓、各柜電流、開關狀態(tài)量以控制電纜傳送到集中控制室，由電磁保護繼電器屏實現一次設備保護控制功能。智能開關柜采用智能控制單元直接進行電流、電壓及開關狀態(tài)信息的采集，智能控制單元成都理工大學碩士學位論文2能夠獨立進行數據處理，實現保護、控制、測量、顯示等功能，并可將采集的信息進行處理后通過標準計算機接口上傳，實現微機保護、三遙、數據采集與監(jiān)控、電能計費、事故報警、事故追憶、數據報表打印等功能。這主要是后臺軟件開發(fā)的應用。目前，在我國低壓配電系統(tǒng)中大多實行“盲目”的無人值守方式，即設備投入運行后現場沒有人員值守，采用定期巡檢或故障用戶主動反映的方式對運行

21、中的設備進行集中監(jiān)視和維護。這不僅造成工作效率低下，而且給生產生活也造成了極大的安全隱患4。但隨著配電網綜合自動化技術的日益成熟以及城市軌道交通對供電質量的要求日趨嚴格，目前越來越多的技術人員開始將智能低壓微機監(jiān)控裝置引入到低壓配電監(jiān)控中，以希望實現對遠方集中運行的設備進行實時監(jiān)控。也正由于這樣的高要求用電質量的背景下，筆者經過以上分析提出了基于現有智能開關柜而設計出的低壓配電監(jiān)控系統(tǒng)的思路，此設計思路具備當前智能配電系統(tǒng)的典型結構，減輕巡檢人員的勞動強度，提高低壓供電系統(tǒng)的安全性。1.2 智能低壓開關柜的國內外研究現狀61.2.1 國外發(fā)展歷程國外低壓成套設備的發(fā)展可分為三個時期。在70年代

22、末、80年代初，隨著電子技術的發(fā)展，低壓成套設備步人控制電子化、保護綜合化時代，出現了電子式各種運行電量控制器、電動機綜合保護器、無功功率補償控制器等產品，其結構多為小裝置型和繼電器型。例如:電動機綜合保護器的功能有過電流、斷相、過載等保護，其起動時間可調整，過載時間可整定，功功率補償控制器則可根據無功電流、功率因數等不同參量，自動進行補償電容的均衡控制。80 年代中期，此類裝置已初步進人智能型時代。在低壓配電領域，采用了PLC技術，應用I/O點方式，通過可編程控制器實現配電裝置的控制與操作;后期出現了微機集中檢測與控制，可對饋電主保護斷路器進行遠距離操作，對各回路電壓、電流、有功電量和無功電

23、量、功率因數、頻率、變壓器溫度等進行檢測，但仍停留在遙測、遙控水平上，缺少遙訊和遙調功能，更缺少智能型的思維、分析、判斷與選擇。從80年代末和90年代初開始，隨著計算機技術、微電子技術、電力電子技術、抗干擾技術等新技術的飛速進步，特別是網絡通訊技術的進步，自動化技術得到了空前發(fā)展。在這個時期，各類全數字交、直流控制產品和PLC(可編程邏輯控制器)擴展迅速，每3-4年就換代一次，功能越來越強大，可靠性也越來越高口微處理器從8位機發(fā)展到16位機和32位機與多機運行，主要控制線路和控制結構由硬件組成發(fā)展到由可自由組合的軟件塊組成。如西門子公司的直流全數第1章 引 言3字產品，由6RA22系列發(fā)展到6

24、RA23,6RA24系列又發(fā)展到SIMADYN-n系列時間還不足十年。在聯(lián)網方面，功能也越來越強，由兩機之間的通訊到單機與多機通訊，發(fā)展成網絡通訊，在通訊協(xié)議方面由各公司的內部協(xié)議發(fā)展到開放的、標準的協(xié)議。西門子公司的產品由原先的USS協(xié)議發(fā)展到現在開放的PROFIBUS協(xié)議和工業(yè)以太網協(xié)議。隨著全數字控制和自動化技術的發(fā)展，各大公司也把這些技術應用于配電系統(tǒng)，也就是把強電控制與微電子技術、計算機技術、網絡通訊技術相結合，形成了第三代產品，出現了智能型斷路器、智能型開關柜及其它智能元器件，如ABB公司的SACEF2系列斷路器、西門子公司的3WN系列斷路器和SIVACON系列開關柜、GEC-AL

25、STHOM公司的GEMSTART3系列、西屋公司的Advantage系列及ABB公司的MSG系列智能馬達控制器。這些智能元器件都是以微處理器為核心，具有測量、變換、保護、控制等功能，實際就是一個現場控制計算機。同時都具有通訊接口，可連接通訊網絡，與上位計算機通訊5。在發(fā)展智能型元器件及開關柜的同時，功能越來越強大的監(jiān)控系統(tǒng)也得到了大力發(fā)展，如西屋公司的IMPACC系統(tǒng)、ABB公司的INSUM系統(tǒng)以及西門子公司的SIMOCODM系統(tǒng)、MOELLER公司的配電系統(tǒng)2000等。通過這些系統(tǒng)與低壓配電裝置等現場設備的配合，使成套供、配、用電系統(tǒng)能夠在本機、上位機、環(huán)境、負載等對象中交換各種信息，通過網

26、絡實現狀態(tài)觀測、信息回饋、綜合判斷、發(fā)出指令及操作等，提高了整個配電系統(tǒng)的可靠性6。1.2.2 國內研究現狀國內低壓成套自1985-1987年自耦減壓起動柜JJ1全國聯(lián)合設計時起，首先采用半導體集成電路式時間電流轉換器代替原來的充氣式時間繼電器和電流繼電器。1989-1990年，國內又出現了電子式電機多功能綜合保護器。1991-1992年，又出現了半導體式熱繼電器。在成套方面，智能型配電系統(tǒng)也已起步，廈門電控廠已有能進行數據采集的馬達控制中心問世;天津夏利汽車工程的所有低壓配電柜、動力柜全部實現了上位計算機控制，做到了運行、故障集中監(jiān)視，集中判斷、處理，大大提高了設備運行安全性、可靠性。但從技

27、術上看，目前我國雖已完全掌握了微處理器在電控產品上的應用技術，也已有一些帶接口的全數字產品問世，但反映國際目前水平的智能型低壓配電裝置和智能控制器，目前還沒有見到，有待進一步努力。目前國內對低壓開關柜的智能控制基本有兩種形式: a）傳統(tǒng)的非智能型開關柜。在工廠的生產線上(如軋機等)所需的開關柜(主要是馬達控制，為風機、水泵、油泵等)供電量比較大。由于生產線是采用自動控制的，通常把開關柜也納人生產線自動化控制系統(tǒng)。處理方法是采用PLC 的I/O點(或在開關柜附近設若干PLC的遠程終端站)把各個馬達控制回路、配電回成都理工大學碩士學位論文4路的狀態(tài)和電量參數直接采集到PLC控制機上來處理，PLC的

28、控制信號也是由I/O點來實現7。b）智能型開關柜。是在傳統(tǒng)的非智能型開關柜中加裝狀態(tài)、電量數據采集模塊而成的。采集模塊單元通過通訊網絡把數據送往上位計算機處理，并接受上位計算機的控制命令。這基本上是將a)形式的集中采集監(jiān)控系統(tǒng)的集散處理變成為集散控制系統(tǒng)，提高了開關柜和配電系統(tǒng)的性能和可靠性。近幾年來，國內智能型開關柜發(fā)展比較快，特別是b)類形式的開關柜越來越完善，有些廠家也在研制智能型監(jiān)控器。隨著三峽等國民經濟重點工程的上馬和電站的發(fā)展，隨著智能大廈、智能超市的興起，隨著工業(yè)化水平和工業(yè)自動化水平的提高，智能型低壓配電系統(tǒng)和智能型低壓開關柜的需求量日益增加。下個世紀將是智能化的時代，其需求量

29、必將大增。但目前智能型產品主要是國外各大電氣公司的產品，價值普遍較高(平均每臺達十幾萬元)，而國內目前的智能型產品還沒有達到國際當代水平。要想在大的需求量下有較大的實際應用量，就需要研制具有國際當代水平的智能型開關柜產品。現在國內許多廠家正在做這方面的努力，預計在兩、三年內就會有新一代的智能型開關柜問世8。1.3 配電監(jiān)控終端設計目標及要求1.3.1 設計目標根據配電監(jiān)測終端在配電自動化系統(tǒng)運行中所擔負的任務，以及現場環(huán)境、使用操作的具體要求，本文配變監(jiān)測終端的主要設計目標是：實時采集配電系統(tǒng)運行的模擬量和狀態(tài)量，要求高精度、高準確性；接收中心站查詢命令，將最新測量結果上報主站；能自動檢測與識

30、別配變故障，若有異常，立即向中心站發(fā)送告警消息和測量數據，同時，根據中心站命令控制外部開關設備；監(jiān)測設備自身具有故障自檢及自恢復功能；保證終端工作可靠性，滿足電磁兼容性要求。1.3.2 設計要求分析了國內外產品的特點以及國內市場需求，吸取和綜合它們的優(yōu)點，克服其不足的一面，課題研究開發(fā)了一種適用于工業(yè)低壓配電網的智能開關柜監(jiān)控系統(tǒng)，完成的主要工作是: 智能配電柜監(jiān)控終端的硬件設計該監(jiān)控單元的微處理器采用INTEL公司的87C196KC芯片，具有強大的數據和信息處理能力，能對大量的數字信號進行快速的運算。主要的設計工作包括監(jiān)控單元原理圖的設計，硬件線路板(PCB)的繪制。監(jiān)控單元硬件設計采用了標

31、第1章 引 言5準化模塊設計方法，整個硬件結構由主要以下幾個模塊組成:MCU模塊、模擬信號變換模塊，開關量輸入/輸出模塊，按鍵和液晶顯示模塊，I/O擴展模塊，實時時鐘模塊、通信模塊等。這些模塊在功能上和電路結構上都相互獨立，以便針對不同的具體要求，進行靈活的配置。通信模塊設計就87C196KC微處理器本身的性能，提出了當前工業(yè)現場普遍采用的開放式PROFIBUS-DP現場總線的通信模塊設計方案，通過通訊芯片SPC3與微處理器87C196KC的建立的從站節(jié)點，實現了監(jiān)控單元與PC機的雙向通信功能，通過總線系統(tǒng)達到三遙功能。監(jiān)控單元的軟件設計軟件部分設計的主要任務是用匯編語言和C語言編寫程序以實現

32、預期的功能，主要包括軟件結構設計和軟件程序設計。本設計的軟件程序部分采用模塊化的設計方法，根據監(jiān)控單元預期要實現的功能，所設計的系統(tǒng)軟件主要由初始化程序，數據采集程序，通信程序，各種情況記錄程序和主程序等部分組成。另外，還優(yōu)化了保護算法，以提高故障的判斷速度，同時也要兼顧供電系統(tǒng)對控制器可靠性的要求。1.3.3性能參數終端工作電源電源電壓：220V(150V420V)AC；電源標稱頻率：50Hz±20%(4060Hz)；電源波形：正弦波，諧波含量小于30%；后備電池電壓：9V。終端計量條件標稱電壓：3×380V(三相四線制); 測量范圍：0.5V1.9V；標稱電流：5A；標

33、稱頻率：50Hz。測量精度電壓：0.2級；電流：0.2級；有功功率：0.2級；有功電能：0.2級；無功功率：0.5級；無功電能:0.5級；頻率：±0.01Hz；溫度：3%；時鐘走時誤差：<0.1S/Hour。消耗功率整機靜態(tài)功耗小于5VA。工作條件環(huán)境溫度：4075；環(huán)境濕度：5%100%； 成都理工大學碩士學位論文6大氣壓力：66kPa108kPa。輸入回路參數電壓輸入：100V300 電流輸入：50MA5A外接普通電流互感器)，回路功耗小于0.1VA；工頻：50Hz(±10%)；開關狀態(tài)輸入：2路有源接點，1路無源接點，電壓范圍512V DC。輸出回路缺相保護接點

34、：無源常開/常閉接點各一組(5A 220V AC或5A 30V DC)；告警輸出：l路常開。1.4 設計過程中須考慮的若干關鍵問題低壓智能化開關柜目前處于發(fā)展階段，尚無統(tǒng)一的模式可以遵循。目前，許多廠家或研究部門都在研究開發(fā)，但至今單一性能的居多，而綜合多功能的偏少。因此，發(fā)展智能化開關柜的工作尚需不斷地完善和積累經驗。總體來說，研制中必需考慮的以下關鍵問題。傳感技術傳感技術是智能化部分的關鍵部件，可供使用的有電量傳感器、氣體傳感器、溫度傳感器、漏電傳感器等。在選用傳感器時，應注意其精度、可靠性、及安全性。特別是開關觸頭磨損、電量測量用傳感器更應注意其線性。信息處理及微機技術對于智能化開關柜來

35、說，獲得監(jiān)控量的信息，數據采集只是第一步，還需進行進一步的處理、判斷及決策。a)前置處理單元：由數據采集系統(tǒng)的模擬量轉換為數字量，然后進行算術和邏輯運算，并與給定的報警、跳閘、操作等條件進行比較，當滿足動作條件時執(zhí)行動作任務。b)后置管理單元：后置管理單元要完成對數據的打印管理、事故記錄等。微機處理裝置必需預留通信接口，使軟件系統(tǒng)與己在線運行的其他軟件環(huán)境能方便地連接。抗干擾技術智能化裝置在低壓開關柜內使用，其連接線均在高電磁環(huán)境條件下運行，因此必須加強屏蔽和隔離，以保證整個裝置系統(tǒng)具有優(yōu)良的抗共/串模干擾的能力。章節(jié)安排：第1章 論述了低壓配電開關柜智能監(jiān)控單元設計必要性，概述了國內外配電開

36、關柜智能監(jiān)測技術的研究和發(fā)展，提出了本文研究的目的和意義。 第1章 引 言7第2章 詳細介紹了低壓智能配電監(jiān)控系統(tǒng)設計框架，并對PROFIBUS-DP現場總線進行了簡要的概述，同時對分布式從站通信單元也進行了理論上的分析與設計。第3章 詳細介紹了低壓智能配電監(jiān)控系統(tǒng)設計框架，并對分布式從站通信單元進行了理論上的分析。第4章 詳細介紹了低壓智能配電監(jiān)控終端硬件電路的設計，詳細終端硬件器件的選擇和硬件模塊的設計。第5章 詳細分析了系統(tǒng)軟件主要包括監(jiān)控終端測量單元軟件設計和監(jiān)控終端通訊單元軟件設計。最后對全文進行了總結和展望。 成都理工大學碩士學位論文8第2章 系統(tǒng)總體設計2.1 智能低壓開關柜監(jiān)控

37、系統(tǒng)的主要特點2.1.1 監(jiān)控系統(tǒng)的結構組成通訊網絡把眾多的帶有通訊接口的低壓配電和控制設備與主計算機連接起來，由計算機進行智能化管理，來實現低壓配電系統(tǒng)的集中數據處理、集中監(jiān)控、集中分析并集中調度。目前，此類產品國外較先進的有英國GEC-AL-STHOM公司的ICIS系統(tǒng)、美國西屋公司的IM-PACC系統(tǒng)以及德國ABB公司的INSUM系統(tǒng)等。智能型低壓配電系統(tǒng)比較常見的為三級結構，主要由三部分組成: 1.主計算機主計算機用來實現對配電和控制設備以及智能型元器件的監(jiān)控、保護和控制通訊，可以是PC機、已存在的工控機系統(tǒng)、PLC或離散控制系統(tǒng)。2.通訊網絡主要含主機接口、網絡從站監(jiān)控器及網卡。主計

38、算機通過主機接口對整個通訊網絡實施控制。網絡從站監(jiān)控器是二級網的控制器。在較大的配電系統(tǒng)中，采用網絡從站監(jiān)控器，可以大大提高主計算機對整個配電系統(tǒng)的訪問速度，提高實際監(jiān)控的能力。3.智能型低壓配電和控制設備也就是采用了帶有通訊接口的智能型控制器或低壓電器元件的低壓配電和控制設備9。2.1.2 低壓智能化開關配電柜監(jiān)控終端功能根據項目的需要和工作環(huán)境，該裝置應具有如下功能：在線測量母線電壓、電流、有功功率、無功功率、電網頻率、功率因數、電能；在線測量檢測斷路器工作狀態(tài)；控制低壓開關柜，使真空斷路器既能進行合閘及分閘操作。越限報警和故障診斷電壓越限報警、電流越限報警、漏電監(jiān)控報警、斷路器跳閘報警等

39、，并進行常見的一些故障診斷。故障記憶功能過載、短路，漏電、斷相、欠電壓等故障發(fā)生時。本裝置監(jiān)控主機可記憶故第2章 系統(tǒng)總體設計9障時刻和類型。數據通信功能。將在線測量的各項數據及報警、故障信息實時上傳至工控DCS系統(tǒng)，可使中央操作人員可隨時直觀方便的了解工業(yè)現場配電系統(tǒng)的運行情況10。2.1.3 監(jiān)控終端系統(tǒng)通信網絡智能型低壓配電監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵部分是通訊網絡。它就像是整個監(jiān)控系統(tǒng)的神經網一樣，把各現場的配電和控制設備與主計算機連接起來。從目前國內外智能化配電系統(tǒng)所應用的現場總線來看，主要有PROFIBUS-DP，MODBUS，LONWORKS等，而FF，NART，CAN等現場總線在智能化配電系

40、統(tǒng)中應用則較少11。以上系統(tǒng)基本上都是采用單一的現場總線技術，即整個智能化配電系統(tǒng)中只采用一種現場總線?，F場總線是近年來自動化領域中發(fā)展很快的互連通信網絡，具有協(xié)議簡單開放容錯能力強、實時性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點。目前，國際上各種各樣的現場總線有幾百種之多，統(tǒng)一的國際標準尚未建立。較著名的有基金會現場總線(FF)HART現場總線、CAN現場總線、LONWORKS現場總線、PROFIBUS現場總線、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、AS-INTERFACE總線等?，F場總線控制系統(tǒng)的特點。開放性和可互操作性開放性意味FCS將打破DCS大型廠家的壟斷，給中小企業(yè)發(fā)

41、展帶來了平等競爭的機遇。可互操作性實現控制產品的“即插即用”功能，從而使用戶對不同廠家工控產品有更多的選擇余地。徹底的分散性徹底的分散性意味著系統(tǒng)具有較高的可靠性和靈活性，系統(tǒng)很容易進行重組和擴建，且易于維護。低成本衡量一套控制系統(tǒng)的總體成本，不僅考慮其造價，而且應該考察系統(tǒng)從安裝調試到運行維護整個生命周期內總投入。相對DCS而言，FCS開放的體系結構和OEM技術將大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，徹底分散的分布式結構將1對1模擬信號傳輸方式變?yōu)?對N的數字信號傳輸方式，節(jié)省了模擬信號傳輸過程中大量的A/D，D/A轉換裝置、布線安裝成本和維護費用。因此從總體上來看，FCS的成本大大低于DCS的成

42、本?？梢哉f，開放性、分散化和低成本是現場總線最顯著的三大特征，它的出現將使傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)產生劃時代的變革，這場變革的深度和廣度將超過歷史上任何一次變革，必將開創(chuàng)自動控制的新成都理工大學碩士學位論文10紀元12。2.2 系統(tǒng)設計思路如圖2-1所示，此系統(tǒng)主要由以下三部分組成：第一部分：監(jiān)控主機（工控上位機）監(jiān)控主機的任務是對整個工業(yè)現場的信息進行存儲和處理，并通過先進友好的人機界面實現所有變電所的監(jiān)控及管理。監(jiān)控主機與智能通訊接口之間采用高可靠性的PROFIBUS-DP現場總線通訊方式。第二部分：面向現場設備的間隔層測控、保護“一體化”智能裝置(又稱智能測控保護單元) 將保護和測量、控制、信

43、號、通訊等功能集成為一個封閉的測控保護單元，直接安裝在智能低壓開關柜內原安裝繼電保護間隔內，實現徹底的分布式配置。第三部分：監(jiān)控智能通訊接口智能通訊接口通過網絡信息通道收集各前置智能測控單元的上傳信息，并下達控制、調整命令。它負責把所有與它相連的測控單元的工作狀態(tài)上傳到監(jiān)控主機，監(jiān)控智能接口放置于工業(yè)現場內13。監(jiān)控智能通訊接口裝置與智能測控單元之間采用RS-485的通訊方式。圖2-1 智能配電監(jiān)控系統(tǒng)框圖由于智能從站節(jié)點是PROFIBUS-DP網絡的一部分，因此，總線系統(tǒng)軟件分為主站軟件、智能從站軟件和監(jiān)控軟件三個部分。PROFIBUS-DP網絡是引進SIEMENS公司的成套設備，一類主站S

44、7-300和S7-400使用SIEMENS公司提供的創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標準軟件STEP7軟件，使用梯形邏輯圖進行軟件第2章 系統(tǒng)總體設計11編制。監(jiān)控軟件使用SIEMENS公司的支持分布式系統(tǒng)結構的監(jiān)控軟件SIMATIC WinCC。智能從站節(jié)點的中央處理器是INTEL系統(tǒng)的單片機87C196KC，采用單片機C+高級語言。當智能從站節(jié)點設計完成后，將節(jié)點所具有的各項參數形成標準的電子設備數據庫文件(GSD)，當GSD文件加入組態(tài)軟件STEP 7中，組態(tài)軟件就能夠很方便的將智能從站節(jié)點配置到PROFIBUS-DP網絡中。對于智能從站節(jié)點，由于SPC3集成了完整的PROFIBUS-DP協(xié)議，

45、因此，87C196KC不用參與處理PROFIBUS-DP狀態(tài)機，87C196KC的主要任務就是根據SPC3產生的中斷，對SPC3接收到的主站發(fā)出的輸出數據轉存，組織要通過SPC3發(fā)給主站的數據，并根據要求組織外部診斷等。因此，單片機87C196KC 的軟件包括主程序和中斷程序，主程序主要處理SPC3的初始化、啟動SPC3、模數轉換和數碼顯示等，中斷程序主要用來處理PRM報文、CFG報文、SSA報文。CFG報文 主要是用來接收主站的配置，比如從站輸入輸出的字節(jié)數，要與主站配置一致，否則無法正常通信。PRM報文 主要是自己定義的參數報文SSA報文 主要是站地址配置報文，報文里的地址和從站本身一致才

46、可通信。2.3 上位機硬件選取上位機選用研華(Advantech)的工控機，主板采用擴展性和穩(wěn)定性較好地IPC-6718V，配以研華提供帶有PROFIBUS-DP接口的PCI接口卡CP5613，CP5613卡性能穩(wěn)定，與工控機的兼容性好，并提供了VB和VC的接口函數，可節(jié)約開發(fā)時間，大大縮短開發(fā)周期。2.4 PROFIBUS-DP分布式從站通信單元2.4.1 監(jiān)控系統(tǒng)的結構組成1、PROFIBUS-DP現場總線的簡述DP為Decentralized Periphery的縮寫，即分散化外圍設備。如前所述，PROFIBUS-DP作為PROFIBUS的三個兼容部分之一，主要應用于現場設備級，它的響應

47、時間從幾us到幾百ms，數據傳輸速率為9.6Kbps12Mbps，傳輸的數據容量為每個報文多達244 個字節(jié)，傳輸介質為雙屏蔽雙絞線或光纖。PROFIBUS-DP可以廣泛地應用于電氣傳動領域，低壓電控配電成套設備，數控加工設備，樓宇自動化等。 成都理工大學碩士學位論文12PROFIBUS-DP協(xié)議是專為自動化工廠中的分布式I/O設備和現場設備所要求的高速數據通信而設計的。典型的DP配置為單主站結構，DP主站和DP從站之間的通信是遵從主從原則的。也就是說當主站需要時，DP從站僅僅可以改變的主動一些，DP主站和從站之間的用戶數據進行連續(xù)不斷的交互而不需管用戶的數據怎樣。2、PROFIBUS-DP現

48、場的基本功能 傳輸技術：RS485雙絞線雙線電纜或光纜，波特率從9.6kbpsl2Mbps。 總線存?。焊髦髡鹃g令牌傳送，主站與從站間為主從傳送。支持單主或多主系統(tǒng)，總線上最多站點(主從設備)數為126。 通信：點對點(用戶數據傳送)或廣播(控制指令)。循環(huán)主從用戶數據傳送和非循環(huán)主主數據傳送。 運行模式：運行、清除、停止。在運行模式，主站和從站完成輸入和輸出數據的循環(huán)傳送；在清除模式，主站讀取DP從站的輸入信息并使輸出信息保持為故障或安全狀態(tài)；在停止模式，只能進行主主數據傳送，主站和從站之間沒有數據傳送。功能：DP主站和DP從站間的循環(huán)用戶數據傳送，各DP從站的動態(tài)激活和撤消，DP從站組態(tài)的

49、檢查。強大的診斷功能，二級診斷信息。輸入或輸出的同步，通過總線給DP從站賦予地址每DP從站最大為246字節(jié)的輸入和輸出數據。3、PROFIBUS-DP現場總線系統(tǒng)的組成和配置系統(tǒng)組成每個PROFIBUS-DP系統(tǒng)可包括以下三種不同類型的設備。一級DP主站(DPM1)：一級DP主站是中央控制器，它在預定的信息周期內與分散的站(如DP從站交換信息。典型的DPM1如PLC或PC。二級DP主站(DPM2)：二級DP主站是編程器、組態(tài)設備或操作面板，在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。DP從站：DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設備（I/O設備、驅動器、HMI等）。 單主站系統(tǒng)：

50、在總線系統(tǒng)的運行階段，只有一個活動主站。系統(tǒng)配置PROFIBUS-DP允許構成單主站或多主站系統(tǒng)，這就為系統(tǒng)配置組態(tài)提供了高度的靈活性。系統(tǒng)配置的描述包括：站點數、站地址和輸入輸出的格式，診斷信息的格式以及所使用的總體參數。輸入輸出信息量大小取決于設備的形式，目前允許的輸入和輸出信息，最多不超過246字節(jié)。單主站系統(tǒng)中，在總線系統(tǒng)操作階段，只有一個活動主站。單主站系統(tǒng)可獲第2章 系統(tǒng)總體設計13得最短的總體循環(huán)時間。多主站配置中，總線上的主站與各自的從站構成相互獨立的子系統(tǒng)或是作為網上的附加配置和診斷設備。任何一個主站均可讀取DP從站的輸入輸出映象，但只有一個主站(在系統(tǒng)配置時指定的DPM1)

51、可對DP從站寫入輸出數據，多主站系統(tǒng)的循環(huán)時間要比單主站系統(tǒng)長14。4、PROFIBUS-DP從站的狀態(tài)機制要開發(fā)PROFIBUS-DP智能化從站設備，首先必須了解從站的狀態(tài)機制。從站的狀態(tài)機制描述了PROFIBUS-DP從站在各種情況下的行為，以保證它的一致性。PROFIBUS-DP協(xié)議芯片(在后面章節(jié)給出有關協(xié)議芯片的介紹)內部已經集成了該狀態(tài)機制，一般情況下用戶對狀態(tài)機的控制是很有限的，為了更好地理解基于PROFIBUS-DP 專用協(xié)議芯片的PROFIBUS-DP 網絡如何工作，對PROFIBUS-DP從站狀態(tài)機制給以簡單介紹。一個DP的從站有四種狀態(tài)：No Power、WAIT_PRM

52、、WAIT_CFG、DATA_EXCH，如圖2-2為DP從站狀態(tài)機制的簡單圖。各個橢圓表示不同的狀態(tài)，一個狀態(tài)轉換為另一個狀態(tài)稱為事件。帶箭頭的連線表示狀態(tài)機制間的轉換，連線上的文字表示狀態(tài)轉換所需滿足的條件。圖2-2 PROFIBUS-DP狀態(tài)機制模型當從站POWER_ON(通電)狀態(tài)，如果從站支持Set_Slave_Add報文，則處理此報文，如果不支持，則跳過。此時，從站等待主站的請求診斷電文(Slave_Diag)，然后把自己的狀態(tài)告知主站，此時從站進入Wait_Prm(等待參數化)狀態(tài)，主站知道從站正在等待參數化(Parameterization)報文，于是就會發(fā)出參數化報文。從站收到

53、后取出報文中的參數對自身進行配置，并立即進入Wait_Cfg(等待組態(tài))狀態(tài)，主站繼續(xù)送Configuration的報文到從站，Configuration報文里所帶的數據主成都理工大學碩士學位論文14要是從站I/O長度的數據，它表明從站可與主站進行的PKW和PZD的I/O數據長度各是多少。從站會將此數據與自身比對，如果符合自身所支持的某一個格式，則配置通訊格式。最后主站會使用(Slave_Diag)報文來再次獲取從站的狀態(tài)，如果從站配置成功，則進入Data_Exchang(數據交換)狀態(tài)，此時主站知道從站已經在等待進行I/O數據交換，立即會發(fā)送I/O數據報文與從站進行數據交換。這樣的數據交換被

54、稱為Cyclic數據交換，會一直持續(xù)下去。2.4.2 從站通訊接口設計1、從站接口的實現原理PROFIBUS-DP從站接口的雙向數據協(xié)議轉換原理如圖2-3所示，不論是實現I/O到PROFIBSU-DP通信轉換，還是實現帶UART異步串行通信接口的設備到PROFIBUS-DP通信轉換，都是通過在RAM中建立的PROFIBUS和I/O(UART)這兩個通信數據緩沖進行的，MCU通過控制這兩個通信數據緩沖的數據交換，實現PROFIBUS到I/O(UART)的雙向數據通信15。圖2-3 PROFIBUS-DP從站接口協(xié)議轉換原理1、從站接口的實現原理由于PROFIBUS-DP現場總線是開放的，與制造廠

55、商無關，無知識產權保護的標準。因此，任何人都可以獲得這個標準并設計各自的軟、硬件解決方案。原則上，PROFIBUS-DP協(xié)議可以在任何帶有異步串行通信接口(UART)的微控制器(MCU)上實現。所以基于上述特點，在開發(fā)PROFIBUS-DP從站接口時有兩種方案可以選擇：一種方法是MCU微控制器+軟件的解決方案，完全利用軟件編程來實現PROFIBUS-DP協(xié)議；另一種方法是MCU微控制器+PROFIBUS通信專用協(xié)議芯片ASIC的解決方案，利用已固化協(xié)議的芯片來實現協(xié)議功能。下面對兩種方案分別進行分析比較。第2章 系統(tǒng)總體設計15MCU微控制器+軟件的解決方案軟件實現是直接使用MCU微控制器，完

56、全利用軟件實現PROFIBUS-DP協(xié)議。如圖2-4所示。圖2-4 PROFIBUS-DP從站軟件實現框圖軟件實現包括在MCU中編程實現PROFIBUS-DP 的全部功能，諸如PROFIBUS-DP通信協(xié)議、數據鏈路層FDL服務存取點由程序編寫等，有相當開發(fā)難度。該實現方式不僅程序編寫工作量較大，開發(fā)周期長，對開發(fā)人員的要求較高，需要開發(fā)人員透徹了解PROFIBUS-DP技術細節(jié)。雖然軟件實現方式雖只需外加總線接驅動芯片、晶振等，硬件相對較簡單，但由于傳輸速率受MCU芯片工作頻率的限制，即使采用40MHZ 晶振，軟件實現傳輸速率仍突破不了500Kbit/s，因此只有少數國外公司使用該方法開發(fā)從站接口