智能配电柜监控单元(配电柜监测系统)

摘　要：文章主要介绍以TCP/IP网络通信协议为通道，51单片机为控制核心的监控装置在低压开关柜中的应用。

关键词：

前言
　　在电力系统信息化高速发展的今天，智能电网受到了重视，在中国大陆建立一套完善的智能电网系统迫在眉睫。传统的电工24小时值班制度，大量的电磁式仪表的使用，使得值班人员操作繁琐容易出错。文章讲述的基于TCP/IP的配电柜监控装置就是在这样的条件下诞生的。有了该装置电力系统就可以对供电情况集中调控和监测管理；实现配电房无人值班，节约资源。TCP/IP网络通信搭建相当简单，只需在原有的网络上架设设备交换机和相关的网络线路即可，这大大减少了电力控制线路布线的成本。本文主要从两个方面讲述该装置：以51单片机构成的监测和控制系统和TCP/IP网络通信模块。
　　装置的原理实现框图如下图1所示。51单片机构成的微机系统担任进线或馈线的电流、电压、相位、频率等参数的测量及运算和上位机的命令实施；对测量异常数据进行记录和报警输出，对上位机的要求执行。所有的正常数据及异常数据和报警均通过51单片机的通信口（串口）输出，所有上位机要施行的命令均通过51单片机的通信口（串口）接收。51单片机的通信口（串口）经串口转TCP/IP网络模块对外进行数据交流。所有的监测和控制得到与PC机组态系统实时沟通。TCP/IP网络接口组合灵活，方便搭建智能监控平台。

1、监测和控制系统
　　（1）监测模块。电力系统中，配电柜的电能参数和开关量的监测是电力系统可靠运行的信息源泉，因此数据准确性相当重要。在单片机系统中，为了防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到测控系统，常常采用通道隔离技术。在输出通道的隔离中，最常用的隔离元件是光耦合器。在本检测系统中，设置了光电隔离器件实现"隔离保安"。在硬件方面，采用常用光电隔离器P521, 采用常用A/D转换芯片TLC549。
　　（2）控制模块。该部分主要承担控制断路器和其他电气元件的合、分动作的控制。采用继电器干结点输出接口，单片机可以通过设置决定若干路继电器输出的先后级别；同时可以设定继电器输出的常态（常开/常闭）及节点闭合、分断的时间。单片机通过ULN2003驱动继电器输出。
　　监测和控制系统与TCP/IP网络通信模块之间采用串行通信格式。数据格式采用RTU协议。RTU模式中，每次传送信息前都有3.5个字符的静止时间；当对方接收到3.5个字符的静止信号时就开始清理内存准备接收数据（依据使用的波特率，很容易计算这个3.5个字符的静止的时间实际值）。接着，传送的第一个区的数据为设备地址。各个区允许发送的字符均为16进制的0-9,A-F。
　　网络上的设备连续监测网络上的信息，包括静止时间。当接收第一个地址数据时，每台设备立即对它解码，以决定是否是自己的地址。发送完最后一个字符号后，也有一个3.5个字符的静止时间，然后才能发送一个新的信息。
　　整个信息必须连续发送。如果在发送帧信息期间，出现大于1.5个字符的静止时间时，则接收设备刷新不完整的信息，并假设下一个地址数据。
　　同样一个信息后，立即发送的一个新信息，（若无3.5个字符的静止时间）这将会产生一个错误。是因为合并信息的CRC校验码无效而产生的错误。
　　当数据帧到达终端设备时，它通过一个简单的"端口"进入被主机寻址到的设备，该设备去掉数据帧的"信封"（数据头），读取数据，如果没有错误，就执行数据所请求的任务，然后，它将自己生成的数据加入到取得的"信封"中，把数据帧返回给发送者。返回的响应数据中包含了以下内容：终端从机地址(Address)、被执行了的命令(Function)、执行命令生成的被请求数据(Data)和一个校验码(Check)。发生任何错误都不会有成功的响应。
　　数据帧格式如下表1所示。
　　表1数据帧格式

Address<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

Function

Data

Check

8-Bits

8-Bits

N x 8-Bits

16-Bits

　　地址域（Address）在帧的开始部分，由一个字节（8位二进制码）组成，十进制为0～255。这些位标明了用户指定的终端设备的地址，该设备将接收来自与之相连的主机数据。每个终端设备的地址必须是唯一的，仅仅被寻址到的终端会响应包含了该地址的查询。当终端发送回一个响应，响应中的从机地址数据便告诉了主机哪台终端正与之进行通信。

2、TCP/IP网络通信模块
　　TCP/IP网络通信模块负责衔接单片机RTU通信的数据并解析出功能后打包成TCP/IP网络通信协议对外交换数据。其报文控制框图如下图2：
　　
　　图2 报文控制框图
　　在数据分析过程中对电器控制的各个功能做了详尽的划分。
　　功能域。功能域代码告诉了被寻址到的终端执行何种功能。以下列出了本设计用到的功能码（如下表2所示），以及它们的意义和功能。
表2 功能码表

功能码

名称

作用

01

读取线圈状态

取得一组逻辑线圈的当前状态（ON/OFF)

02

读取输入状态

取得一组开关输入的当前状态（ON/OFF)

03

读取保持寄存器

在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值

04 ～255

……

……

系统使用的功能码如下表3所示:
表3 系统功能码表

代码

意义

行为

02

读DI状态

获得数字输入的当前状态（ON/OFF）

03

读数据寄存器

获得一个或多个寄存器的当前二进制值

06

预置单个寄存器

设定二进制值到一个寄存器中

　　数据域。数据域包含了终端执行特定功能所需要的数据或者终端响应查询时采集到的数据。这些数据的内容可能是数值、参考地址或者设置值。例如：功能域码告诉终端读取一个寄存器，数据域则需要指明从哪个寄存器开始及读取多少个数据，内嵌的地址和数据依照类型和从机之间的不同内容而有所不同。
　　错误校验允许主机和终端检查传输过程中的错误。有时，由于电噪声和其它干扰，一组数据在从一个设备传输到另一个设备时在线路上可能会发生一些改变，出错校验能够保证主机或者终端不去响应那些传输过程中发生了改变的数据，这就提高了系统的安全性和效率， RTU方式出错校验使用了16位循环冗余的方法（CRC16）。

3、结束语
　　使用基于TCP/IP的配电柜监控装置后，大大减少了传统原有电力配电柜的中控小母线的布线；同时提高了数据传送的速度提高工作效率。由于TCP/IP的配电柜监控装置的出现，推动了国家电网智能化的进程，使装设该装置的配电房或供电所可以实现了集中控制无人值班。该装置适用于高低压配电柜，可在新型的高低压配电柜中装设，亦可在原有的旧款高低压配电柜中加以改装而完成。