基于TCP/IP的配電柜監控裝置

文丨關 巍

前言

在電力系統信息化高速發展的今天，智能電網受到了重視，在中國大陸建立一套完善的智能電網系統迫在眉睫。傳統的電工24小時值班制度，大量的電磁式儀表的使用，使得值班人員操作繁瑣容易出錯。文章講述的基于TCP/IP的配電柜監控裝置就是在這樣的條件下誕生的。有了該裝置電力系統就可以對供電情況集中調控和監測管理；實現配電房無人值班，節約資源。TCP/IP網絡通信搭建相當簡單，只需在原有的網絡上架設設備交換機和相關的網絡線路即可，這大大減少了電力控制線路布線的成本。本文主要從兩個方面講述該裝置：以51單片機構成的監測和控制系統和TCP/IP網絡通信模塊。

裝置的原理實現框圖如下圖1所示。51單片機構成的微機系統擔任進線或饋線的電流、電壓、相位、頻率等參數的測量及運算和上位機的命令實施；對測量異常數據進行記錄和報警輸出，對上位機的要求執行。所有的正常數據及異常數據和報警均通過51單片機的通信口（串口）輸出，所有上位機要施行的命令均通過51單片機的通信口（串口）接收。51單片機的通信口（串口）經串口轉TCP/IP網絡模塊對外進行數據交流。所有的監測和控制得到與PC機組態系統實時溝通。TCP/IP網絡接口組合靈活，方便搭建智能監控平臺。

監測和控制系統

1.監測模塊。電力系統中，配電柜的電能參數和開關量的監測是電力系統可靠運行的信息源泉，因此數據準確性相當重要。在單片機系統中，為了防止現場強電磁干擾或工頻電壓通過輸出通道反串到測控系統，常常采用通道隔離技術。在輸出通道的隔離中，最常用的隔離元件是光耦合器。在本檢測系統中，設置了光電隔離器件實現“隔離保安”。在硬件方面，采用常用光電隔離器P521, 采用常用A/D轉換芯片TLC549。

2.控制模塊。該部分主要承擔控制斷路器和其他電氣元件的合、分動作的控制。采用繼電器干結點輸出接口，單片機可以通過設置決定若干路繼電器輸出的先后級別；同時可以設定繼電器輸出的常態（常開/常閉）及節點閉合、分斷的時間。單片機通過ULN2003驅動繼電器輸出。

圖1 原理實現框圖

監測和控制系統與TCP/IP網絡通信模塊之間采用串行通信格式。數據格式采用RTU協議。RTU模式中，每次傳送信息前都有3.5個字符的靜止時間；當對方接收到3.5個字符的靜止信號時就開始清理內存準備接收數據（依據使用的波特率，很容易計算這個3.5個字符的靜止的時間實際值）。接著，傳送的第一個區的數據為設備地址。各個區允許發送的字符均為16進制的0-9,A-F。

網絡上的設備連續監測網絡上的信息，包括靜止時間。當接收第一個地址數據時，每臺設備立即對它解碼，以決定是否是自己的地址。發送完最后一個字符號后，也有一個3.5個字符的靜止時間，然后才能發送一個新的信息。

整個信息必須連續發送。如果在發送幀信息期間，出現大于1.5個字符的靜止時間時，則接收設備刷新不完整的信息，并假設下一個地址數據。

同樣一個信息后，立即發送的一個新信息，（若無3.5個字符的靜止時間）這將會產生一個錯誤。是因為合并信息的CRC校驗碼無效而產生的錯誤。

當數據幀到達終端設備時，它通過一個簡單的“端口”進入被主機尋址到的設備，該設備去掉數據幀的“信封”（數據頭），讀取數據，如果沒有錯誤，就執行數據所請求的任務，然后，它將自己生成的數據加入到取得的“信封”中，把數據幀返回給發送者。返回的響應數據中包含了以下內容：終端從機地址(Address)、被執行了的命令(Function)、執行命令生成的被請求數據(Data)和一個校驗碼(Check)。發生任何錯誤都不會有成功的響應。

圖2 報文控制框圖

數據幀格式如下表1所示。

表1 數據幀格式

地址域（Address）在幀的開始部分，由一個字節（8位二進制碼）組成，十進制為0～255。這些位標明了用戶指定的終端設備的地址，該設備將接收來自與之相連的主機數據。每個終端設備的地址必須是唯一的，僅僅被尋址到的終端會響應包含了該地址的查詢。當終端發送回一個響應，響應中的從機地址數據便告訴了主機哪臺終端正與之進行通信。

TCP/IP網絡通信模塊

TCP/IP網絡通信模塊負責銜接單片機RTU通信的數據并解析出功能后打包成TCP/IP網絡通信協議對外交換數據。其報文控制框圖如圖2：

表2 功能碼表

表3 系統功能碼表

在數據分析過程中對電器控制的各個功能做了詳盡的劃分。

功能域。功能域代碼告訴了被尋址到的終端執行何種功能。以下列出了本設計用到的功能碼（如下表2所示），以及它們的意義和功能。

系統使用的功能碼如下表3所示:

數據域。數據域包含了終端執行特定功能所需要的數據或者終端響應查詢時采集到的數據。這些數據的內容可能是數值、參考地址或者設置值。例如：功能域碼告訴終端讀取一個寄存器，數據域則需要指明從哪個寄存器開始及讀取多少個數據，內嵌的地址和數據依照類型和從機之間的不同內容而有所不同。

錯誤校驗允許主機和終端檢查傳輸過程中的錯誤。有時，由于電噪聲和其它干擾，一組數據在從一個設備傳輸到另一個設備時在線路上可能會發生一些改變，出錯校驗能夠保證主機或者終端不去響應那些傳輸過程中發生了改變的數據，這就提高了系統的安全性和效率， RTU方式出錯校驗使用了16位循環冗余的方法（CRC16）。

結束語

使用基于TCP/IP的配電柜監控裝置后，大大減少了傳統原有電力配電柜的中控小母線的布線；同時提高了數據傳送的速度提高工作效率。由于TCP/IP的配電柜監控裝置的出現，推動了國家電網智能化的進程，使裝設該裝置的配電房或供電所可以實現了集中控制無人值班。該裝置適用于高低壓配電柜，可在新型的高低壓配電柜中裝設，亦可在原有的舊款高低壓配電柜中加以改裝而完成。