基于組態軟件的智能型低壓開關柜設計

彭 江

（江蘇正佰電氣股份有限公司，江蘇 蘇州 215300）

0 引言

電子設備及采集、測量、信息通信技術的不斷發展，特別是關鍵設備和關鍵技術取得的突破，促進了我國智能電網建設的長足進步。近年來，電力電子技術、傳感器技術、通信與數據存儲技術、現場總線技術及計算機網絡技術等不斷發展并相互融合，為電氣設備的智能化提供了基礎。電氣設備的信息數字化正逐漸成為電力系統發展的一個重要方向，同時也實現了電力設備的網絡化，從而使電力系統更加清潔、高效、安全、可靠。智能型低壓開關柜作為智能電網的一個重要組成部分，在智能電網的建設中起到了關鍵作用。

1 智能型低壓開關柜的功能

電力系統的運行包括發電、輸電、變電、配電及用電等環節。目前，用戶電氣設備的用電絕大多數是通過低壓開關柜來傳輸，而在開關柜中，低壓開關和電氣設備（如電力儀表和保護模塊等）起到控制和保護作用，是低壓開關柜的核心設備。智能型低壓開關柜的功能應該包含檢測、通信、控制保護及日常維護等，其中，檢測功能用于監測重要的電量參數，如電壓、電流、諧波含量、用電量、頻率、有功功率、無功功率、功率因數等。通信功能則通過有線或無線方式，將相關數據傳輸至監控主機，實現對低壓開關柜的“四遙”（遙測、遙控、遙調、遙信）操作，在現場常采用穩定性和抗干擾性高的RS485接口。控制保護功能包括過流保護、過壓保護及故障接地保護等。日常維護功能包括大電流連接點溫度、斷路器機械壽命及觸頭電磨損程度等各種預警參數的系統化判斷和提示。

2 智能型低壓開關柜的結構

智能型低壓開關柜的結構示意圖如圖1所示。該系統由智能電器和嵌入式平板電腦組成，其中智能電器包括智能型萬能式斷路器、電力儀表、接頭溫升測量儀、接地故障報警儀、開關量測量儀及絕緣狀態測量儀。嵌入式平板電腦是面向工業控制領域的高性能觸控一體機，具備堅固、防震、防潮、防塵、耐高溫、多插槽和易于擴充等特點，能與工業組態軟件完美融合，利用PC系統的豐富資源實現高級、復雜的人機界面。

圖1 智能型低壓開關柜的結構示意圖

3 基于組態軟件的智能型低壓開關柜的設計方案

智能型低壓開關柜采用組態軟件進行開發和實現。組態軟件是對現場生產數據進行采集與過程控制的專用軟件，其為上層數據庫和下層采集設備提供各種通訊接口和軟件端口，能和各個廠家的設備進行通訊，同時與網絡系統結合。組態軟件提供了一個簡潔的開發環境，不需要通過編程方式來進行系統集成。它為用戶提供了友好的開發界面和簡潔方便的工程實現方法，工程師只要將各模塊進行組合就可快捷地實現設計目的［1］。組態軟件可以極大地縮短工程師的系統集成時間，提高其工作效率，并使操作變得非常容易。特別需要注意的是，我們在使用組態軟件時要遵循電力操作的習慣。

采用組態軟件開發的智能型低壓開關柜具備監控顯示、報警、用戶權限管理、數據管理、設備維護、網絡通訊等功能。

3.1 監控顯示

在監控主界面上以一次電氣圖或現場布置圖的形式直觀地反映整個配電網絡的運行狀態。組態軟件使用圖形、動畫、曲線或文本等方式來生動地顯示實時采集到的數據。監控主界面如圖2所示。

圖2 監控主界面

3.2 報警功能

數據過閾值的報警格式可以有多種，例如百分數。本智能型低壓開關柜的報警方式包含報警框、報警數據閃爍、GSM短消息報警、郵件報警、電話報警及聲光報警等，報警數據的存儲方式有報警總表、順序事件記錄等。用戶使用系統軟件提供的檢索工具進行檢索查詢和打印。歷史報警查詢畫面如圖3所示。

3.3 用戶權限管理

在設計智能型低壓開關柜時，我們需要根據系統或用戶的安全規則或安全策略來考慮管理權限，如對數據類別進行操作權限的管理，或對功能類別進行功能操作的權限管理。

3.4 數據管理

數據管理主要可實現實時數據和歷史數據查詢，進行負荷趨勢分析，定時和實時出具各類管理報表（如各種日報表、月報表和年報表），記錄各種故障并分析故障原因等。設計日報表如圖4所示。

圖3 歷史報警查詢畫面

圖4 日報表

3.5 設備維護

實時監測設備運行參數，如觸頭機械壽命、設備運行時間等，當設備需要保養或檢修時發出提示信息，并記錄和保存所有維護信息，以便今后查詢。

3.6 網絡通訊

連接智能型低壓開關柜的網絡需考慮通信的公開性和一致性，要使整個系統具有開放性、可靠性，各設備間具有可互操作性。現場總線具備高穩定性、及時性、開放性、維護開銷低以及通信介質多樣等特點，能適應今后通信技術的發展需求。在智能型低壓開關柜中使用現場總線進行通信，可以提高系統的穩定性和安全性，并且操作起來也方便。

智能型低壓開關柜的網絡通訊采用Modbus通信協議來實現，其具備標準性、開放性，且不會侵犯知識產權，全球支持Modbus協議的廠家達400多家。Modbus協議支持多種通信接口，如全雙工和半雙工等，可采用多種通信介質傳送，如雙絞線和光纖等。標準Modbus通信格式具有簡潔和嚴謹的特點，因而在設備廠家和設備用戶中廣受歡迎。標準Modbus協議傳輸模式有ASCⅡ和RTU［2］。由于RTU模式在通訊幀中每個8位的字節包含2個4位的16進制字符，而ASCⅡ模式在通訊幀中每個8位的字節包含1個ASCⅡ碼（2個16進制字符），這樣在相等的傳輸速率下，RTU模式比ASCⅡ模式效率更高，因此我們在設計時采用RTU模式通信。RTU模式如圖5所示。

圖5 Modbus-RTU模式

智能型低壓開關柜利用組態軟件提供的OPC、ODBC等多種通訊端口或專用的電力規約接口（如IEC870-5-101／103／104規約、DL／T645電度表規約），通過標準TCP／IP協議與上級管理網聯網，實現無縫鏈接，保證了系統的穩定性。

4 結語

通過在低壓開關柜中配置智能電器，采用組態軟件可以方便快捷地監測配電網絡的運行參數和狀態，并可對用電設備的用電量進行統計，以便維護人員明確設備狀況，正確處理事故，從而減小故障的影響。智能型低壓開關柜還減少了有關人員的工作量，因而具有很好的經濟和社會效益。在網絡越來越發達的當代，組態軟件在電力系統中的應用必將越來越廣泛。

［1］柏元網控信息技術（上海）有限公司.Web Access產品使用說明書［Z］

［2］陳德仙，鄭登峰，俞國勇，等.基于 MODBUS協議的智能配電系統設計［J］.江蘇電器，2007（4）