低壓配電網絡PLC監控系統設計

張文婷，劉琦

（1.江蘇安全技術職業學院，江蘇徐州，221000；2.徐礦綜合利用發電有限公司，江蘇徐州，221000）

1 低壓配電網絡PLC監控系統功能性模塊構成設計

1.1 智能低壓斷路器模塊

低壓配電網絡的智能監控系統主要用于監控配電網絡中電路以及設施設備的運行狀態，當出現短路、過載、電壓異常等問題時，能夠及時地通過切斷電路來保護設施設備不被過度破壞。為了實現這一功能，就先要具備能夠智能切斷電路的功能模塊。智能低壓斷路器要實現智能化同時要通過配電網絡數據的采集與分析，來判斷是否執行斷路操作。因此，智能低壓斷路器應該具備以下幾個基本功能：

第一，要具備對電路中其他設備的保護功能，即要有三段電流保護和過、欠電壓保護。

第二，要具備接收與發送信息的通訊功能，能夠與監控系統的其他功能模塊完成數據交互，能夠接收并解析監控軟件發送的指令數據，對指令數據作出反應。同時能夠向監控系統上位機模塊反饋斷路器工作狀態。

第三，要具備一定的數據存儲功能，能存儲一段時間內的低壓配電系統運行參數。

1.2 數據采集器模塊

數據采集器模塊主要負責智能低壓斷路器（下位機）與監控系統主控軟件（上位機）之間的通信數據集中處理。智能斷路器的分布根據配電網絡的大小和布局會出現較大不同，且安裝分布位置相對分散，著這種情況下，要給每一個低壓斷路器裝配上線上移動通信模塊，不僅成本過高，且容易出現信號不穩定，信號之間相互干擾等問題。因此需要在相對較大的一片區域內，將若干個智能斷路器的遠程數據通信功能集中在一個數據采集器上，有數據采集器收集下轄的斷路器數據，并將這些屬于一個斷路器的數據打包成一個處理單元，傳輸給監控系統的服務器，同時接收監控系統服務器發送的各個處理單元對應的反饋指令，將該指令發送給對應的智能斷路器。

1.3 監控系統主控軟件模塊

監控系統主控軟件模塊也就是監控系統的服務器模塊，主要負責人機交互功能、系統數據顯示與存儲、運行參數的設置、功能異常事件報警功能。

人機交互功能主要包括人機操作界面功能實現、操作權限的管理功能、歷史數據的查詢功能等。

系統數據的現實與存儲功能則主要用于儲存各個下轄智能斷路器實時采集到的配電網絡電量參數、設備狀態以及歷史斷路報警數據等，方便系統操作人員直觀地查看整個低壓配電網絡的故障高發區域和高發故障類型。

異常事件報警功能主要針對監控軟件接收到的斷路器的反饋信息，出現斷路器工作的情況是，就將代表該區域的故障指示燈電量，并在人機交互界面顯示故障區域以及斷路器初步研判的故障原因。

運行參數的設置主要通過人機交互界面對某一個數據采集器對應的區域進行針對性的運行參數修改。將參數修改指令發送給數據采集器，再由采集器轉發到下轄的區域內低壓斷路器上。

2 智能低壓斷路器軟硬件設計

2.1 硬件設計

智能低壓斷路器的定位為整個智能監控系統的下位機部分也是主體模塊。系統的大部分功能都通過這一模塊得以實現。要想實現監控系統的主要電路狀態監控及電路設備保護功能。就需要具備實時采集電路數據、進行邏輯研判、執行斷路操作、進行數據通信的這幾項PLC自控系統常見的功能模塊。而硬件設計也要圍繞這一思路展開：

圖1 智能低壓斷路器主控芯片PIC24FJ64GA006

第一，主控制器模塊。主控制器模塊主要負責儲存斷路器自動化控制軟件程序、運行程序調用各個功能性子模塊、進行運行參數的邏輯研判等功能。考慮到低壓配電網絡本身覆蓋范圍較廣，需要用到的智能低壓斷路器數量也相對較多，另外低壓電路的電量以及設備運行狀態的數據相對不復雜，因此建議采用主控芯片PIC24FJ64GA006美國微芯公司的16為高速低功耗指令集芯片。

通信模塊要考慮傳輸數據速度以及抗干擾能力。低壓配電網絡中一個SP3485就能夠滿足RS-485串行通信協議的低功率收發器，數據層傳輸速度也有10Mbs，同時SP3485通訊模塊也具備較高的抑制共模干擾的能力，能夠確保數據通信過程中的安全可靠。

數據采集模塊主要包括對電路電流、電壓等數據的采集工作，將采集到的數據轉變為主控芯片的A/D接口能夠識別的0-3.3V模擬信號，然后在外界一個抗干擾的RC濾波電路，保證采集到的數據集信號的可靠性。

動作模塊主要用于執行斷路動作。當主控芯片經過邏輯研判以后，判定監控電路或設備狀態處于故障狀態且滿足斷路判斷參數時，向動作模塊發送動作指令，這時低壓斷路器進行故障工作狀態，TRIP端由低電平變為高電平，二極管D10與三極管Q2導通，脫扣器兩端電流增加，脫扣裝置觸發跳閘保護。當電路故障消除時，主控芯片發送合閘指令，RECLOSE由低電平切換為高電平，三極管Q1與繼電器K1導通，電機的J3接口通電，電機轉動帶動低壓斷路器閉合，恢復主電路流通。

圖2 智能低壓斷路器動作模塊電路圖

2.2 軟件流程設計

智能低壓斷路器的軟件流程有多個對應各個功能模塊的自動化流程。最主要的還是主控芯片的斷路與合閘研判流程。

該流程中現有系統完成初始化操作，恢復包括始終信號、寄存器、動作模塊狀態在內的各個子模塊狀態。然后調用數據采集模塊采集監控電路的電路電壓數值，并通過參數運算將這些數值轉換為模擬信號數據，通過對比參數判斷當前監控電路及其設備是否運行正常。如果存在故障則再次通過對比參數判斷該故障是否需要斷開電路，如故障數據滿足參數標準，則發送動作模塊的斷開指令。

3 數據采集器軟硬件設計

3.1 硬件設計

本課題開發一款數據采集器作為智能低壓斷路器與監控軟件的通信橋梁，主要有以下原因：

第一，由于智能低壓斷路器安裝位置分散，且安裝的數量不一，如果在智能低壓斷路器上直接添加4G移動通信模塊，其成本將大大增加。

第二，將某一區域范圍內的智能低壓斷路器通過數據采集器進行集中管理，能夠方便數據的集中傳輸和管理。

數據采集器的設計包括數據接收處理單元、RS-485通信模塊、4G移動通信模塊和供電電源等四大部分。當使用人員利用監控軟件通過互聯網發送指令到數據采集器獲得所需要的數據時，數據采集器通過RS-485通信模塊將智能低壓斷路器的各種數據包括自身的狀態、三相電壓和電流和工作參數等送到數據處理單元。數據處理單元解析處理和打包接收后的數據，通過4G移動通信模塊把打包好的數據發送給監控軟件。

主控芯片模塊需要處理下轄多個智能低壓斷路器的數據傳輸模塊都需要通過該模塊與上位機進行數據交互，因此數據采集器需要的數據傳輸與運算功能相對較大，需要功能相對強大，且引腳接口相對較多的主控芯片類型。本文建議采用自帶有VSS/VDD電源引腳以及32對I/O引腳的STM32F103RCT6芯片。該芯片非常適合作為結構復雜的通信模塊主控芯片，但為了保證信號的抗干擾能力，需要外接一些抗干擾濾波電路，才能保證數量較大的共模信號不會相互干擾。

信號的收發模塊主要選用RS-485模塊，SP3485芯片發送完指令以后，數據采集器再接收信號，控制芯片SP3485控制通信模塊切換到接收狀態。

4G模塊主要負責對已經打包過的數據通過4G網絡實現與監控軟件之間的交互。4G通信模塊一般采用遠程通信性能穩定且體積較小的SIM7600CE芯片作為主控芯片。根據SIM7600CE芯片官方硬件手冊，在4個VBAT引腳上接入供電電路和射頻電路，同時在供電電路上增加一個電解電容與普通電容并聯的濾波電路，能夠有效地提高芯片供電的穩定性。另外鑒于4G通信的GPRS信號發射電流需要高于2A，因此需要引腳電源能夠穩定提供高于2A的電流。同時要注意通過介入SIM卡的方式，來抑制靜電放電、鎖閉狀態等電壓突然起伏對數據信號的干擾。

圖3 智能低壓斷路器主程序流程圖

3.2 軟件流程設計

數據采集器的定位處于上位機與下位機的橋梁功能，它的主程序也應該是完成上位機與下位機之間的數據無損交互。

首先同樣調用系統初始化程序，完成對始終信號、I/O端口狀態、寄存器的初始化操作。然后系統循環接入上位機程序，等待接收數據采集控制指令。當操作人員通過上位機人機交互發布數據采集指令以后，解析上位機指令內容，根據指令內容發送對應的下位機數據采集指令，接收下位機反饋信號，判斷下位機是否正確接收到數據采集指令。最后，當下位機接收信號后向數據采集器發送所需數據以后，再由數據采集器調用4G通信模塊將采集到的數據發送給上位機。

4 監控系統軟件設計

4.1 監控系統軟件功能實現

監控系統軟件需要實現人機交互的一系列操作功能、實現故障報警功能、下位機運行參數設置與修改功能。

首先，人機交互功能就包括了系統管理人員的管理權限系列功能，包括管理人員注冊、登錄與注銷、權限修改功能，還包括操作界面的布局與數據顯示功能。操作界面要保持直觀簡潔，方便操作人員輸入操作指令，同時也能夠準確迅速地展現操作人員的查詢、參數修改等操作反饋結果。

其次，下位機運行參數設置與修改功能，主要是提高整個監控系統的靈活性。操作人員可以以數據采集器為單位，針對不同數據采集器下轄的配電網絡實際情況，針對性地配置該區域智能低壓斷路器的運行參數。修改前必須了解當前的運行參數。在設定參數界面上，工作人員選擇設定的對象，發送查詢當前設定參數，監控軟件收到查詢指令并解析，在界面上顯示供工作人員查看。然后工作人員結合實際運行數據，在輸入區內修改相應的參數。輸入過程中，如果某個參數超過設定的限制，軟件將會發出提示。修改完成后，發送設定指令到數據采集器，再轉發到智能低壓斷路器上。設定運行參數包括框架電流、額定電流、長延時電流、反時限時間保護（長延時）、短延時電流值設定、瞬時電流保護值設定、過壓值、欠壓值、漏電電流上限、短延時間、漏電時間、過壓動作延時和欠壓動作延時。

最后，故障報警功能，則是判斷下轄智能低壓斷路器的運行狀態，如果出現斷路器處于斷開狀態時，則需要通過故障指示燈提醒操作人員故障方位與故障初步原因研判結果，提高配電網絡故障的檢修效率。

4.2 監控系統數據庫設計

本文建議選擇較適合數字化數據管理的SQL Server2012作為數據庫。根據監控系統軟件功能實際需求，設計用戶信息表、設備信息表、運行狀態數據表、斷路器工作日志數據表、參數設置變更數據表，實現對整個系統各個模塊數據的精細化存儲與管理。