基于DSP和Modbus总线的智能断路器控制器设计

liyf

                    　　作为输配电网络中保护用的电力断路器(包括框架式断路器和塑壳式断路器），在设备过载、短路时，能安全、可靠地切断故障电流，防止事故扩大危及到整个输配电系统。随着科学技术的进步，人们对供配电系统的自动化程度要求越来越高，传统断路器的功能已不能满足供配电系统自动化的需要。断路器控制器正在向智能化、多功能、模块化及可通信的方向发展。对于供电系统中的多台断路器要求能实现联网通信、集中监控等功能，即第四代断路器，同时对高分断能力、多保护功能、高可靠性提出了更高的应用要求。本文着重研究和设计了一种基于DSP的Modbus总线的新型可通信智能断路器控制器，并给出结合断路器的上位监控软件的完整应用实现。该控制器不仅具有三段保护的基本功能，还能实现在串行链路Modbus总线通信的“四遥”(遥讯、遥测、遥调、遥控)及附加的电力质量监控等功能。
　　1 智能断路器硬件结构
　　1.1 硬件总体结构
　　由断路器、智能控制器和上位机构成的监控系统总体框图如图1所示。上位机与下位机采用Modbus现场总线相连接，下位机完成整个测控系统的基础工作，实现对输电线路的保护以及电力质量监控；上位机通过Modbus总线与智能控制器进行数据传输，实现对多个智能控制器节点的集中控制和管理。






　　2 智能控制器软件设计
　　2.1 智能控制器软件结构
　　智能控制器软件主要包括：采样数据处理、通信处理、按键和显示处理及能量记忆处理等模块。主程序流程图如图4。在主程序中，智能控制器上电初始化后，查询通信事件状态，处理Modbus协议状态机，并做相应的通信处理。通过采样获取主线路的电流信号，每周期20 ms采样40点，采用0.5 ms的定时器，实现非失真采样。而线路的三段保护，即电流速断、限时电流速断、定时过电流均依据一定的算法在这些采样点的基础上进行。根据测得的电流信号进行有效值计算（40个采样点采用加权平滑滤波，取均值），进行热记忆能量累加或消退，先后比较是否达到或超过瞬时脱扣整定值Ii、短延时脱扣电流整定值Isd、过载长延时脱扣电流整定值Ir，判断是否大于整定的脱扣能量从而发出分断命令，动作时间延时T根据断路器控制器的电流－时间特性曲线决定(可参考断路器行业标准[3])，从而实现对线路中的过载、短路、接地等故障的保护。






　　3 上位机监控软件的设计
　　在智能控制器监控系统设计中，智能控制器与上位机系统通信采用主从方式，上位机的作用主要是实现“四遥”功能。智能控制器一方面将实时数据和信息上传，另一方面接收上位PC机发出的控制命令。断路器智能控制器系统中，上位机监控主要实现如下功能[4]：
　　(1)实时接收下位机(智能控制器)上传的数据，采用数据列表和实时曲线的方式显示。上位机接收下位机定时发送的数据，包括：三相电压、三相电流、中性线电流、有功功率、功率因素及累计电量等；可随时读取下位机中的数据。操作人员可在监控机上随时向下位机发送查询帧，索取当前断路器中的运行数据。
　　(2)具有在线设置下位机参数及发送远程合分闸命令功能。这样便于操作人员在远离现场的情况下安全地控制和操纵断路器的运行。
　　上位机监控软件可采用VB、VC等高级语言实现，亦或在组态软件上进行二次开发。考虑到人机界面构建简易、程序便于集成和升级，设计中采用Visual C++ 6．0作为开发工具。在9 600 b/s波特率下，设置Modbus帧间间隔为50 ms。超时时间为300 ms时，对节点地址为10的额定100 A断路器线路电流有效值进行监控，监控测试界面如图6。






　　本文从硬件和软件上设计实现了Modbus智能断路器，给出了包括监控上位机软件在内的整套应用方案，通过上位机监控软件实现对断路器的“四遥”等联网应用功能。通过现场实验测试表明，系统运行稳定可靠、实时性高，为断路器的网络互联提供一种较好的解决方案。（电子技术应用 作者：何孝发 戴瑜兴 王卫国 李 芃）