低压配电网络PLC监控系统设计

2022-11-11张文婷刘琦

电子测试 2022年20期

张文婷，刘琦

（1.江苏安全技术职业学院，江苏徐州，221000；2.徐矿综合利用发电有限公司，江苏徐州，221000）

1 低压配电网络PLC监控系统功能性模块构成设计

1.1 智能低压断路器模块

低压配电网络的智能监控系统主要用于监控配电网络中电路以及设施设备的运行状态，当出现短路、过载、电压异常等问题时，能够及时地通过切断电路来保护设施设备不被过度破坏。为了实现这一功能，就先要具备能够智能切断电路的功能模块。智能低压断路器要实现智能化同时要通过配电网络数据的采集与分析，来判断是否执行断路操作。因此，智能低压断路器应该具备以下几个基本功能：

第一，要具备对电路中其他设备的保护功能，即要有三段电流保护和过、欠电压保护。

第二，要具备接收与发送信息的通讯功能，能够与监控系统的其他功能模块完成数据交互，能够接收并解析监控软件发送的指令数据，对指令数据作出反应。同时能够向监控系统上位机模块反馈断路器工作状态。

第三，要具备一定的数据存储功能，能存储一段时间内的低压配电系统运行参数。

1.2 数据采集器模块

数据采集器模块主要负责智能低压断路器（下位机）与监控系统主控软件（上位机）之间的通信数据集中处理。智能断路器的分布根据配电网络的大小和布局会出现较大不同，且安装分布位置相对分散，着这种情况下，要给每一个低压断路器装配上线上移动通信模块，不仅成本过高，且容易出现信号不稳定，信号之间相互干扰等问题。因此需要在相对较大的一片区域内，将若干个智能断路器的远程数据通信功能集中在一个数据采集器上，有数据采集器收集下辖的断路器数据，并将这些属于一个断路器的数据打包成一个处理单元，传输给监控系统的服务器，同时接收监控系统服务器发送的各个处理单元对应的反馈指令，将该指令发送给对应的智能断路器。

1.3 监控系统主控软件模块

监控系统主控软件模块也就是监控系统的服务器模块，主要负责人机交互功能、系统数据显示与存储、运行参数的设置、功能异常事件报警功能。

人机交互功能主要包括人机操作界面功能实现、操作权限的管理功能、历史数据的查询功能等。

系统数据的现实与存储功能则主要用于储存各个下辖智能断路器实时采集到的配电网络电量参数、设备状态以及历史断路报警数据等，方便系统操作人员直观地查看整个低压配电网络的故障高发区域和高发故障类型。

异常事件报警功能主要针对监控软件接收到的断路器的反馈信息，出现断路器工作的情况是，就将代表该区域的故障指示灯电量，并在人机交互界面显示故障区域以及断路器初步研判的故障原因。

运行参数的设置主要通过人机交互界面对某一个数据采集器对应的区域进行针对性的运行参数修改。将参数修改指令发送给数据采集器，再由采集器转发到下辖的区域内低压断路器上。

2 智能低压断路器软硬件设计

2.1 硬件设计

智能低压断路器的定位为整个智能监控系统的下位机部分也是主体模块。系统的大部分功能都通过这一模块得以实现。要想实现监控系统的主要电路状态监控及电路设备保护功能。就需要具备实时采集电路数据、进行逻辑研判、执行断路操作、进行数据通信的这几项PLC自控系统常见的功能模块。而硬件设计也要围绕这一思路展开：

图1 智能低压断路器主控芯片PIC24FJ64GA006

第一，主控制器模块。主控制器模块主要负责储存断路器自动化控制软件程序、运行程序调用各个功能性子模块、进行运行参数的逻辑研判等功能。考虑到低压配电网络本身覆盖范围较广，需要用到的智能低压断路器数量也相对较多，另外低压电路的电量以及设备运行状态的数据相对不复杂，因此建议采用主控芯片PIC24FJ64GA006美国微芯公司的16为高速低功耗指令集芯片。

通信模块要考虑传输数据速度以及抗干扰能力。低压配电网络中一个SP3485就能够满足RS-485串行通信协议的低功率收发器，数据层传输速度也有10Mbs，同时SP3485通讯模块也具备较高的抑制共模干扰的能力，能够确保数据通信过程中的安全可靠。

数据采集模块主要包括对电路电流、电压等数据的采集工作，将采集到的数据转变为主控芯片的A/D接口能够识别的0-3.3V模拟信号，然后在外界一个抗干扰的RC滤波电路，保证采集到的数据集信号的可靠性。

动作模块主要用于执行断路动作。当主控芯片经过逻辑研判以后，判定监控电路或设备状态处于故障状态且满足断路判断参数时，向动作模块发送动作指令，这时低压断路器进行故障工作状态，TRIP端由低电平变为高电平，二极管D10与三极管Q2导通，脱扣器两端电流增加，脱扣装置触发跳闸保护。当电路故障消除时，主控芯片发送合闸指令，RECLOSE由低电平切换为高电平，三极管Q1与继电器K1导通，电机的J3接口通电，电机转动带动低压断路器闭合，恢复主电路流通。

图2 智能低压断路器动作模块电路图

2.2 软件流程设计

智能低压断路器的软件流程有多个对应各个功能模块的自动化流程。最主要的还是主控芯片的断路与合闸研判流程。

该流程中现有系统完成初始化操作，恢复包括始终信号、寄存器、动作模块状态在内的各个子模块状态。然后调用数据采集模块采集监控电路的电路电压数值，并通过参数运算将这些数值转换为模拟信号数据，通过对比参数判断当前监控电路及其设备是否运行正常。如果存在故障则再次通过对比参数判断该故障是否需要断开电路，如故障数据满足参数标准，则发送动作模块的断开指令。

3 数据采集器软硬件设计

3.1 硬件设计

本课题开发一款数据采集器作为智能低压断路器与监控软件的通信桥梁，主要有以下原因：

第一，由于智能低压断路器安装位置分散，且安装的数量不一，如果在智能低压断路器上直接添加4G移动通信模块，其成本将大大增加。

第二，将某一区域范围内的智能低压断路器通过数据采集器进行集中管理，能够方便数据的集中传输和管理。

数据采集器的设计包括数据接收处理单元、RS-485通信模块、4G移动通信模块和供电电源等四大部分。当使用人员利用监控软件通过互联网发送指令到数据采集器获得所需要的数据时，数据采集器通过RS-485通信模块将智能低压断路器的各种数据包括自身的状态、三相电压和电流和工作参数等送到数据处理单元。数据处理单元解析处理和打包接收后的数据，通过4G移动通信模块把打包好的数据发送给监控软件。

主控芯片模块需要处理下辖多个智能低压断路器的数据传输模块都需要通过该模块与上位机进行数据交互，因此数据采集器需要的数据传输与运算功能相对较大，需要功能相对强大，且引脚接口相对较多的主控芯片类型。本文建议采用自带有VSS/VDD电源引脚以及32对I/O引脚的STM32F103RCT6芯片。该芯片非常适合作为结构复杂的通信模块主控芯片，但为了保证信号的抗干扰能力，需要外接一些抗干扰滤波电路，才能保证数量较大的共模信号不会相互干扰。

信号的收发模块主要选用RS-485模块，SP3485芯片发送完指令以后，数据采集器再接收信号，控制芯片SP3485控制通信模块切换到接收状态。

4G模块主要负责对已经打包过的数据通过4G网络实现与监控软件之间的交互。4G通信模块一般采用远程通信性能稳定且体积较小的SIM7600CE芯片作为主控芯片。根据SIM7600CE芯片官方硬件手册，在4个VBAT引脚上接入供电电路和射频电路，同时在供电电路上增加一个电解电容与普通电容并联的滤波电路，能够有效地提高芯片供电的稳定性。另外鉴于4G通信的GPRS信号发射电流需要高于2A，因此需要引脚电源能够稳定提供高于2A的电流。同时要注意通过介入SIM卡的方式，来抑制静电放电、锁闭状态等电压突然起伏对数据信号的干扰。

图3 智能低压断路器主程序流程图

3.2 软件流程设计

数据采集器的定位处于上位机与下位机的桥梁功能，它的主程序也应该是完成上位机与下位机之间的数据无损交互。

首先同样调用系统初始化程序，完成对始终信号、I/O端口状态、寄存器的初始化操作。然后系统循环接入上位机程序，等待接收数据采集控制指令。当操作人员通过上位机人机交互发布数据采集指令以后，解析上位机指令内容，根据指令内容发送对应的下位机数据采集指令，接收下位机反馈信号，判断下位机是否正确接收到数据采集指令。最后，当下位机接收信号后向数据采集器发送所需数据以后，再由数据采集器调用4G通信模块将采集到的数据发送给上位机。

4 监控系统软件设计

4.1 监控系统软件功能实现

监控系统软件需要实现人机交互的一系列操作功能、实现故障报警功能、下位机运行参数设置与修改功能。

首先，人机交互功能就包括了系统管理人员的管理权限系列功能，包括管理人员注册、登录与注销、权限修改功能，还包括操作界面的布局与数据显示功能。操作界面要保持直观简洁，方便操作人员输入操作指令，同时也能够准确迅速地展现操作人员的查询、参数修改等操作反馈结果。

其次，下位机运行参数设置与修改功能，主要是提高整个监控系统的灵活性。操作人员可以以数据采集器为单位，针对不同数据采集器下辖的配电网络实际情况，针对性地配置该区域智能低压断路器的运行参数。修改前必须了解当前的运行参数。在设定参数界面上，工作人员选择设定的对象，发送查询当前设定参数，监控软件收到查询指令并解析，在界面上显示供工作人员查看。然后工作人员结合实际运行数据，在输入区内修改相应的参数。输入过程中，如果某个参数超过设定的限制，软件将会发出提示。修改完成后，发送设定指令到数据采集器，再转发到智能低压断路器上。设定运行参数包括框架电流、额定电流、长延时电流、反时限时间保护（长延时）、短延时电流值设定、瞬时电流保护值设定、过压值、欠压值、漏电电流上限、短延时间、漏电时间、过压动作延时和欠压动作延时。

最后，故障报警功能，则是判断下辖智能低压断路器的运行状态，如果出现断路器处于断开状态时，则需要通过故障指示灯提醒操作人员故障方位与故障初步原因研判结果，提高配电网络故障的检修效率。