基于DSP和Modbus总线的智能断路器控制器设计

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。

    智能控制器采用TI的高性能DSP芯片TMS320F2812，电路主要由电压电流输入信号的调理电路、自生电源和外部电源控制模块、RS485通信模块、显示和按键模块及外围检测信号输入电路、脱扣控制电路等组成。电流互感器和电阻分压前端分别检测供电线路中的电流和电压信号，并将其转换为数字电路和DSP可处理的电平信号，经过模拟信号调理电路(隔离、滤波、放大等)送入DSP，DSP自带的A/D转换单元将模拟信号转换成数字信号，供DSP进行逻辑运算和处理。DSP将检测到的电流信号与整定值相比较，判断是否脱扣，从而实现三段保护功能。同时在系统中采用Modbus总线协议与上位机通信，实现智能控制器的“四遥”功能。
1.2 采样与信号调理
    采用空芯电流互感器检测电流信号，以保证有较好的线性范围。采用串联的电阻分压提供电压信号。电流和电压信号经过RC滤波后，分2路进行采样，以解决量程变换问题。当互感器输出电压比较小时，电压经过LM324放大，由A/D采样；而当互感器输出电压比较大时，LM324输出出现饱和，则直接由A/D采样。其中通道的选择由软件完成,以使采样信号在阀值处能较好衔接起来。电流采样电路如图2。R11、R12、R21、R22将交流信号提升为A/D可识别的3.3 V直流信号，D1、D2、D7、D8构成限幅保护电路。电压通道除了电阻分压不同，其他部分相似。

1.3 通信接口
    采用SP485E芯片的通信接口如图3。由于断路器的分断会对电路产生干扰，为保证可靠的通信，电路附加了一些保护。其中8.2 V的TVS管V1、V2、V3都是用来保护RS485总线的，以避免RS485总线在受外界干扰时(雷击、浪涌)产生的高压损坏RS485收发器。电路中的L1、L2、C7、C8元件，用于提高电路的EMI性能，并对SP485E芯片起到良好的保护效果。

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。 [p]

2.2 Modbus协议栈设计
    控制器能设置ASCII或RTU两种传输模式中的任何一种在标准的Modbus网络中通信。目前最常用的是RTU模式。在消息中的每个8 bit字节包含2个4 bit的十六进制字符，在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据[1]。本设计采用Modbus RTU传输模式，使用RTU模式的关键是帧字符时间的处理。要求至少为3.5个字符时间的空闲间隔将报文帧区分开，同时整个报文帧必须作为一个连续的数据流传输，2个字符之间的空闲间隔小于1.5个字符时间[2]。
    协议栈采用分层设计，分为协议状态机处理部分和硬件相关部分。协议状态机部分，通过查询协议事件状态维护协议状态机，根据不同状态对接收帧进行校验以及对功能码的处理函数。硬件相关部分包括对定时器和串口的初始化配置以及相应的定时器中断、串口接收发送中断。协议栈程序的流程图如图5。应用程序将AD采样后处理好的数据存储在特定的缓冲区中，供上位机查询。协议栈的接收和发送Modbus RTU数据帧是通过一个由硬件提取层的调用驱动状态机来实现的。协议栈开T3.5字符计时中断、接收中断和发送中断，在主函数循环中对事件标志进行查询和处理。

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。