0 引言
一直以來，我國低壓電網用電側處于無法遠程監控狀態，無法獲知漏電流越限信息及故障跳閘原因，更無法對故障進行定位和自動隔離，增加一線員工的工作量。若要解決此問題，必須裝設帶通信型漏電流動作保護器(下稱智能斷路器)，并把信息實時上傳到主站系統進行分析管理。目前常規的智能斷路器是通過RS-485總線或GPRS模塊無線公網直接與主站進行數據交換，但RS-485總線傳輸距離短、布線不方便且維護量大，GPRS模塊無線公網由于智能斷路器的GPRS模塊節點多，通信費用高且與主站連接造成多并發問題。
本文設計一種用于低壓配網負荷及漏電流監控的通信管理機，可與分散在一定區域范圍內的智能斷路器通過自組網的ZigBee模塊無線傳感器網絡進行數據通信，統一管理各個分散的智能斷路器數據，并可通過GPRS模塊無線公網與監控主站進行數據交換，實現對智能斷路器的遠程監測、分合控制以及運行參數的設置。
通信管理機擔負ZigBee數據采集、命令轉發、數據及狀態量存儲等工作，其具體功能包括：定時采集并存儲低壓線路智能斷路器的電壓、電流、漏電流數據，并定時上傳主站；接收主站命令，向智能斷路器發遙控命令實現智能斷路器的參數設置、手自動設置及開關分合控制；存儲告警事件并立即上傳主站。
1 通信結構與智能斷路器
1.1 通信結構
通信管理機通信結構如圖1所示。與智能斷路器間為ZigBee模塊無線傳感器網絡，各個智能斷路器作為ZigBee無線數傳網絡節點，通信管理機為ZigBee無線數傳網絡的協調器，數據傳輸遵循智能斷路器廠家提供的通信協議。與主站間為GPRS模塊無線公網，主站擁有固定的IP地址，通信管理機上電即自動向特定IP的主站申請連接，待主站對連接響應后，主站和通信管理機便建立起透明的數據連接。
圖1 通信管理機通信結構圖
1.2 智能斷路器
智能斷路器是具有數字化接口，能接收分合閘命令并能將位置信息、狀態信息等與其它設備進行傳輸的設備，集保護、測量、監控于一體，具備人機對話顯示、存儲和記憶等功能。本文使用的三相和單相智能斷路器選擇適用于低壓電網的通信型剩余電流斷路器，可運行在手動或自動控制方式下，自動控制方式下突變漏電流、緩變漏電流、電流或電壓越限智能斷路器自動跳閘，并在實時數據幀的數據位最后一位表示自動跳閘原因，手動控制方式下不跳閘；其主要外設包括低壓線路的輸入口和輸出口、狀態指示燈、分合閘按鈕、RS-485接口和交流電源；該系列斷路器的功能如表1所示(只列出主要功能)，包括讀數據、讀參數、設置參數、智能斷路器分合閘及設置手自動運行方式。智能斷路器通過RS-485接口外擴ZigBee模塊實現與通信管理機的ZigBee無線通信，外擴的ZigBee模塊包括RS-485接口、RS-485轉UART芯片。ZigBee模塊無線傳感器網絡通信具有自組網、低功耗和抗干擾能力強等優點，方便通信管理機對智能斷路器進行數據查詢及控制。
表1 智能斷路器主要功能
2 通信協議設計
通信管理機與智能斷路器數據傳輸遵循智能斷路器廠家提供的通信協議(具體參見標準DL/T 645-2007)，下稱“終端規約”。主要介紹通信管理機與主站的通信協議，下稱“主站協議”。
通信管理機與主站數據傳輸規則采用應答方式，主站主動召喚數據或者通信管理機在正常工作狀態下每隔N 分鐘(時間間隔可設置)主動上報一次數據，當產生告警信息時，通信管理機即時上報告警事件。
每幀由幀起始符、數據長度、地址域、數據單元標識域、數據單元域、校驗域等組成，如表2所示。
表2 主站協議通信幀格式
數據傳送，低字節在前，高字節在后。起始符值為68H，標識一幀數據的開始；數據長度為原始數據除開始碼、數據長度、校驗和及結束碼外的所有數據的字節數；地址域為通信管理機地址，數據單元標識為傳輸數據的類型；數據單元為傳輸的數據；校驗和為數據長度開始到校驗和之前所有字節的累加和，不計溢出位；結束符為16H，標識一幀數據的結束。對啟動站發送的無需數據返回的命令，從動站校驗通過后一律返回接收正確命令，即系統應答報文。對SOE事件的確認必須加上當前上報的事件計數器。主站協議部分數據單元標識如表3所示。
表3 主站協議部分數據單元標識
3 硬件設計、
3.1 系統部分
系統部分主要包括中央處理器、存儲系統及其外圍電路。
3.1.1 中央處理器
中央處理器選用digi公司工業級RCM6710模塊，工作頻率可達162.5 MHz。相對于C51、DSP芯片，該模塊具有數據處理能力強、串口多、外設豐富、抗干擾能力強及較高性價比等優點，滿足配電網通信規約轉換器要求。
RCM6710模塊擁有一個USB接口、一個以太網口及6個高速UART接口。主要硬件資源及外設如圖2所示。6個高速UART接口的設計分別為：串口A通過SP3232芯片提供RS-232通信接口，作為調試及程序下載口；串口B和D不作開發；串口C接ZigBee模塊，實現與智能斷路器通信；串口E與中興ME3000GPRS模塊模塊連接，實現與主站間的數據交換；串口F通過RSM3485CT芯片提供隔離RS-485通信接口，作為預留。預留接口是考慮到系統電路設計的通用性及可擴展性，調試成功后可用于其它項目。該模塊外設的串口狀態指示燈顯示各串口是否處于工作狀態，板載實時時鐘確保上傳數據附帶精確時間。
圖2 通信管理機硬件框圖
3.1.2 存儲系統
存儲系統包括芯片內置存儲器SRAM和板載存儲器。內置的SRAM空間1 MB，用于程序運行；模塊板載1 MB Serial Flash和4 MB Serial Flash，分別作為程序存儲器和數據存儲器，數據存儲器存儲的內容包括：通信管理機地址、IP和主動上傳時間間隔及智能斷路器的歷史數據、實時上傳數據、運行狀態和設置參數等。所存儲的設置參數控制著通信管理機的運行，通信管理機啟動時，將設置參數加載到RAM中進行參數配置，一旦主站對參數進行更改，參數區數據立即進行更新并保存其最新狀態到Flash中。主站查詢智能斷路器的數據、設置參數及運行狀態只需訪問通信管理機的存儲系統，無需再下發智能斷路器。
3.2 接口部分
接口電路包括主要包括GPRS模塊模塊、RS-485通信電路和ZigBee模塊等。
這里主要介紹GPRS模塊模塊。
通信管理機GPRS模塊模塊選用中興ME3000模塊，該模塊擁有高速UART接口、Audio接口、SIM卡接口、天線接口和RTC接口。與RCM6710的接口電路如圖3所示。RCM6710串口E與該模塊高速UART連接實現數據交換，RCM6710的GPRS模塊_RST和GPRS模塊_IGT分別實現中興ME3000模塊的復位和上下電，其中GPRS模塊_IGT引腳低電平持續時間超過1 500 ms時模塊開啟，低電平持續時間超過2 s時模塊關閉。該模塊與RCM6710采用雙線模式通信，故使中興ME3000模塊的UART控制引腳/RTS和/DTR處于低電平。
中興ME3000模塊可通過標準AT命令進行控制和數據傳送，支持內嵌TCP/IP協議，用戶可以直接進行透明的數據傳輸，不用再考慮復雜的網絡協議。
圖3 中興ME3000模塊硬件原理圖
4 程序設計
通信管理機實現的功能包括ZigBee數據采集、數據存儲、規約轉換、參數設置和數據傳輸等，因此采用能處理多任務的μC/OS-Ⅱ操作系統。設計時，按照功能劃分任務，并根據任務的實時性要求確定任務優先級，還要按照每個任務所處理的數據量的大小，給每個任務分配大小合適的堆棧。
按功能將任務劃分為定時管理、GPRS模塊通信、數據解析和ZigBee通信任務。任務創建程序如下：OSInit()；OSTaskCreate(TimeDeal，(void*)0，2048，10)；OSTaskCreate(GPRS模塊，(void*)0，2048，11)；OSTaskCreate(DataCom，(void*)0，4096，15)；OSTaskCreate(ZBDeal，(void*)0，4096，20)；OSStart()；定時管理任務是最需保證準時運行的任務，所以優先級最高。其次為GPRS模塊通信任務、數據解析任務，最后為ZigBee通信任務。當多個任務同時要執行時，優先級高的先運行。
各任務分別編寫，不僅能夠提高開發效率，更有助于日后的升級維護。任務操作對象為緩沖區及全局變量，程序在RAM中開辟了8個GPRS模塊發送緩沖區和1個GPRS模塊接收緩沖區，數據順序為FIFO(First InFirst Out)結構，采用環形隊列實現。數據發送時必須先申請一個空閑的緩沖區，故要對緩沖區進行忙校驗，申請緩沖區時也需要對緩沖區的大小進行合理設定。
任務創建后，根據各任務要求執行的頻率，在每個任務建立的循環中寫入延遲執行命令：OSTimeDlyHMSM(h，m，s，ms)。各任務間的關系如圖4所示。
圖4 通信管理機任務
定時管理任務主要負責計時和延遲，包括GPRS模塊重發延遲、GPRS模塊發送延遲和心跳包發送延遲功能，主動上傳數據和心跳包上傳時間間隔分別默認為5 min和2 min。下面主要介紹數據解析任務、ZigBee通信任務和GPRS模塊通信任務。
4.1 數據解析任務
數據解析任務主要負責與主站服務器間的數據交換，操作的對象為全局變量、GPRS模塊發送緩沖區和GPRS模塊接收緩沖區，物理層按照GPRS模塊協議進行數據傳輸，協議層根據主站規約進行解析和打包。如圖4所示。
數據解析任務首先對GPRS模塊接收緩沖區數據根據主站規約進行解析，可分為應答、上行和下行三類處理。應答幀主要為主站對通信管理機主動上傳數據、心跳包和告警事件回復的確認幀。上行部分主要為查詢數據，含通信管理機的地址、時間、定時上傳時間間隔、低壓線路的實時數據以及智能斷路器參數、開關狀態和控制方式。將上行的回復數據按主站規約處理形成回復報文存入GPRS模塊發送緩沖區。下行部分主要為智能斷路器的參數設置、手自動設置及分合閘命令，更改對應的變更標志，即全局變量，按規約形成回復確認幀存入GPRS模塊發送緩沖區。
接著處理通信管理機主動上傳數據和心跳包，主動上傳數據包括三相智能斷路器的三相相電流和三相漏電流以及單相智能斷路器的相電壓和單相漏電流，上傳數據根據主站規約打包，定時存入GPRS模塊發送緩沖區。
4.2 ZigBee通信任務
ZigBee通信任務負責與智能斷路器的數據交換。通信協議為智能斷路器廠家提供的通信協議，ZigBee通信任務的操作對象為全局變量、ZigBee模塊數據接收緩沖區和ZigBee模塊數據發送緩沖區，如圖4所示。
ZigBee通信任務分為下發數據和接收數據兩部分。下發數據又分為兩類：第一類為每10 s主動下發一次的ZigBee數據采集任務；第二類為變更任務，智能斷路器無手動模式參數設置，手動模式數據越限不上傳告警事件，故在ZigBee通信任務設計手動模式下的參數設置，若為手動模式的參數設置變更標志，則立即保存新的越限告警參數并上傳手動模式參數設置成功告警事件，若為其它變更標志則將變更數據按終端規約打包存入ZigBee發送緩沖區，若通信管理機重發三次變更命令幀至智能斷路器未收到確認幀，則立即上傳變更失敗告警事件。該部分變更內容包括自動跳閘動作值設置、手自動設置和分合閘。接收數據處理流程：從ZigBee數據接收緩沖區接收一有效幀，根據終端規約解析，分為采集數據應答幀和變更設置應答幀。采集數據應答幀中數據位的最后一位為自動跳閘原因，首先對該位進行判斷，若有跳閘則將帶自動跳閘原因告警事件存入GPRS模塊發送緩沖區，并把采集的其它數據位進行存儲。變更設置應答幀代表參數設置成功，將相應的變更設置重發次數清零，并把相應的設置成功告警幀存入GPRS模塊發送緩沖區。由于智能斷路器無運行狀態查詢功能，ZigBee通信任務對設置成功告警事件進行存儲，主站可以通過訪問通信管理機的存儲區數據以得到智能斷路器的運行狀態及參數。
4.3 GPRS通信任務
GPRS模塊通信任務主要為GPRS模塊的登陸和退出連接。首先判斷是否因為通信管理機地址或主站服務器地址及端口更改而需要重連網絡。如果需要重連網絡，必須向主站發送退出登錄包后關斷連接，同時清除發送和接收緩沖區，清除GPRS模塊登錄過程中的錯誤記錄。重連后便可進行GPRS模塊數據的接收和發送。
各狀態變更的流程圖如圖5所示。在GPRS模塊通信中，將通信管理機與主站之間的連接分為四種狀態：GPRS模塊_OFF(代表模塊沒有正常工作)、GPRS模塊_WORK(代表AT指令正常)、GPRS模塊_GW(代表GPRS模塊網關連接正常)、GPRS模塊_SOCK(代表SOCK鏈接正常)。每一次執行GPRS模塊通信任務時都會進行連接狀態的判斷，當連接狀態為GPRS模塊_SOCK才可以正常收發數據。
圖5 GPRS通信狀態流程
5 結語
本文提出一種可實現低壓電網負荷及漏電流綜合管理的ZigBee模塊通信管理機設計方案，該通信管理機可與主站及多臺帶通信功能的智能斷路器組建成漏電監控系統，實時監控多條低壓線路，保障低壓電網更加安全、可靠的運行。通信管理機系統程序設計采用多任務的設計思路，提高開發效率，也有助于日后的升級維護。本文所設計的ZigBee模塊通信管理機在現場經過數月的運行，通信穩定，數據及命令轉發準確，具有很高的可靠性。