0 引言
一直以來，我國(guó)低壓電網(wǎng)用電側(cè)處于無法遠(yuǎn)程監(jiān)控狀態(tài)，無法獲知漏電流越限信息及故障跳閘原因，更無法對(duì)故障進(jìn)行定位和自動(dòng)隔離，增加一線員工的工作量。若要解決此問題，必須裝設(shè)帶通信型漏電流動(dòng)作保護(hù)器(下稱智能斷路器)，并把信息實(shí)時(shí)上傳到主站系統(tǒng)進(jìn)行分析管理。目前常規(guī)的智能斷路器是通過RS-485總線或GPRS模塊無線公網(wǎng)直接與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但RS-485總線傳輸距離短、布線不方便且維護(hù)量大，GPRS模塊無線公網(wǎng)由于智能斷路器的GPRS模塊節(jié)點(diǎn)多，通信費(fèi)用高且與主站連接造成多并發(fā)問題。
本文設(shè)計(jì)一種用于低壓配網(wǎng)負(fù)荷及漏電流監(jiān)控的通信管理機(jī)，可與分散在一定區(qū)域范圍內(nèi)的智能斷路器通過自組網(wǎng)的ZigBee模塊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，統(tǒng)一管理各個(gè)分散的智能斷路器數(shù)據(jù)，并可通過GPRS模塊無線公網(wǎng)與監(jiān)控主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能斷路器的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、分合控制以及運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置。
通信管理機(jī)擔(dān)負(fù)ZigBee數(shù)據(jù)采集、命令轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)及狀態(tài)量存儲(chǔ)等工作，其具體功能包括：定時(shí)采集并存儲(chǔ)低壓線路智能斷路器的電壓、電流、漏電流數(shù)據(jù)，并定時(shí)上傳主站；接收主站命令，向智能斷路器發(fā)遙控命令實(shí)現(xiàn)智能斷路器的參數(shù)設(shè)置、手自動(dòng)設(shè)置及開關(guān)分合控制；存儲(chǔ)告警事件并立即上傳主站。
1 通信結(jié)構(gòu)與智能斷路器
1.1 通信結(jié)構(gòu)
通信管理機(jī)通信結(jié)構(gòu)如圖1所示。與智能斷路器間為ZigBee模塊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)智能斷路器作為ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通信管理機(jī)為ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)傳輸遵循智能斷路器廠家提供的通信協(xié)議。與主站間為GPRS模塊無線公網(wǎng)，主站擁有固定的IP地址，通信管理機(jī)上電即自動(dòng)向特定IP的主站申請(qǐng)連接，待主站對(duì)連接響應(yīng)后，主站和通信管理機(jī)便建立起透明的數(shù)據(jù)連接。
圖1 通信管理機(jī)通信結(jié)構(gòu)圖
1.2 智能斷路器
智能斷路器是具有數(shù)字化接口，能接收分合閘命令并能將位置信息、狀態(tài)信息等與其它設(shè)備進(jìn)行傳輸?shù)脑O(shè)備，集保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)控于一體，具備人機(jī)對(duì)話顯示、存儲(chǔ)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(wǎng)的通信型剩余電流斷路器，可運(yùn)行在手動(dòng)或自動(dòng)控制方式下，自動(dòng)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(dòng)跳閘，并在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)位最后一位表示自動(dòng)跳閘原因，手動(dòng)控制方式下不跳閘；其主要外設(shè)包括低壓線路的輸入口和輸出口、狀態(tài)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(shù)據(jù)、讀參數(shù)、設(shè)置參數(shù)、智能斷路器分合閘及設(shè)置手自動(dòng)運(yùn)行方式。智能斷路器通過RS-485接口外擴(kuò)ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)與通信管理機(jī)的ZigBee無線通信，外擴(kuò)的ZigBee模塊包括RS-485接口、RS-485轉(zhuǎn)UART芯片。ZigBee模塊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信具有自組網(wǎng)、低功耗和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，方便通信管理機(jī)對(duì)智能斷路器進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢及控制。
表1 智能斷路器主要功能
2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
通信管理機(jī)與智能斷路器數(shù)據(jù)傳輸遵循智能斷路器廠家提供的通信協(xié)議(具體參見標(biāo)準(zhǔn)DL/T 645-2007)，下稱“終端規(guī)約”。主要介紹通信管理機(jī)與主站的通信協(xié)議，下稱“主站協(xié)議”。
通信管理機(jī)與主站數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則采用應(yīng)答方式，主站主動(dòng)召喚數(shù)據(jù)或者通信管理機(jī)在正常工作狀態(tài)下每隔N 分鐘(時(shí)間間隔可設(shè)置)主動(dòng)上報(bào)一次數(shù)據(jù)，當(dāng)產(chǎn)生告警信息時(shí)，通信管理機(jī)即時(shí)上報(bào)告警事件。
每幀由幀起始符、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、地址域、數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)域、數(shù)據(jù)單元域、校驗(yàn)域等組成，如表2所示。
表2 主站協(xié)議通信幀格式
數(shù)據(jù)傳送，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。起始符值為68H，標(biāo)識(shí)一幀數(shù)據(jù)的開始；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為原始數(shù)據(jù)除開始碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、校驗(yàn)和及結(jié)束碼外的所有數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；地址域?yàn)橥ㄐ殴芾頇C(jī)地址，數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)為傳輸數(shù)據(jù)的類型；數(shù)據(jù)單元為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；校驗(yàn)和為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度開始到校驗(yàn)和之前所有字節(jié)的累加和，不計(jì)溢出位；結(jié)束符為16H，標(biāo)識(shí)一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。對(duì)啟動(dòng)站發(fā)送的無需數(shù)據(jù)返回的命令，從動(dòng)站校驗(yàn)通過后一律返回接收正確命令，即系統(tǒng)應(yīng)答報(bào)文。對(duì)SOE事件的確認(rèn)必須加上當(dāng)前上報(bào)的事件計(jì)數(shù)器。主站協(xié)議部分?jǐn)?shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)如表3所示。
表3 主站協(xié)議部分?jǐn)?shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)
3 硬件設(shè)計(jì)、
3.1 系統(tǒng)部分
系統(tǒng)部分主要包括中央處理器、存儲(chǔ)系統(tǒng)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(yè)級(jí)RCM6710模塊，工作頻率可達(dá)162.5 MHz。相對(duì)于C51、DSP芯片，該模塊具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、串口多、外設(shè)豐富、抗干擾能力強(qiáng)及較高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，滿足配電網(wǎng)通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器要求。
RCM6710模塊擁有一個(gè)USB接口、一個(gè)以太網(wǎng)口及6個(gè)高速UART接口。主要硬件資源及外設(shè)如圖2所示。6個(gè)高速UART接口的設(shè)計(jì)分別為：串口A通過SP3232芯片提供RS-232通信接口，作為調(diào)試及程序下載口；串口B和D不作開發(fā)；串口C接ZigBee模塊，實(shí)現(xiàn)與智能斷路器通信；串口E與中興ME3000GPRS模塊模塊連接，實(shí)現(xiàn)與主站間的數(shù)據(jù)交換；串口F通過RSM3485CT芯片提供隔離RS-485通信接口，作為預(yù)留。預(yù)留接口是考慮到系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的通用性及可擴(kuò)展性，調(diào)試成功后可用于其它項(xiàng)目。該模塊外設(shè)的串口狀態(tài)指示燈顯示各串口是否處于工作狀態(tài)，板載實(shí)時(shí)時(shí)鐘確保上傳數(shù)據(jù)附帶精確時(shí)間。
圖2 通信管理機(jī)硬件框圖
3.1.2 存儲(chǔ)系統(tǒng)
存儲(chǔ)系統(tǒng)包括芯片內(nèi)置存儲(chǔ)器SRAM和板載存儲(chǔ)器。內(nèi)置的SRAM空間1 MB，用于程序運(yùn)行；模塊板載1 MB Serial Flash和4 MB Serial Flash，分別作為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的內(nèi)容包括：通信管理機(jī)地址、IP和主動(dòng)上傳時(shí)間間隔及智能斷路器的歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)置參數(shù)等。所存儲(chǔ)的設(shè)置參數(shù)控制著通信管理機(jī)的運(yùn)行，通信管理機(jī)啟動(dòng)時(shí)，將設(shè)置參數(shù)加載到RAM中進(jìn)行參數(shù)配置，一旦主站對(duì)參數(shù)進(jìn)行更改，參數(shù)區(qū)數(shù)據(jù)立即進(jìn)行更新并保存其最新狀態(tài)到Flash中。主站查詢智能斷路器的數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)只需訪問通信管理機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)，無需再下發(fā)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(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，RCM6710的GPRS模塊_RST和GPRS模塊_IGT分別實(shí)現(xiàn)中興ME3000模塊的復(fù)位和上下電，其中GPRS模塊_IGT引腳低電平持續(xù)時(shí)間超過1 500 ms時(shí)模塊開啟，低電平持續(xù)時(shí)間超過2 s時(shí)模塊關(guān)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(biāo)準(zhǔn)AT命令進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳送，支持內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，用戶可以直接進(jìn)行透明的數(shù)據(jù)傳輸，不用再考慮復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
圖3 中興ME3000模塊硬件原理圖
4 程序設(shè)計(jì)
通信管理機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能包括ZigBee數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、規(guī)約轉(zhuǎn)換、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋虼瞬捎媚芴幚矶嗳蝿?wù)的μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。設(shè)計(jì)時(shí)，按照功能劃分任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求確定任務(wù)優(yōu)先級(jí)，還要按照每個(gè)任務(wù)所處理的數(shù)據(jù)量的大小，給每個(gè)任務(wù)分配大小合適的堆棧。
按功能將任務(wù)劃分為定時(shí)管理、GPRS模塊通信、數(shù)據(jù)解析和ZigBee通信任務(wù)。任務(wù)創(chuàng)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(shí)管理任務(wù)是最需保證準(zhǔn)時(shí)運(yùn)行的任務(wù)，所以優(yōu)先級(jí)最高。其次為GPRS模塊通信任務(wù)、數(shù)據(jù)解析任務(wù)，最后為ZigBee通信任務(wù)。當(dāng)多個(gè)任務(wù)同時(shí)要執(zhí)行時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的先運(yùn)行。
各任務(wù)分別編寫，不僅能夠提高開發(fā)效率，更有助于日后的升級(jí)維護(hù)。任務(wù)操作對(duì)象為緩沖區(qū)及全局變量，程序在RAM中開辟了8個(gè)GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)和1個(gè)GPRS模塊接收緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)順序?yàn)?span lang="EN-US">FIFO(First InFirst Out)結(jié)構(gòu)，采用環(huán)形隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)必須先申請(qǐng)一個(gè)空閑的緩沖區(qū)，故要對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行忙校驗(yàn)，申請(qǐng)緩沖區(qū)時(shí)也需要對(duì)緩沖區(qū)的大小進(jìn)行合理設(shè)定。
任務(wù)創(chuàng)建后，根據(jù)各任務(wù)要求執(zhí)行的頻率，在每個(gè)任務(wù)建立的循環(huán)中寫入延遲執(zhí)行命令：OSTimeDlyHMSM(h，m，s，ms)。各任務(wù)間的關(guān)系如圖4所示。
圖4 通信管理機(jī)任務(wù)
定時(shí)管理任務(wù)主要負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)和延遲，包括GPRS模塊重發(fā)延遲、GPRS模塊發(fā)送延遲和心跳包發(fā)送延遲功能，主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)和心跳包上傳時(shí)間間隔分別默認(rèn)為5 min和2 min。下面主要介紹數(shù)據(jù)解析任務(wù)、ZigBee通信任務(wù)和GPRS模塊通信任務(wù)。
4.1 數(shù)據(jù)解析任務(wù)
數(shù)據(jù)解析任務(wù)主要負(fù)責(zé)與主站服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交換，操作的對(duì)象為全局變量、GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)和GPRS模塊接收緩沖區(qū)，物理層按照GPRS模塊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)議層根據(jù)主站規(guī)約進(jìn)行解析和打包。如圖4所示。
數(shù)據(jù)解析任務(wù)首先對(duì)GPRS模塊接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)根據(jù)主站規(guī)約進(jìn)行解析，可分為應(yīng)答、上行和下行三類處理。應(yīng)答幀主要為主站對(duì)通信管理機(jī)主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)、心跳包和告警事件回復(fù)的確認(rèn)幀。上行部分主要為查詢數(shù)據(jù)，含通信管理機(jī)的地址、時(shí)間、定時(shí)上傳時(shí)間間隔、低壓線路的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及智能斷路器參數(shù)、開關(guān)狀態(tài)和控制方式。將上行的回復(fù)數(shù)據(jù)按主站規(guī)約處理形成回復(fù)報(bào)文存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。下行部分主要為智能斷路器的參數(shù)設(shè)置、手自動(dòng)設(shè)置及分合閘命令，更改對(duì)應(yīng)的變更標(biāo)志，即全局變量，按規(guī)約形成回復(fù)確認(rèn)幀存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。
接著處理通信管理機(jī)主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)和心跳包，主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)根據(jù)主站規(guī)約打包，定時(shí)存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。
4.2 ZigBee通信任務(wù)
ZigBee通信任務(wù)負(fù)責(zé)與智能斷路器的數(shù)據(jù)交換。通信協(xié)議為智能斷路器廠家提供的通信協(xié)議，ZigBee通信任務(wù)的操作對(duì)象為全局變量、ZigBee模塊數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)和ZigBee模塊數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，如圖4所示。
ZigBee通信任務(wù)分為下發(fā)數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)兩部分。下發(fā)數(shù)據(jù)又分為兩類：第一類為每10 s主動(dòng)下發(fā)一次的ZigBee數(shù)據(jù)采集任務(wù)；第二類為變更任務(wù)，智能斷路器無手動(dòng)模式參數(shù)設(shè)置，手動(dòng)模式數(shù)據(jù)越限不上傳告警事件，故在ZigBee通信任務(wù)設(shè)計(jì)手動(dòng)模式下的參數(shù)設(shè)置，若為手動(dòng)模式的參數(shù)設(shè)置變更標(biāo)志，則立即保存新的越限告警參數(shù)并上傳手動(dòng)模式參數(shù)設(shè)置成功告警事件，若為其它變更標(biāo)志則將變更數(shù)據(jù)按終端規(guī)約打包存入ZigBee發(fā)送緩沖區(qū)，若通信管理機(jī)重發(fā)三次變更命令幀至智能斷路器未收到確認(rèn)幀，則立即上傳變更失敗告警事件。該部分變更內(nèi)容包括自動(dòng)跳閘動(dòng)作值設(shè)置、手自動(dòng)設(shè)置和分合閘。接收數(shù)據(jù)處理流程：從ZigBee數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)接收一有效幀，根據(jù)終端規(guī)約解析，分為采集數(shù)據(jù)應(yīng)答幀和變更設(shè)置應(yīng)答幀。采集數(shù)據(jù)應(yīng)答幀中數(shù)據(jù)位的最后一位為自動(dòng)跳閘原因，首先對(duì)該位進(jìn)行判斷，若有跳閘則將帶自動(dòng)跳閘原因告警事件存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)，并把采集的其它數(shù)據(jù)位進(jìn)行存儲(chǔ)。變更設(shè)置應(yīng)答幀代表參數(shù)設(shè)置成功，將相應(yīng)的變更設(shè)置重發(fā)次數(shù)清零，并把相應(yīng)的設(shè)置成功告警幀存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。由于智能斷路器無運(yùn)行狀態(tài)查詢功能，ZigBee通信任務(wù)對(duì)設(shè)置成功告警事件進(jìn)行存儲(chǔ)，主站可以通過訪問通信管理機(jī)的存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)以得到智能斷路器的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)。
4.3 GPRS通信任務(wù)
GPRS模塊通信任務(wù)主要為GPRS模塊的登陸和退出連接。首先判斷是否因?yàn)橥ㄐ殴芾頇C(jī)地址或主站服務(wù)器地址及端口更改而需要重連網(wǎng)絡(luò)。如果需要重連網(wǎng)絡(luò)，必須向主站發(fā)送退出登錄包后關(guān)斷連接，同時(shí)清除發(fā)送和接收緩沖區(qū)，清除GPRS模塊登錄過程中的錯(cuò)誤記錄。重連后便可進(jìn)行GPRS模塊數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。
各狀態(tài)變更的流程圖如圖5所示。在GPRS模塊通信中，將通信管理機(jī)與主站之間的連接分為四種狀態(tài)：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(wǎng)關(guān)連接正常)、GPRS模塊_SOCK(代表SOCK鏈接正常)。每一次執(zhí)行GPRS模塊通信任務(wù)時(shí)都會(huì)進(jìn)行連接狀態(tài)的判斷，當(dāng)連接狀態(tài)為GPRS模塊_SOCK才可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)。
圖5 GPRS通信狀態(tài)流程
5 結(jié)語
本文提出一種可實(shí)現(xiàn)低壓電網(wǎng)負(fù)荷及漏電流綜合管理的ZigBee模塊通信管理機(jī)設(shè)計(jì)方案，該通信管理機(jī)可與主站及多臺(tái)帶通信功能的智能斷路器組建成漏電監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控多條低壓線路，保障低壓電網(wǎng)更加安全、可靠的運(yùn)行。通信管理機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用多任務(wù)的設(shè)計(jì)思路，提高開發(fā)效率，也有助于日后的升級(jí)維護(hù)。本文所設(shè)計(jì)的ZigBee模塊通信管理機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過數(shù)月的運(yùn)行，通信穩(wěn)定，數(shù)據(jù)及命令轉(zhuǎn)發(fā)準(zhǔn)確，具有很高的可靠性。