0 引言
一直以來，我國低壓電網(wǎng)用電側(cè)處于無法遠程監(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(tǒng)進行分析管理。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、布線不方便且維護量大，GPRS模塊無線公網(wǎng)由于智能斷路器的GPRS模塊節(jié)點多，通信費用高且與主站連接造成多并發(fā)問題。
本文設計一種用于低壓配網(wǎng)負荷及漏電流監(jiān)控的通信管理機，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)絡進行數(shù)據(jù)通信，統(tǒng)一管理各個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)控主站進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)對智能斷路器的遠程監(jiān)測、分合控制以及運行參數(shù)的設置。
通信管理機擔負ZigBee數(shù)據(jù)采集、命令轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)及狀態(tài)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(shù)據(jù)，并定時上傳主站；接收主站命令，向智能斷路器發(fā)遙控命令實現(xiàn)智能斷路器的參數(shù)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(jié)構(gòu)與智能斷路器
1.1 通信結(jié)構(gòu)
通信管理機通信結(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，各個智能斷路器作為ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡節(jié)點，通信管理機為ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡的協(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(shù)據(jù)連接。
圖1 通信管理機通信結(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)信息等與其它設備進行傳輸?shù)脑O備，集保護、測量、監(jiān)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(wǎng)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(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)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(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)、設置參數(shù)、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(xiàn)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(zhuǎn)UART芯片。ZigBee模塊無線傳感器網(wǎng)絡通信具有自組網(wǎng)、低功耗和抗干擾能力強等優(yōu)點，方便通信管理機對智能斷路器進行數(shù)據(jù)查詢及控制。
表1 智能斷路器主要功能
2 通信協(xié)議設計
通信管理機與智能斷路器數(shù)據(jù)傳輸遵循智能斷路器廠家提供的通信協(xié)議(具體參見標準DL/T 645-2007)，下稱“終端規(guī)約”。主要介紹通信管理機與主站的通信協(xié)議，下稱“主站協(xié)議”。
通信管理機與主站數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則采用應答方式，主站主動召喚數(shù)據(jù)或者通信管理機在正常工作狀態(tài)下每隔N 分鐘(時間間隔可設置)主動上報一次數(shù)據(jù)，當產(chǎn)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(shù)據(jù)長度、地址域、數(shù)據(jù)單元標識域、數(shù)據(jù)單元域、校驗域等組成，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，標識一幀數(shù)據(jù)的開始；數(shù)據(jù)長度為原始數(shù)據(jù)除開始碼、數(shù)據(jù)長度、校驗和及結(jié)束碼外的所有數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；地址域為通信管理機地址，數(shù)據(jù)單元標識為傳輸數(shù)據(jù)的類型；數(shù)據(jù)單元為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；校驗和為數(shù)據(jù)長度開始到校驗和之前所有字節(jié)的累加和，不計溢出位；結(jié)束符為16H，標識一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。對啟動站發(fā)送的無需數(shù)據(jù)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(tǒng)應答報文。對SOE事件的確認必須加上當前上報的事件計數(shù)器。主站協(xié)議部分數(shù)據(jù)單元標識如表3所示。
表3 主站協(xié)議部分數(shù)據(jù)單元標識
3 硬件設計、
3.1 系統(tǒng)部分
系統(tǒng)部分主要包括中央處理器、存儲系統(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(shù)據(jù)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(yōu)點，滿足配電網(wǎng)通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器要求。
RCM6710模塊擁有一個USB接口、一個以太網(wǎng)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(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，實現(xiàn)與智能斷路器通信；串口E與中興ME3000GPRS模塊模塊連接，實現(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，作為預留。預留接口是考慮到系統(tǒng)電路設計的通用性及可擴展性，調(diào)試成功后可用于其它項目。該模塊外設的串口狀態(tài)指示燈顯示各串口是否處于工作狀態(tài)，板載實時時鐘確保上傳數(shù)據(jù)附帶精確時間。
圖2 通信管理機硬件框圖
3.1.2 存儲系統(tǒng)
存儲系統(tǒng)包括芯片內(nèi)置存儲器SRAM和板載存儲器。內(nèi)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(shù)據(jù)存儲器，數(shù)據(jù)存儲器存儲的內(nèi)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(shù)據(jù)、實時上傳數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)和設置參數(shù)等。所存儲的設置參數(shù)控制著通信管理機的運行，通信管理機啟動時，將設置參數(shù)加載到RAM中進行參數(shù)配置，一旦主站對參數(shù)進行更改，參數(shù)區(qū)數(shù)據(jù)立即進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)、設置參數(shù)及運行狀態(tài)只需訪問通信管理機的存儲系統(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(xiàn)數(shù)據(jù)交換，RCM6710的GPRS模塊_RST和GPRS模塊_IGT分別實現(xiàn)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(xù)時間超過1 500 ms時模塊開啟，低電平持續(xù)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(shù)據(jù)傳送，支持內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，用戶可以直接進行透明的數(shù)據(jù)傳輸，不用再考慮復雜的網(wǎng)絡協(xié)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(xiàn)的功能包括ZigBee數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、規(guī)約轉(zhuǎn)換、參數(shù)設置和數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋虼瞬捎媚芴幚矶嗳蝿盏摩?span lang="EN-US">C/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。設計時，按照功能劃分任務，并根據(jù)任務的實時性要求確定任務優(yōu)先級，還要按照每個任務所處理的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)解析和ZigBee通信任務。任務創(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()；定時管理任務是最需保證準時運行的任務，所以優(yōu)先級最高。其次為GPRS模塊通信任務、數(shù)據(jù)解析任務，最后為ZigBee通信任務。當多個任務同時要執(zhí)行時，優(yōu)先級高的先運行。
各任務分別編寫，不僅能夠提高開發(fā)效率，更有助于日后的升級維護。任務操作對象為緩沖區(qū)及全局變量，程序在RAM中開辟了8個GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)和1個GPRS模塊接收緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)順序為FIFO(First InFirst Out)結(jié)構(gòu)，采用環(huán)形隊列實現(xiàn)。數(shù)據(jù)發(fā)送時必須先申請一個空閑的緩沖區(qū)，故要對緩沖區(qū)進行忙校驗，申請緩沖區(qū)時也需要對緩沖區(qū)的大小進行合理設定。
任務創(chuàng)建后，根據(jù)各任務要求執(zhí)行的頻率，在每個任務建立的循環(huán)中寫入延遲執(zhí)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(fā)延遲、GPRS模塊發(fā)送延遲和心跳包發(fā)送延遲功能，主動上傳數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)解析任務、ZigBee通信任務和GPRS模塊通信任務。
4.1 數(shù)據(jù)解析任務
數(shù)據(jù)解析任務主要負責與主站服務器間的數(shù)據(jù)交換，操作的對象為全局變量、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)議進行數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)議層根據(jù)主站規(guī)約進行解析和打包。如圖4所示。
數(shù)據(jù)解析任務首先對GPRS模塊接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)根據(jù)主站規(guī)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(shù)據(jù)、心跳包和告警事件回復的確認幀。上行部分主要為查詢數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)以及智能斷路器參數(shù)、開關狀態(tài)和控制方式。將上行的回復數(shù)據(jù)按主站規(guī)約處理形成回復報文存入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(guī)約形成回復確認幀存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。
接著處理通信管理機主動上傳數(shù)據(jù)和心跳包，主動上傳數(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，定時存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。
4.2 ZigBee通信任務
ZigBee通信任務負責與智能斷路器的數(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通信任務的操作對象為全局變量、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主動下發(fā)一次的ZigBee數(shù)據(jù)采集任務；第二類為變更任務，智能斷路器無手動模式參數(shù)設置，手動模式數(shù)據(jù)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(shù)設置，若為手動模式的參數(shù)設置變更標志，則立即保存新的越限告警參數(shù)并上傳手動模式參數(shù)設置成功告警事件，若為其它變更標志則將變更數(shù)據(jù)按終端規(guī)約打包存入ZigBee發(fā)送緩沖區(qū)，若通信管理機重發(fā)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(nèi)容包括自動跳閘動作值設置、手自動設置和分合閘。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)應答幀和變更設置應答幀。采集數(shù)據(jù)應答幀中數(shù)據(jù)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(fā)送緩沖區(qū)，并把采集的其它數(shù)據(jù)位進行存儲。變更設置應答幀代表參數(shù)設置成功，將相應的變更設置重發(fā)次數(shù)清零，并把相應的設置成功告警幀存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。由于智能斷路器無運行狀態(tài)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(qū)數(shù)據(jù)以得到智能斷路器的運行狀態(tài)及參數(shù)。
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(wǎng)絡。如果需要重連網(wǎng)絡，必須向主站發(fā)送退出登錄包后關斷連接，同時清除發(fā)送和接收緩沖區(qū)，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(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模塊通信任務時都會進行連接狀態(tài)的判斷，當連接狀態(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
本文提出一種可實現(xiàn)低壓電網(wǎng)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(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)控多條低壓線路，保障低壓電網(wǎng)更加安全、可靠的運行。通信管理機系統(tǒng)程序設計采用多任務的設計思路，提高開發(fā)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(xiàn)場經(jīng)過數(shù)月的運行，通信穩(wěn)定，數(shù)據(jù)及命令轉(zhuǎn)發(fā)準確，具有很高的可靠性。