（电子科学与技术专业论文）基于modbus协议的可通信智能断路器设计与实现.pdf

a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n to fp o w e rg r i d f u n h e re n h a n c e dt h ei n t e l l i g e n c e r e q u i r e m e n t so fp o w e rs u p p l ys y s t e m ，t h et r a d i t i o n a l1 0 w 。v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r sc a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fn e wa p p l i c a t i o n s ， n e wg e n e r a t i o ni n t e l l i g e n t a n d c o m m u n i c a t i v el o w _ v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r sb e c o m et h ei n e v i t a b l ec h o i c e t bi m p r o v e t h e i n t e l l i g e n c e l e v e la n d h a v et h ec o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t i e s ， t h ek e yi st o d e v e l o p m e n ta n du p g r a d i n gt h e c o r ec o n t r o lu n i ti n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ra n dr e l a t e d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lm o d u l e s t h i sp a p e rm a i n l yd e v e l o p e di n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r s f o rl o w v o l t a g em o l d e dc a s ec i r c u i tb r e a k e r sa n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ss u p p o i r t m o d b u sp r o t o c 0 1 ( 1 ) b ya n a l y z i n gt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt r e n di nt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a s o f1 0 w v o l t a g em o l d e dc a s ec i r c u i t b r e 2 l k e r ，a c c o r d i n gt op r i m ed e s i g nr e q u i r e m e n t s o f an e wg e n e r a t i o ni n t e l l i g e n tc i r c u i t - b r e a k e r ，a ni m p l e m e n t a t i o n o fc o m m u n i c a t i v e i n t e l l i g e n tc i r c u i t b r e a k e rb a s e do nm o d b u sp r o t o c o li sg i v e n ，a l s o ，t h em a i nf i u n c t i o n s a n dp r o p e r t yi n d e x e sa r eg i v e n t h ep a p e ra n a l y z e dt h ek e yt e c h n i q u e sr e l a t e d ，s u c ha s t h r e e p h a s ep r o t e c t i o nt e c h n o l o g y 、 e m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e mt e c h n o l o g y a n dm o d b u s6 e l d b u st e c h n o l o g y ( 2 )a c c o r d i n g t ot h eb a s i cf u n c t i o n a la n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s o f c o m m u n i c a t i v ei n t e l l i g e n tc o n t f o u e r ，p r o p o s e d t h ed e s i g no fh a r d w a r es y s t e m r e s p e c t i v e l yg i v e nt h ed e s i g no fh a r d w a r em o d u l e ，i n c l u d i n gm i c r o p r o c e s s o r u n l t 、 p o w e rm o d u l e 、 t h e s i g n a la c q u i s i t i o n m o d u l e 、 m e m o r ye x p a n s i o nm o d u l e 、 h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c em o d u l ea n dt h ed e b u gm o d u l e ，a n dd e s c r i b e dt h ep r i n c i p l e a n dr e a l i s i n gm e t h o do fe a c hm o d u l e t h es 0 1 f t w a r ec o r eo ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ri s e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m c o s l i t h ep a p e rd i s c u s s e dm i g r a t i o n o f n c o s i i ，a p p l i c a t i o n s s o f ：t w a r e d e s i g n ， s u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n 、t h r e e 。p h a s e p r o t e c t i o n 、 c o m m u n i c a t i o n sa n do t h e rt a s k si nd e t a i l ( 3 )a c c o r d i n gt o t h eb a s i c f u n c t i o n a la n dp e r f 0 m a n c er e q u i r e m e n t s o ft h e m o d b u sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e s ，a n dr e f e rt o t h er e l e v a n tn a t i o n a ls t a n d a r d s ，t h e p a p e rd e s c r i b e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm o d b u s c o m m u n i c a t i o nm o d u l e p o w e rc o n v e r s i o n ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，a d d r e s sd e c o d i n g a n de n a b l ec o n t r o lh a r d w a r em o d u l e s c i r c u i ts c h e m a t i ca r eg i v e na n da n a l y z e di nd e t a i l d e s c r i p t i o n s o f t w a r es y s t e md e s i g ni m p l e m e n t a t i o nf l o wc h a r ta r es h o w e d ，a sw e l l a s t h ei m p l e m e n t a t i o no fm o d b u sp r o t o c o is t a c km e t h o d ，p a no ft h e c o d ei m p l e m e n t a t l o n n l 基于m o d b u s 协议的i j 通信智能断路器设计与实现 a n dd e b u g g i n go ft h em o d u l e ( 4 ) at e s t i n gp l a t f o r mw a ss e t t e du pa c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tt e c h n i c a lc o n d i t i o n a n de q u i p m e n t s p e r f o 咖a n c e sa n dc o m m u n i c a t i o nt e s t sh a v eb e e nd o n e ，c o m b i n e d w i t ht h e i n t e l l i g e n t c i r c u i t - b r e a k e r 、t h ee l e c t r i c o p e r a t i n gm e c h a n i s m 、 m o d b u s c o m n l u n i c a t i o nm o d u l ea n dp cc o n t r o ls o f t w a r e f i n a l l y ，t h er e l e v a n tt e s td a t aw e r ea n a l y z e d ，t e s t i n gs h o w st h a tt h es y s t e mi s s t a b l ea n dr e l i a b l e ，n o to n l yt oa c h i e v ea na c c u r a t em e a s u r e m e n ta n dp r o t e c t io n ，b u t a l s oh a v et h ef u n c t i o n so ft e l e m e t r y ，r e m o t ec o n t r o l ，r e m o t ec o m m u n i c a t i o n ，r e m o t e r e g u l a t i n g ，c o m p l e t e l ya c h i e v e dt h ed e s i r e dr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：c o m m u n i c a t i v ei n t e l l i g e n tc i r c u i t - b r e a k e r ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r ； e m b e d d e di t o s ；m o d b u s ；c o s i l ； i v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景 低压塑壳断路器广泛应用于低压配电系统中，工作电流一般从1 a 至1 2 0 0 a 。 它们安装在直流或交流配电柜中，起到输配电线路的接通、分断和故障保护作用， 主要用于电机保护( 电机控制中心) 、发电机保护、电容器保护和终端用户保护， 维护用电设备的安全运行i l l 。传统的低压断路器采用的是热磁式，耗能高，动作慢， 其可靠性、精确性和灵活性均难以保障。而后即使采用了电子式控制器，但仍大 量使用分立电子元件，以致电路复杂，抗干扰能力差，保护特性不理想，更谈不 上智能化和网络化。 随着国民经济的飞速发展和电力需求的增大，对供、配电质量和可靠性要求 越来越高，这就对电网的自动化管理与保护和控制水平提出了更高要求。这就要 求低压断路器除具有常规的保护与控制功能，还要具有保护的多样性和自适应性。 此外，当今的电力系统正在逐渐演变成一个具备现代化管理手段和开放性的信息 系统，随时随地交换信息的能力也是衡量电力系统先进性的一项重要指标。无论 是传统的电磁式还是电子式控制器都越来越难以满足系统可靠性、实时性、多样 性和开放性的要求。近年来数字控制技术、微电子技术、传感器技术和通信技术 得到了飞速发展和广泛应用，这就为低压配电产品的更新换代提供了技术基础， 新一代的可通信智能断路器产生。作为低压断路器核心控制部件的智能控制器采 用了微处理器技术，用数字化测控保护方式取代过去的热磁式和电子式保护装置， 实现了保护动作的数字化，保护功能的精确度和稳定性得到极大提高，并且其选 择性动作可以满足不同用户及复杂供配电系统的要求【2 1 。它除具备传统的保护功能 外，还集成电能管理的功能，能对各项电力参数进行测量，并引入现场总线技术， 通过通信模块对相关通信协议的解析可与远程监控端进行实时数据交互，实现对 现场断路器的遥测、遥控、遥讯、遥调，实现了低压输、配电系统智能化、网络 化的飞跃。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 低压断路器在国内外的研究现状 智能断路器的中枢控制部件是智能控制器，它承担断路器的故障诊断、报警、 保护、显示与动作控制等功能。早期的产品以单的过电流保护和脱扣功能为主， 通过逐步改进和发展，现在的智能控制器除基本保护功能外，还具备三相不平衡 保护、接地故障保护、剩余电流保护、逆功率保护、各电量参数测量和显示、故 基于m o d b u s 协议的可通信智能断路器设计与实现 障记录和网络通信等功能。断路器中控制器的发展大致可分为以下几个阶段：第 一阶段为6 0 年代初至7 0 年代的过电流脱扣器，其结构为拍合式电磁铁，结构简 单、精度差、误差大，保护特性单一。第二阶段为7 0 年代后期到8 0 年代更新换 代产品中的过电流脱扣器，其结构为热电磁式和半导体式，它具有基本的三段保 护和欠电压保护功能。随着半导体技术的发展和集成电路的出现，集成电路逐渐 代替了分离元件，减少了电子元件，易于布线，提高了系统的可靠性。第三阶段 为9 0 年代系列断路器中的控制器，采用了计算机、数字处理、自动控制和通信等 技术1 3 1 。其特点是保护功能较为完善，具有长延时、短延时、瞬时、接地等保护功 能，响应时间短、精确度高、保护特性可调、能现场整定，具有故障记忆功能， 便于及时分析和处理；其特征为高性能、小型化、电子化、智能化、模块化和多 功能化1 4 j 。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着信息技术、通信技术和计算机网络技术的进步和应 用领域的不断扩大，配电自动化系统得到飞速发展，对电气产品提出了可通信要 求，以实现智能化电器与中央控制设备之间的双向数据通信。这种能实现通信的 智能化电器称之为可通信电器，它将成为我国第四代低压电器pj 。 目前，我国低压断路器市场几代产品同时存在，满足不同层次的需要。从技 术发展的角度看，我国低压电器的发展趋势将是加速第三代高性能产品开发和完 善，并努力探索第四代产品一一智能化可通信电器产品开发，其重点是带现场总 线的智能化、可通信化电器。 事实上，从2 0 世纪9 0 年代中后期开始国外已经投入巨资研发新一代可通信 塑壳断路器，新一代塑壳断路器正在逐步完成对老产品的更新换代。新一代塑壳 断路器功能更加完善，性能指标极大提高，如额定运行短路分断能力与耐受电流 进一步提高，产品外形尺寸缩小，保护功能齐全，并增加电压、频率和功率的测 量，谐波和基波的计算，精确分析电网质量，能与多种现场总线连接等1 6 】。实现输、 配电系统的计算机网络化，以满足多样要求，促进电力网的智能化发展。目前国 内厂家也在积极研发以智能化、可通信为主要特征的新一代低压电器，努力提高 我国低压电器产品的竞争力。 2 低压断路器的发展趋势 根据国内外各断路器及监控装置生产厂家的新产品和研究动态来看，低压断 路器监控单元具有以下发展趋势： ( 1 ) 产品化 将智能监控单元做成相对断路器独立的通用性的产品，使其使用范围不限于 某种断路器，而且检测和维修也会相对简单。以前断路器产品的测试必须在断路 器整个设备装配完成后才能进行，而智能监控单元产品化以后，其测试可以独立 于断路器进行，这使得整个断路器的测试程序大为简化，测试时间也大为减少。 2 硕上学位论文 ( 2 ) 智能化和可通信化 智能化就是采用了微处理器技术，从而具有应用软件，这样在硬件不变的情 况下具备较大的适用性和升级能力。可通信化是在产品中加入相关的检测、判断 和通信等芯片或电路，使监控单元的各种状态和工作参数能较好地通过传输媒质 ( 如：现场总线、串口线等) 与线路上的其它电气设备交流，适应当前电气设备 智能化及网络化的趋势。就我国的实际情况而言，可通信化的具体要求可体现为 “四遥”一一遥测、遥信、遥控和遥调，这距离网络化能力还有很大的差距，但 比较符合我国科研水平和经济水平。 ( 3 ) 模块化和通用性 模块结构给产品设计、制造及市场适应能力带来了许多好处，诸如降低产品 设计、制造和新产品开发的复杂性，功能扩展与维护方便，产品的市场应变能力 强等。模块化设计的尺寸、零件等应当具有通用性，这一点无论在生产者的设计、 制造和技术继承等方面，还是在用户使用、维修方面，其作用和重要性当前都已 为多数人所认识。另外，产品高可靠性、高稳定性、操作方便与安全等方面也应 当是不断追求的目标。对我国的产品，在材料和加工工艺、产品的外观和整体布 局方面还有待进一步的提高1 7 】。 以上这些特点，一方面可以使一台断路器实现多种功能，使单一的动作特性 有可能做到一种保护功能多种动作特性，另一方面可以使断路器实现与中央控制 计算机双向通信，构成智能化的监控、保护、信息网络系统，使断路器从基本保 护功能发展到智能化、网络化的保护功能。 1 3 课题来源及意义 1 课题来源及作者承担的科研开发任务 本课题来源于浙江省重大科技专项、湖南大学与浙江天正集团合作开发项目 “基于现场总线的智能断路器技术研究与应用”【2 0 0 7 c 1 1 0 7 2 】。本项目致力于研究 并开发基于m o d b u s 、p r o 舶u s 、d e v i c e n e t 和c a n 四种现场总线的智能断路器， 主要内容包括：设计开发新型零飞弧断路器系统；研究并开发具有保护、监测、 试验、自诊断、显示等功能的智能控制器；研究并开发处理软件；设计并开发四 种总线的标准通讯接口。 本文以上述课题为支撑，根据课题任务要求，设计开发基于m o d b u s 现场总线 的可通信智能塑壳断路器，主要完成用于低压塑壳断路器的智能控制器和通信模 块的设计开发。智能控制器除具备传统的保护功能外，还集成电能管理和通信功 能。通信模块则负责完成对m o d b u s 通信协议进行解析、与远程监控端进行实时数 据交互，并构成网路，实现对现场断路器的遥测、遥控、遥讯、遥调。 3 摹于m 0 d b u s 协议的可通信智能断路器设计与实现 2 课题意义 国外电力断路器( 包括塑壳式断路器和框架式断路器) 已采用智能和数字控 制技术，并正在向多功能、模块化、智能化及可通信的方向发展。国外大公司， 如西门子、施耐德、a b b 等均投入巨资进行研发。其中西门子、施耐德等已有面 向市场的可通信智能塑壳断路器产品推出，而我国在此行业总体发展水平相对落 后i 引。目前，国内塑壳断路器产品仍以热磁式为主，和国外产品相比差距较大，高 端市场更是几乎被国外垄断。因而加快我国在低压电气行业的自主创新成为当务 之急，研制和开发基于现场总线的可通信智能断路器不仅具有重要的学术研究价 值，而且具有很好的市场应用前景，对提高我国在国际电力电器领域内技术与产 品的竞争力具有十分重要的意义。 1 4 本文主要研究内容 第1 章绪论。论述了课题的选题背景，分析了该领域当前国内外的研究现状 和发展趋势，并阐述了课题的研究意义。 第2 章可通信智能断路器总体设计及相关技术。根据可通信智能断路器的设 计基本要求和相关性能指标，给出了基于m o d b u s 协议的可通信智能断路器的总体 设计思路；分析了断路器的保护算法、p c o s i i 技术以及m o d b u s 总线技术等。 第3 章智能控制器的设计与实现。研究智能控制器的设计与实现，根据硬件 方案，给出了各模块的硬件设计原理框图及部分电路图，阐述了硬件设计中的抗 干扰方法。根据软件方案，详细论述了“c o s i i 实时系统的移植、任务分配和调 度，对三段保护、采样处理等的实现进行了分析，并给出了相应软件设计流程图。 第4 章m o d b u s 通信模块的设计与实现。研究m o d b u s 通信模块的设计与实现， 结合m o d b u s 相关标准和规范，详细分析了硬件设计原理图，并阐述了该协议的代 码实现。 第5 章样机测试及结果分析。基于构建的测试平台，对基于m o d b u s 协议的 可通信智能断路器进行了现场测试，包括三段保护验证、远程通信及监控测试等， 给出了测试结果，并对相关实验数据进行了分析。 最后，对本文的研究工作进行总结和展望。 4 硕上学位论文 第2 章可通信智能断路器总体设计及相关技术 2 1 可通信智能断路器设计基本要求 2 1 1 智能控制器主要功能及性能 本课题设计开发的基于m o d b u s 协议的可通信智能塑壳断路器，主要工作在于 智能控制器和m o d b u s 通信模块的开发。智能控制器是可通信智能断路器的控制核 心，除完成长延时保护，短路短延时保护、短路瞬时保护等基本保护功能外，还 具备多项附加保护功能和电力参数测量功能。通过与m o d b u s 通信模块配合可以实 现远程通信，具有良好的人机交互功能。智能控制器的保护动作特性要求见表2 1 。 相关性能指标应符合国家标准g b t1 4 0 4 8 1 2 0 0 1 低压开关设备和控制设备总 则、g b1 4 0 4 8 2 2 0 0 l 低压开关设备和控制设备低压断路器及其相应的国际 电工委员会i e c 6 0 9 4 7 1 9 9 5 系列标准的要求9 圳】。本设计中智能控制器主要实现如 下功能： ( 1 ) 保护控制功能 完成基本的过载长延时、短路短延时和短路瞬时故障保护并具备部分附加保 护功能，其中长延时保护具有热记忆功能，精确模拟导线的过电流热效应，更可 靠的保护电缆和设备。同时控制器具有本体脱扣器动作模拟量输出和用于控制电 动操作机构的分合闸数字输出以及电动操作机构的状态检测输入。 ( 2 ) 测量与计量功能 智能控制器能实现多种测量和显示，包括三相电流、三相相电压和线电压、 不平衡度、频率、功率因素、有功功率、无功功率、谐波分量等，以及触头磨损 程度和开关动作次数指示，满足现场监视和一般测量的要求。 ( 3 ) 故障诊断和记录功能 故障发生后，可记录故障发生的具体时间，同时把故障发生时各种数据和信 息均保存起来，以便于进行事后分析定性，尽快查出故障原因，减少线路维修时 间。当控制器发生自检故障时，发出报警信号，并能显示何种故障。 ( 4 ) 人机交互功能 现场操作人员可通过键盘和液晶显示面板把开关设备的保护整定值、功能设 置等信息输入监控单元，并且将其值存入e e p r o m 中。同时液晶显示屏能显示当 前的相关测量电量值，实现友好的人机交互功能。 ( 5 ) 通信功能 控制器具有通信接口，通过连接m o d b u s 通信模块或其它现场总线通信附件而 构成通信控制网络，能与上位机实现数据交互，具有遥测、遥信、遥控、遥调的 基于m o d b u s 协议的可通信眢能断路器设计与实现 功能。 表2 1 动作特性 注：i 调节整定电流时，瞬时脱扣电流应大于短路短延时脱扣电流，短延时脱扣电流应大于 长延时脱扣电流。如果长延时、短延时和瞬时脱扣电流整定重叠时，动作时间优先次序为： 瞬时脱扣一短延时脱扣一长延时脱扣； 2 瞬时脱扣电流的整定允许误差为：1 0 ；长延时和短延时允许误差为：1 5 。 2 1 2m o d b u s 通信模块主要功能及性能 m o d b u s 通信模块负责m o d b u s 协议解析并与并实现上位机与底层智能断路器 的通讯衔接，上位机提供友好的人机界面，可以实现各种故障报警、电力参数在 线监测、远程控制断路器通断等功能，从而快速进行故障诊断减少停电和停机时 间，使电力系统高效稳定运行。其主要技术指标为： ( 1 ) 工作电压：d c2 4 v ，网络统一供电。 ( 2 ) 最多可接节点：1 9 9 ( 理论值) 。 ( 3 ) 通信距离：最长1 2 0 0 m ；通信介质：u t p ( 屏蔽双绞线) 。 ( 4 ) 协议：m o d b u s 1 盯u ；通信速率：可调，默认为1 9 2 k b p s 。 ( 5 ) 符合标准：i e c 6 2 0 2 6 1 ：2 0 0 0 低压开关设备和控制设备一设备接口第 l 部分：总则、g b t1 9 5 8 2 1 2 0 0 8 基于m o d b u s 协议的工业自动化网络规范第 l 部分：m o d b u s 应用协议和g b t1 9 5 8 2 2 2 0 0 8 基于m o d b u s 协议的工业自动 化网络规范第2 部分：m o d b u s 协议在串行链路上的实现指南的要求1 2 1 。 2 2 可通信智能断路器总体设计 2 2 1 系统结构 为满足设计要求，体现通用化、模块化、扩展性和操作简单实用性的设计思 想，基于m o d b u s 的可通信智能断路器系统由远程监控主机、r s 4 8 5 2 3 2 转换器、 m o d b u s 通信模块和终端智能断路器本体组成。远程监控主机( 上位机) 主要负责 对系统各节点断路器整定值的远程设置，实时电力参数和现场断路器状态的显示、 管理和分析，断路器分断闭合的控制等。r s 4 8 5 2 3 2 转换器作为监控主机与m o d b u s 6 硕士学位论文 总线的接口，完成m o d b u s 总线数据电平与r s 2 3 2 接口电甲的转换。终端智能断 路器以智能电子控制器为控制核心，额定电流和保护特性可调，负责现场线路状 态的监测，并通过通信接口与m o d b u s 通信模块进行数据交互。在该系统中m o d b u s 通信模对连接上位机与终端智能断路器起到桥梁作用。其系统结构见图2 1 。该 m o d b u s 网络在无中继器的情况下允许挂接设备节点最大数为3 2 台，在本设计中， m o d b u s 通信模块的编址为1 9 9 ，因而，通过在两个或两个以上的重负载之间使用 中继器，网路的最大接入节点数可扩展至9 9 个，传输距离可延长至6 1 0 k m 。 终端电阻 端电阻 图2 1 基于m o d b u s 协议的可通信智能断路器系统结构框图 2 2 2 设计基本思路 对于新一代的智能塑壳断路器只有模块化、通用化程度高，才能最大限度的 发挥其优势，满足不同层次的用户需求，提高性价比，在不太多增加成本的基础 上，最大程度的实现其性能的升级换代。故在设计时把带通信接口的智能控制器 作为一个独立的系统，它具备与其它现场总线模块接入并组网的能力，而m o d b u s 协议的实现也由独立的通信模块完成，并作为通信附件提供。这样，在没有通信 需求的场合，无需添置通信模块，最大限度的节省了成本。在基于m o d b u s 协议的 可通信智能断路器的具体设计中需要重点考虑以下因素：大电流范围内的精确采 样；控制器的安全取电及断电自动切换；控制器保护特性的准确性、可靠性，电 力参数测量的实时性；通信可靠性和通信线路的抗干扰等【i3 1 。拟采取如下措施： ( 1 ) 传统塑壳断路器只采用了实心电流互感器，控制器供电和电流测量均由 其完成，在处理小电流时线性度好，但当电流过大时易饱和，从而使测量失真， 测量精度不高。本设计拟采用内置双重互感器：其中铁心互感器为电子控制器提 供可靠供电，空心互感器用于精确测量。 ( 2 ) 智能控制器既可由铁心互感器提供的自生电源供电，也可在断路器切断 线路后，由外部的d c 2 4 v 电源供电，并具备断电自动切换功能。保证现场始终处 基于m o d b u s 协议的可通信钾能断路器设计与实现 于被监控状态。 ( 3 ) 实际应用中线路中电流变化范围很大，电流变化范围从几十安培到几千 安培。因此，输入采样电流的处理区分大小通道。 ( 4 ) 采用a r m 7 系列高性能嵌入式微处理器，提高运算能力；软件上采用多 任务实时系统p c o s i i ，保证控制动作的精确性与及时响应，并实现模块化编程 和管理，便于系统的功能扩展和升级。 ( 5 ) 由于断路器一般工作在较为严酷的工作环境中，因在设计时应考虑到如 何抵御外界干扰防止误动作和通信的可靠性。 2 3 可通信智能断路器的相关技术 2 3 1 嵌入式实时操作系统p c o s i i c o s i i 是专门为嵌入式应用而设计的实时操作系统。它是一个开放源码的、 完整的、可移植、可固化、可裁剪的抢占式实时多任务内核。具有丰富的现场至 关重要的安全性认证。p c o s i i 主要用c 语言编写，只包括小部分汇编代码，可 供不同架构的微处理器使用1 1 4 】。| l c o s i i 主要特点如下： 源码公开可以自由的在网络上获得c o s i i 各版本的所有源代码，且代码清 晰易读，结构协调，注释详尽。 可移植性p c o s i i 的源码绝大部分是用移植性很强的c 语言编写，与微处理 器硬件相关汇编语言部分已经压缩至最低限度，可以在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位以及6 4 位微处理器、微控制器及d s p 上运行【l 5 1 。 可固化c o s i i 是为嵌入式应用而设计，这就意味着可以将c o s i i 嵌入 到产品中作为产品的一部分。 可裁剪可以只使用u c o s i i 中应用程序需要的系统服务。也就是说，用户可 以根据应用需求自由选择那些需要的“c o s i i 功能。 可剥夺性p c o s i i 是完全可剥夺型的实时内核，即“c o s i i 总是运行就绪 条件下优先级最高的任务。 多任务p c o s 1 i 可以管理6 4 个任务( v 2 8 0 以后是2 5 6 个) ，赋予每个任务互 不相同的优先级，故p c o s 1 i 不支持时间片轮转调度法。 稳定与可靠性2 0 0 0 年7 月，i l c 0 s i i 得到了美国联邦航空管理局对用于商 用飞机的、符合l h c ad o 1 7 8 b 标准的认证，显示了该系统的稳定性与安全性。 2 0 0 9 年9 月实时操作系统c o s i i i 正式发布。在c o s i i 的基础上， p c o s i i i 的功能得到全面扩展和提升。它支持无限数量的任务、信号量、事件标 志组和消息队列，并允许在运行时监测堆栈增长和动态配置系统内核资源；允许 多个任务运行于同一优先级，支持时间片调度法；内核关中断的时钟周期几乎为 3 硕：学位论文 零，更快响应中断。“c o s - i l i 已经不仅仅是一个r t o s 内核，它包含很多与该内 核配套的软件开发包，以板级支持包的方式，实现诸如文件系统、u s b 主机、t c p l p 协议栈等，还包括l 玎0 s 本身的调试工具等【1 6 】。 2 - 3 2a r m 7 处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 一种高性能、低功耗、廉价的3 2 位r i s c 处理器。目前常用的是a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、 a r m l l 系列、s e c u r c o r e 系列和i n t e l 的s t r o n g a r m 、x s c a l e 等系列。其中，a r m 7 是广泛使用的3 2 位嵌入式高性价比r i s c 处理器，它包括：a r m 7 t d m i 、 a r m 7 t d m l s ，a r m 7 2 0 t 和a r m 7 e j 四种类型【17 1 。 a r m 处理器有7 种不同的处理器模式：用户模式( u s e r ) 、快速中断模式( f i q ) 、 中断模式( 1 r q ) 、超级用户模式( s c v ) 、中止模式( a b o n ) 、系统模式( s y s t e m ) 和未定义模式( u n d e f i n e ) 。每一种处理器模式下均有一组与之对应的寄存器。在 所有的寄存器中，有些是在7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些 寄存器则在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。大多数应用程序运行在用 户模式下，这时某些受操作系统保护的系统资源是不能被访问的。除用户模式外 的其余6 种模式称为非用户模式，或称特权模式。其中除去用户模式和系统模式 以外的5 种又称为异常模式，常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的系 统资源等情况引。 2 3 3 电量参数计量 电量测量主要是电压和电流的直接测量，而采样后得到的电压和电流值为保 护算法和其它电能参数的计算提供原始数据。电压电流的基本测量方法有最大值 法、有效值法。通常最大值法存在较大误差，适用于精度要求不高的场合，本文 采用的是有效值法，即通过对采样离散数据的均方根计算得到。这种方法对信号 波形的依赖性较小，不易受干扰，但计算量稍有增加。其计算公式如下： 电压有效值： 电流有效值： u = ，= ( 2 1 ) ( 2 2 ) 由于断路器中的智能控制器为非专业电能质量测量装置，在本设计中对电能 参数的测试属于附加功能，精度和算法复杂度要求均不高。得到电压、电流量后， 9 基于m o d b u s 协议的可通信智能断路器设计与实现 其余的电能参数可以通过以下公式计算得出： 有功功率： p = 昙u ( n ) ( 2 3 ) 视在功率： s = u ， ( 2 4 ) 无功功率： q = s 2 一p 2 ( 2 5 ) 功率因数： c d sp = ； ( 2 6 ) 电流、电压谐波畸变率，表示为谐波电流( 电压) 真实有效值与基波电流( 电 压) 真实有效值的百分比： 7 h d ( ，) = r h d ( u ) = | | 1 1 m s = | 仉雕 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 三相电流、电压不平衡，衡量线路流过三相电流( 电压) 的差异程度【”1 ，通 常用如下的百分比表示： = 丝譬型1 0 0 ；= 毕 ( 2 9 ) 气= 丝譬型舢o ；叼= 学 ( 2 - 1 0 ) 2 3 4 保护特性分析 配电线路的故障通常为过载和短路现象。智能控制器保护特性必须与被保护 对象的热特性配合，其中必须考虑的主要问题之一是被保护对象热累积效应的模 拟。过载时，系统中负载电流增大，线路导线缓慢发热，虽不会立即影响线路和 用电设备，但断路器必须能在正常的过载范围内提供一定的延时，指示过载并提 供预报警，以便有足够的时间切断过负荷设备，或为保证重要负荷的运转而切断 次要负荷，减少经济损失。短路时，故障线路电流往往要比正常电流大几十、上 百倍，此时，断路器必须根据具体电流大小做出延时或瞬动判断，有效地切断故 障电路。因而，针对过载和短路的延时动作，智能控制器必须具备热记忆功能。 l o 硕士学位论文 热记忆功能根据导线温升模型而建立，精确模拟导线的热状态，累积连续电流脉 冲的热效应，一旦超出阀值便动作，从而可靠的保护设备和电缆。通常故障电流 时线路和设备上的热特性直接以，2 ，的形式表现出来【2 们。在反时限延时保护特性曲 线范围内被保护电器的时间电流特性符合公式“，= 常数”。刁管电流如何变化， 被保护对象最终的热积累总值应符合式( 2 1 1 ) ： n f ，2 t = k z k( 2 1 1 ) j 二一 7 l = o 通常低压配电系统的保护方式分为过载长延时、短路短延时和短路瞬时三段 电流保护方式，保护特性由“时间电流 曲线表示，见图2 2 。曲线位于直角坐 标系中，纵坐标与横坐标均对数化，纵坐标为动作时间，横坐标为过电流倍数。 s 7123 57 o 一i ， 7 | o 瑚湖 图2 2 保护特性曲线 根据电流保护整定值的不同，智能控制器具有不同的保护特性，见表2 2 ，其 中。厶卜和分别为长延时、短延时和瞬时整定电流值。 表2 2 电流整定值与保护特性关系 基于m o d b u s 协议的可通信钾能断路器设计与实现 ( 1 ) 过载长延时特性 过载是指供电线路中的电流高于额定电流的一种不正常工作状态。过载电流 不会马上危害到电网和电器设备，但是如果长期存在会加速绝缘材料老化，使其 电气性能和机械强度降低，缩短使用寿命2 。针对过载，通常采用过载反时限特 性进行保护。前文已提到，过载长延时具有斜波特性，其时间电流特性描述的数 学表达式为： 扭南t r n = 等 ( 2 - 1 2 ) 式中厶为过载长延时整定电流，“为过载长延时整定时间，厶为t 时刻电流的均方 根值，f 为动作时间，k 、口、p 均为常数，通常取k = 2 2 s ，口= 2 ，p = o 。由公式 可见长延时保护具有反时限特性，其动作时间与故障电流平方成反比。长延时动 作时间整定值，决定了过载长延时的保护范围。反时限保护的实质是热保护，动作 时间和电流平方成反比，根据测得的电流值，及设定的额定值，利用公式2 1 2 计 算得到延时时间。 ( 2 ) 短路短延时特性 短延时功能包括反时限和定时限特性，以8 厶为分界点，当短延时电流整定值 小于8 厶时，短延时特性按照反时限来执行，它的关系满足式2 1 3 。当短延时动作 电流大于8 厶时，保护特性为定时限，动作时间将按照预设值执行。 。k l s 扣斧c s d 川= 毒 ( 2 1 3 ) 式中常数k 取值为6 4 ，厶为电流整定值，l 为过电流值，f 为动作时间，幻为短延 时动作时间整定值。短路短延时的动作的时间的设定一般有0 0 6 s 、0 1 s 、0 2 s 、0 3 s 可供选择，短路短延时动作特性的选择与过载长延时相似。 ( 3 ) 短路瞬时特性 瞬动保护时采取即采即比的方法，即将每次的采样值与设定值比较，若连续 四次采样值均大于设定短路电流值，则说明出现短路故障，控制器应该立即给出 脱扣命令，否则判断为尖峰干扰，继续采样监控。短路瞬动保护主要是在短路情 况下能对突增的大电流起到及时反应，从而对设备以及线路起到保护的作用，所 以它要求快速分断2 2 1 ，但由于执行机构和其他因素的影响，国家标准上要求分断 时间小于o 2 s 。由于在某些场合不需要短路瞬时保护功能，通常增加了一个o f f 档位关闭短路瞬动功能。 2 3 5m o d b u s 总线技术 m o d b u s 是o s i 模型第7 层上的应用层报文传输协议，它在连接至不同类型总 线或网络的设备之间提供客户机服务器通信l l l j 。m o d b u s 协议由m o d i c o n 公司在 1 2 硕士学位论文 19 7 8 年发布，它起初是为该公司生产的p l c 设计的一种通信协议，现已成为应用 于电子控制器上的一种通用语言，用以实现控制底层控制单元和其它设备之间的 通信。它支持传统的r s 2 3 2 4 8 5 设备和最新发展出来的以人网设备。虽然m o d b u s 协议不是最强有力的协议，但它足够简单并且有很高的灵活性，能够应用于任何 工业场合。2 0 0 8 年四月国家标准g b t1 9 5 8 2 2 0 0 8 基于m o d b u s 协议的工业自动 化网络规范发布。这必将极大推动m o d b u s 现场总线在工业领域的广泛应用。 1 m o d b u s 总线的结构特点 m o d b u s 是一个请求应答协议，作为一种应用层报文传输协议，它用于在通过 刁 同类型的总线或网络连接的设备之间的客户机服务器通信。它可以通过各种媒 体( 有线：e i a t i a 一2 3 2 一e 、e i a 4 2 2 、e i a t i a 4 8 5 a ；光纤、无线等) 上的异步 串行传输、m o d b u sp l u s ( 一种高速令牌传递网络) 和太网上的t c p i p 实现。 m o d b u s 串行链路协议是位于o s i 模型第二层的主从协议。m o d b u s 串行协议 栈对应的7 层0 s i 模型见图2 3 。在同一时间只能将一个主站连接到总线，一个或 多个从站连接到相同串行总线。通信总是由主站发起，从站在没有收到主站的请 求时并不主动发送数据，也不与其它从站通信。在物理层，m o d b u s 串行链路系统 常用的是t i a e i a 4 8 5 两线制接口。 图2 3m o d b u s 协议和i s 0 0