基于组态软件的智能型低压开关柜设计

彭 江

（江苏正佰电气股份有限公司，江苏 苏州 215300）

0 引言

电子设备及采集、测量、信息通信技术的不断发展，特别是关键设备和关键技术取得的突破，促进了我国智能电网建设的长足进步。近年来，电力电子技术、传感器技术、通信与数据存储技术、现场总线技术及计算机网络技术等不断发展并相互融合，为电气设备的智能化提供了基础。电气设备的信息数字化正逐渐成为电力系统发展的一个重要方向，同时也实现了电力设备的网络化，从而使电力系统更加清洁、高效、安全、可靠。智能型低压开关柜作为智能电网的一个重要组成部分，在智能电网的建设中起到了关键作用。

1 智能型低压开关柜的功能

电力系统的运行包括发电、输电、变电、配电及用电等环节。目前，用户电气设备的用电绝大多数是通过低压开关柜来传输，而在开关柜中，低压开关和电气设备（如电力仪表和保护模块等）起到控制和保护作用，是低压开关柜的核心设备。智能型低压开关柜的功能应该包含检测、通信、控制保护及日常维护等，其中，检测功能用于监测重要的电量参数，如电压、电流、谐波含量、用电量、频率、有功功率、无功功率、功率因数等。通信功能则通过有线或无线方式，将相关数据传输至监控主机，实现对低压开关柜的“四遥”（遥测、遥控、遥调、遥信）操作，在现场常采用稳定性和抗干扰性高的RS485接口。控制保护功能包括过流保护、过压保护及故障接地保护等。日常维护功能包括大电流连接点温度、断路器机械寿命及触头电磨损程度等各种预警参数的系统化判断和提示。

2 智能型低压开关柜的结构

智能型低压开关柜的结构示意图如图1所示。该系统由智能电器和嵌入式平板电脑组成，其中智能电器包括智能型万能式断路器、电力仪表、接头温升测量仪、接地故障报警仪、开关量测量仪及绝缘状态测量仪。嵌入式平板电脑是面向工业控制领域的高性能触控一体机，具备坚固、防震、防潮、防尘、耐高温、多插槽和易于扩充等特点，能与工业组态软件完美融合，利用PC系统的丰富资源实现高级、复杂的人机界面。

图1 智能型低压开关柜的结构示意图

3 基于组态软件的智能型低压开关柜的设计方案

智能型低压开关柜采用组态软件进行开发和实现。组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，其为上层数据库和下层采集设备提供各种通讯接口和软件端口，能和各个厂家的设备进行通讯，同时与网络系统结合。组态软件提供了一个简洁的开发环境，不需要通过编程方式来进行系统集成。它为用户提供了友好的开发界面和简洁方便的工程实现方法，工程师只要将各模块进行组合就可快捷地实现设计目的［1］。组态软件可以极大地缩短工程师的系统集成时间，提高其工作效率，并使操作变得非常容易。特别需要注意的是，我们在使用组态软件时要遵循电力操作的习惯。

采用组态软件开发的智能型低压开关柜具备监控显示、报警、用户权限管理、数据管理、设备维护、网络通讯等功能。

3.1 监控显示

在监控主界面上以一次电气图或现场布置图的形式直观地反映整个配电网络的运行状态。组态软件使用图形、动画、曲线或文本等方式来生动地显示实时采集到的数据。监控主界面如图2所示。

图2 监控主界面

3.2 报警功能

数据过阈值的报警格式可以有多种，例如百分数。本智能型低压开关柜的报警方式包含报警框、报警数据闪烁、GSM短消息报警、邮件报警、电话报警及声光报警等，报警数据的存储方式有报警总表、顺序事件记录等。用户使用系统软件提供的检索工具进行检索查询和打印。历史报警查询画面如图3所示。

3.3 用户权限管理

在设计智能型低压开关柜时，我们需要根据系统或用户的安全规则或安全策略来考虑管理权限，如对数据类别进行操作权限的管理，或对功能类别进行功能操作的权限管理。

3.4 数据管理

数据管理主要可实现实时数据和历史数据查询，进行负荷趋势分析，定时和实时出具各类管理报表（如各种日报表、月报表和年报表），记录各种故障并分析故障原因等。设计日报表如图4所示。

图3 历史报警查询画面

图4 日报表

3.5 设备维护

实时监测设备运行参数，如触头机械寿命、设备运行时间等，当设备需要保养或检修时发出提示信息，并记录和保存所有维护信息，以便今后查询。

3.6 网络通讯

连接智能型低压开关柜的网络需考虑通信的公开性和一致性，要使整个系统具有开放性、可靠性，各设备间具有可互操作性。现场总线具备高稳定性、及时性、开放性、维护开销低以及通信介质多样等特点，能适应今后通信技术的发展需求。在智能型低压开关柜中使用现场总线进行通信，可以提高系统的稳定性和安全性，并且操作起来也方便。

智能型低压开关柜的网络通讯采用Modbus通信协议来实现，其具备标准性、开放性，且不会侵犯知识产权，全球支持Modbus协议的厂家达400多家。Modbus协议支持多种通信接口，如全双工和半双工等，可采用多种通信介质传送，如双绞线和光纤等。标准Modbus通信格式具有简洁和严谨的特点，因而在设备厂家和设备用户中广受欢迎。标准Modbus协议传输模式有ASCⅡ和RTU［2］。由于RTU模式在通讯帧中每个8位的字节包含2个4位的16进制字符，而ASCⅡ模式在通讯帧中每个8位的字节包含1个ASCⅡ码（2个16进制字符），这样在相等的传输速率下，RTU模式比ASCⅡ模式效率更高，因此我们在设计时采用RTU模式通信。RTU模式如图5所示。

图5 Modbus-RTU模式

智能型低压开关柜利用组态软件提供的OPC、ODBC等多种通讯端口或专用的电力规约接口（如IEC870-5-101／103／104规约、DL／T645电度表规约），通过标准TCP／IP协议与上级管理网联网，实现无缝链接，保证了系统的稳定性。

4 结语

通过在低压开关柜中配置智能电器，采用组态软件可以方便快捷地监测配电网络的运行参数和状态，并可对用电设备的用电量进行统计，以便维护人员明确设备状况，正确处理事故，从而减小故障的影响。智能型低压开关柜还减少了有关人员的工作量，因而具有很好的经济和社会效益。在网络越来越发达的当代，组态软件在电力系统中的应用必将越来越广泛。

［1］柏元网控信息技术（上海）有限公司.Web Access产品使用说明书［Z］

［2］陈德仙，郑登峰，俞国勇，等.基于 MODBUS协议的智能配电系统设计［J］.江苏电器，2007（4）