基于Modbus协议的可通信智能断路器设计与实现

论文摘要

电网智能化的发展对配电系统智能化的要求也进一步提高,传统的低压断路器产品已不能满足新的应用需求,新一代具有智能化、可通信能力的低压断路器成为必然选择。要提高智能化水平和具备通信能力,关键在于断路器核心控制部件可通信智能控制器和相关协议通信模块的开发和更新换代。本文主要开发用于低压塑壳断路器的可通信智能控制器和支持Modbus协议的通信模块。（1）通过分析低压塑壳断路器在国内外的研究现状和发展趋势,根据新一代智能断路器的基本设计要求,提出了一种基于Modbus协议的可通信智能断路器实现方案,给出了主要功能和性能指标,并分析了实现可通信智能断路器的关键技术,如三段保护技术、嵌入式实时操作系统技术和Modbus总线技术等。（2）根据智能控制器的基本功能和性能要求,提出了智能控制器的硬件系统总体设计方案。分别给出了各硬件组成模块设计：微处理器单元、电源模块、信号采集模块、存储扩展模块、人机接口模块和调试模块,阐述了各模块的组成原理和实现方法。智能控制器软件系统以嵌入式实时操作系统为核心,详细讨论了μC/OS-Ⅱ的移植,并论述了应用程序中数据采样、三段保护、通信等任务模块的软件设计。（3）根据Modbus通信模块的基本功能和性能要求,参照相关国家标准,阐述了Modbus通信模块的软硬件设计与实现。给出了电源转换、通信接口、地址编码和使能控制等硬件模块的电路原理图,并进行了详细分析介绍。给出了软件系统的设计实现流程,详细论述了Modbus协议栈的实现方法,并给出了设计流程图、部分代码实现及模块调试分析。（4）根据现有技术条件和设备情况,搭建了测试实验平台,对结合带可通信智能控制器的智能断路器本体,配合电动操作机构、Modbus通信模块和上位机监控软件进行了整机性能和通信测试。最后,对样机的相关测试数据进行了分析,测试表明系统运行稳定可靠,不仅实现了准确的测量与保护,而且具有遥测、遥控、遥讯、遥调的功能,达到了预期的设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.3 课题来源及意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 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
• 2.1.2 Modbus通信模块主要功能及性能
• 2.2 可通信智能断路器总体设计
• 2.2.1 系统结构
• 2.2.2 设计基本思路
• 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μC/OS-Ⅱ
• 2.3.2 ARM7处理器
• 2.3.3 电量参数计量
• 2.3.4 保护特性分析
• 2.3.5 Modbus总线技术
• 第3章 智能控制器的设计与实现
• 3.1 智能控制器硬件系统总体设计
• 3.2 硬件组成模块设计
• 3.2.1 以ARM7为核心的微处理器
• 3.2.2 电源模块
• 3.2.3 信号采集模块
• 3.2.4 存储扩展模块
• 3.2.5 人机接口模块
• 3.2.6 调试接口模块
• 3.3 智能控制器硬件抗干扰措施
• 3.4 智能控制器软件系统总体设计
• 3.5 μC/OS-Ⅱ内核分析
• 3.6 μC/OS-Ⅱ的移植
• 3.7 应用程序设计
• 3.7.1 任务划分及优先级分配
• 3.7.2 任务间通信与同步
• 3.7.3 A/D采样处理
• 3.7.4 功能保护
• 第4章 Modbus通信模块的设计与实现
• 4.1 通信模块硬件系统总体设计
• 4.2 硬件电路组成模块设计
• 4.2.1 微处理器单元
• 4.2.2 电源转换电路
• 4.2.3 通信接口电路
• 4.2.4 地址编码及使能控制电路
• 4.3 通信模块软件系统总体设计
• 4.4 嵌入式Modbus协议设计
• 4.5 串口通信初始化
• 4.6 通信模块调试
• 第5章 样机测试及结果分析
• 5.1 测试平台的构建
• 5.2 三段保护功能验证
• 5.2.1 过载长延时测试及分析
• 5.2.2 短路短延时测试及分析
• 5.2.3 短路瞬时测试及分析
• 5.3 整机通信功能测试
• 5.3.1 通信测试方法
• 5.3.2 通信测试结果及分析
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表的论文
• 附录B 攻读学位期间参加的科研项目
• 附录C 部分原理图
• 附录D 部分程序代码