變電站智能電子設(shè)備通信和人機(jī)交互設(shè)計(jì)

２００８年６月河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第３期變電站智能電子設(shè)備通信和人機(jī)交互設(shè)計(jì)顏哲（天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院．天津３００１６０）摘要：目前．中國(guó)國(guó)內(nèi)電網(wǎng)以大機(jī)組。超高壓輸電和自動(dòng)化為主要特征．運(yùn)行狀況非常復(fù)雜。發(fā)生事故時(shí)必須掌握實(shí)時(shí)信息，才能及時(shí)決策處理．變電站作為電網(wǎng)的重要節(jié)點(diǎn)，要提供實(shí)時(shí)的通訊信息作為進(jìn)行分析的基礎(chǔ)．在變電站中，各類自動(dòng)化及繼電保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸也是進(jìn)行事故分析和調(diào)度的前提．這就對(duì)變電站的通信網(wǎng)絡(luò)提出了很高的要求．內(nèi)部的通信中最重要的是使用新的、高性能的通信網(wǎng)絡(luò)以滿足不斷增長(zhǎng)的技術(shù)需求．以太網(wǎng)應(yīng)用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的過(guò)程總線和廠站總線已經(jīng)成為新一代變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)．提出的包括以太網(wǎng)等多種通訊接口的通訊系統(tǒng)，能夠更加滿足變電站對(duì)實(shí)時(shí)性的要求．關(guān)鍵詞：變電站自動(dòng)化；實(shí)時(shí)；操作系統(tǒng)中圖分類號(hào)：ＴＰ２７３文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：１６７３－１４９２（２００８）０３－００６２—０３１變電站的自動(dòng)化發(fā)展變電站是整個(gè)電網(wǎng)中重要的一部分，擔(dān)負(fù)著電能傳輸、分配、控制和管理的任務(wù)．變電站繼電保護(hù)、監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)是保證上述任務(wù)完成的基礎(chǔ)．隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，不斷提高的用電量給變電站帶來(lái)很多問(wèn)題，例如輸配電容量增加需要變電站擴(kuò)容或技術(shù)改造，需要重新考慮安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行．解決這些問(wèn)題就要提高變電站自動(dòng)化水平［１］．變電站自動(dòng)化的研究工作始于７０年代，變電站以綜合自動(dòng)化為目標(biāo)全面發(fā)展，提高了變電站的技術(shù)水平，以及運(yùn)行的可靠性和管理水平．變電站綜合自動(dòng)化自２０世紀(jì)９０年代以來(lái)一直是中國(guó)電力行業(yè)中的熱點(diǎn)之一．每年變電站的數(shù)量以３％～５％的速度增長(zhǎng)，也就是每年都有千百座新建電站投人電網(wǎng)運(yùn)行．同時(shí)根據(jù)電網(wǎng)的要求，每年又有不少變電站進(jìn)行技術(shù)改造，以提高自動(dòng)化水平．微機(jī)保護(hù)的廣泛應(yīng)用，使變電站自動(dòng)化取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展‘引．當(dāng)前綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)是各現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出單元部件分別安裝在中低壓開關(guān)柜或高壓一次設(shè)備附近，現(xiàn)場(chǎng)單元部件可以是保護(hù)和監(jiān)控功能的二合一裝置，用以處理各開關(guān)單元的繼電保護(hù)和監(jiān)控功能，亦可以是現(xiàn)場(chǎng)的微機(jī)保護(hù)和監(jiān)控部件分別保持其獨(dú)立性．在變電站控制室內(nèi)設(shè)置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對(duì)各現(xiàn)場(chǎng)單元部件進(jìn)行通信聯(lián)系進(jìn)行監(jiān)控．因此，綜合自動(dòng)化的核心是自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，而綜合自動(dòng)化的紐帶是監(jiān)控系統(tǒng)的局域通信網(wǎng)絡(luò)，它把微機(jī)保護(hù)、微機(jī)自動(dòng)裝置、微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)功能綜合在一起，形成一個(gè)具有遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)傳輸功能的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)．變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中常用的串行通信接口ＲＳ４８５雖有接口標(biāo)準(zhǔn)化范化和多數(shù)智能單元接口方便的優(yōu)點(diǎn)，但不足之處是通信有效距離短，而ＲＳ４８５總線為主從結(jié)構(gòu)，主接點(diǎn)工作繁忙時(shí)，影響系統(tǒng)性能和可靠性．目前國(guó)內(nèi)推出的系統(tǒng)廣泛采用的現(xiàn)場(chǎng)總線型通信方式，如ＣＡＮ及ＬｏｎＷｏｒｋｓ，相比較可靠性更高，速度更快．現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)是一種多點(diǎn)共享的廣播通信信道網(wǎng)，較點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信信道網(wǎng)星形網(wǎng)為優(yōu)，各結(jié)點(diǎn)連在一條總線上亦可采用冗余總線，不象星形網(wǎng)二結(jié)點(diǎn)間通信需通過(guò)中心結(jié)點(diǎn)．現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)還可以設(shè)置信息傳輸優(yōu)先級(jí)，安排信息傳輸?shù)南群?，這與變電站各類信息有不同傳輸響應(yīng)時(shí)間的要求是相適應(yīng)的．２硬件環(huán)境本文研究的微機(jī)保護(hù)測(cè)控綜合裝置同時(shí)具有保護(hù)和監(jiān)控的功能，它一般安裝在中低壓開關(guān)柜或高壓一次設(shè)備附近．保護(hù)的基本功能為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的繼來(lái)稿日期：２００８?０４—１７作者簡(jiǎn)介：顏哲（１９８５一）．男，湖南株州人。天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院．?６２?萬(wàn)方數(shù)據(jù)２００８年６月顏哲：變電站智能電子設(shè)備通信和人機(jī)交互設(shè)計(jì)第３期電保護(hù)配置完成保護(hù)功能，接收與執(zhí)行上位機(jī)下發(fā)的保護(hù)定值修改，自檢功能，發(fā)送保護(hù)裝置的工作信息．監(jiān)控的基本功能為測(cè)量采集及計(jì)算，電能脈沖采集及累計(jì)，對(duì)關(guān)鍵芯片的定時(shí)自檢，與保護(hù)單元的通信，當(dāng)?shù)仫@示．同時(shí)，裝置還要把保護(hù)和監(jiān)控的大量的數(shù)據(jù)如電流，電壓以及保護(hù)信息通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)服務(wù)器．?dāng)?shù)據(jù)服務(wù)器與其他的監(jiān)控子站，調(diào)度化工作站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連結(jié)，彼此交換數(shù)據(jù)，最終數(shù)據(jù)全部匯總到電網(wǎng)信息處理中心，進(jìn)行全局的監(jiān)控．本裝置在設(shè)計(jì)上功能較多，對(duì)于傳統(tǒng)的由單一ＣＰ【廠構(gòu)成的硬件系統(tǒng)，就顯得負(fù)擔(dān)過(guò)重．隨著ＣＰ【廠價(jià)格的大幅降低及性能的提高，目前功能較強(qiáng)的微機(jī)綜合保護(hù)裝置大多采用了多ＣＰＵ的硬件結(jié)構(gòu)．如ＡＢＢ公司的ＲＥＦ５４２智能型控制保護(hù)單元，采用４片分別負(fù)責(zé)控制、采樣計(jì)算、傳感器接入和通信．當(dāng)然，對(duì)于多ＣＰＵ結(jié)構(gòu)的保護(hù)裝置，要協(xié)調(diào)好各模塊之間的工作才能使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行．另外，使各模塊之間的數(shù)據(jù)能夠簡(jiǎn)單快速地傳遞也非常關(guān)鍵．因此，針對(duì)裝置各自的功能特點(diǎn)，選擇合理的硬件結(jié)構(gòu)和調(diào)試軟件，才能加快研發(fā)過(guò)程．本文結(jié)合綜合保護(hù)裝置的功能，采用了這種設(shè)計(jì)思路，由三個(gè)ＡＲＭ微處理器分別承擔(dān)保護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)模擬量的采集與濾波、控制邏輯運(yùn)算、與上位機(jī)通信、人機(jī)交互、數(shù)字量開入開出等功能［３］．根據(jù)所完成的功能不同，本微機(jī)保護(hù)裝置在整體結(jié)構(gòu)上分為保護(hù)和監(jiān)控模塊、人機(jī)交互模塊、通信模塊、開入模塊、出口繼電器模塊、交流電量轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊．每一個(gè)模塊都是單獨(dú)的插件，各插件通過(guò)母板實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)系，模塊的配置更靈活，擴(kuò)展新功能和新資源更方便，升級(jí)更容易，實(shí)現(xiàn)了真正的模塊化設(shè)計(jì)．（見圖１）各個(gè)模塊主要結(jié)構(gòu)如下：１）保護(hù)和監(jiān)控模塊：包括保護(hù)和監(jiān)控ＣＰ隊(duì)存儲(chǔ)器、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換電路等；２）人機(jī)交互模塊：包括故障指示燈、液晶和鍵盤控制等電路；３）通信模塊：包括ＲＳ４８５、雙ＣＡＮ現(xiàn)場(chǎng)總線接口、雙嵌入式以太網(wǎng)接口等對(duì)外通信接口；’４）交流電量轉(zhuǎn)換模塊：包括ＴＷＴＡ及其濾波電路等ｌ５）開入模塊：包括開關(guān)位置、刀閘位置等數(shù)字量的輸入；６）出口繼電器模塊：包括跳合閘出口和信號(hào)輸出等數(shù)字量的輸出；７）電源模塊：輸出整個(gè)系統(tǒng)所需要的各種電源．雙Ｃ＾增日絡(luò)圍１微機(jī)綜合保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)圖３功能模塊介紹３．１人機(jī)交互部分裝置的人機(jī)交互部分是直接面對(duì)用戶的部分，是溝通用戶和裝置之間的橋梁．需要遵循一致性原則、提供信息反饋以及界面操作便捷等原則．本裝置采用表單式產(chǎn)品界面設(shè)計(jì)模式，微機(jī)保護(hù)裝置的人機(jī)交互模塊提供如下功能：１）液晶顯示定時(shí)顯示檢測(cè)到的電量信息顯示報(bào)警信息和保護(hù)動(dòng)作信息：顯示各種菜單選項(xiàng)，包括保護(hù)配置、保護(hù)定值、歷史記錄；２）鍵盤操作響應(yīng)用戶菜單項(xiàng)選擇設(shè)定參數(shù)修改保護(hù)定值；３）指示燈指示電源、保護(hù)動(dòng)作、告警等狀態(tài)變位信息．３．２通信部分裝置通信配備了對(duì)外通信的多種接口：ＲＳ４８５總線接口、雙ＣＡＮ現(xiàn)場(chǎng)總線接口以及雙嵌入式以太網(wǎng)接口，足以滿足與站內(nèi)智能設(shè)備（ＪＥＤ）以及站控層的通信要求．ＲＳ４８５是現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用最廣泛的總線接口，其具有接口標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和多數(shù)智能單元接口方便的優(yōu)點(diǎn)．ＬＰＣ２２９２包含２個(gè)ＣＡＮ控制器．單個(gè)總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)１Ｍｂ／ｓ，３２位寄存器和ＲＡＭ訪問(wèn)兼容ＣＡＮ２．０Ｂ，ＩＳ０１１８９８－ｌ規(guī)范．全局驗(yàn)?６３?萬(wàn)方數(shù)據(jù)２００８年６月河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第３期收濾波器可以識(shí)別所有的１１位和２９位Ｒｘ標(biāo)識(shí)符，驗(yàn)收濾波器為選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符提供了Ｆｕｌｌ—ＣＡＮ－ｓｔｙｌｅ自動(dòng)接收．控制器根據(jù)規(guī)范來(lái)對(duì)發(fā)送和接收錯(cuò)誤進(jìn)行計(jì)數(shù)、處理．當(dāng)ＣＡＮ控制器的接收端已接收到一個(gè)完整的標(biāo)識(shí)符，它將通知驗(yàn)收濾波器．驗(yàn)收濾波器響應(yīng)這個(gè)信號(hào)，并讀出控制器編號(hào)、標(biāo)識(shí)符尺寸，以及來(lái)自控制器本身的標(biāo)識(shí)符．然后，驗(yàn)收濾波器搜索ＲＡＭ中的表格，以決定接收或放棄這一幀信息．總的來(lái)說(shuō)具有系統(tǒng)通信速度快抗干擾能力強(qiáng)組態(tài)靈活等優(yōu)點(diǎn)．通信模塊采用兩片８２Ｃ２５０和光耦隔離芯片孔Ｐ１１４Ａ，就在硬件上實(shí)現(xiàn)了兩路ＣＡＮ現(xiàn)場(chǎng)總線的擴(kuò)展．３．３其它模塊介紹本微機(jī)保護(hù)監(jiān)控綜合裝置采用分散式的結(jié)構(gòu)形式，除上述人機(jī)交互和通信，還有其他功能模塊保護(hù)和監(jiān)控模塊、開入模塊、出口繼電器模塊、交流電量轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊．保護(hù)和監(jiān)控模塊主要實(shí)現(xiàn)以下功能：處理ＡＤ采樣、微機(jī)保護(hù)和測(cè)量算法、接收開入模塊的各種輸入信號(hào)、向出口繼電器模塊發(fā)出保護(hù)命令以及和人機(jī)交互模塊通信．保護(hù)和監(jiān)控ＣＰＵ均采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司生產(chǎn)的芯片，它與ＬＰＣ２２９２的區(qū)別就是減少了兩路ＣＡＮ控制器，其他功能大體相似．采樣電路采用ＭＡＸｌ２５芯片，其多路復(fù)用技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)雙４路同步采樣．保護(hù)ＣＰＵ、測(cè)量ＣＰＵ和人機(jī)交互之ＣＰＵ間通過(guò)４８５總線通信，接收靈敏度高，抗干擾性能好．出口繼電器模塊接收主機(jī)模塊的命令，實(shí)現(xiàn)跳合閘功能和信號(hào)出口．由跳合閘繼電器回路、中間繼電器回路與信號(hào)繼電器回路構(gòu)成．開入模塊負(fù)責(zé)輸人變電站中的斷路器狀態(tài)、小車位置、刀閘狀態(tài)以及其他的開關(guān)量狀態(tài)或者位置．開關(guān)量的輸入回路采用電阻降壓和光禍隔離的方法實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換．交流電量轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)１１Ｖ和?。翆⒆冸娬径蝹?cè)輸人的交流電流和交流電壓轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)．Ｔｙ和ＴＡ還可以將微機(jī)系統(tǒng)與外界在電氣上隔離，從而抑制干擾，保證微機(jī)裝置安全可靠工作．４結(jié)論基于現(xiàn)代電網(wǎng)需要變電站可靠實(shí)時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，本文所研究的系統(tǒng)選用了高３２性能的位ＡＲＭ微處理器，相對(duì)其他微處理器具有更高的主頻和更豐富的外設(shè)資源．在裝置內(nèi)部，采用工業(yè)ＲＳ４８５總線接口與保護(hù)和監(jiān)控模塊交換數(shù)據(jù)．在對(duì)外通信上，配備了ＲＳ－４８５總線接口、雙ＣＡＮ現(xiàn)場(chǎng)總線接口以及雙嵌入式以太網(wǎng)接口，足以滿足各種變電站通