陳敬鋒 范三龍 孫金華 包素麗

（南京國電南自軌道交通工程有限公司，南京 210000）

隨著電氣化鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展及生產(chǎn)自動化程度的提高，隨著以太網(wǎng)通信技術(shù)和高性能單片機的廣泛應(yīng)用，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用及數(shù)字化趨勢越來越明顯；標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議被普遍支持；高級語言的軟件開發(fā)使系統(tǒng)的性能和可靠性得到極大的提高。社會對鐵路自動化設(shè)備的要求越來越高，牽引供電的實時性、可靠性、連續(xù)性已經(jīng)成為整個社會關(guān)心的重要問題之一，另外，隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和電力監(jiān)控終端數(shù)據(jù)采集、處理能力的增強，鐵路電力用戶對供電質(zhì)量的要求越來越高，供電部門除了要對供電網(wǎng)絡(luò)故障工況時的電量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確把握以外，迫切需要在現(xiàn)有變配電站監(jiān)控系統(tǒng)和電力遠(yuǎn)動終端基礎(chǔ)上，對正常和故障運行工況下的電壓、電流量進(jìn)行高精度的實時監(jiān)測記錄，要求記錄數(shù)據(jù)的時標(biāo)基于系統(tǒng)精確時鐘且故障時刻的時間分辨率達(dá)到毫秒級。在電力監(jiān)控終端的常規(guī)設(shè)計中，受限于通信網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，測量量一般以1s的最小時間分辨率越閥值上送，在負(fù)荷平穩(wěn)階段則以20～60s的間隔循環(huán)上送，測量量數(shù)據(jù)時間分辨率低且不帶時標(biāo)。常規(guī)的電力SCADA系統(tǒng)或變電站監(jiān)控系統(tǒng)中，在主站或監(jiān)控系統(tǒng)計算機的曲線歷史數(shù)據(jù)保存過程中，由于采用固定時間分辨率，受限于數(shù)據(jù)庫的容量和處理能力，數(shù)據(jù)的保存間隔一般只能達(dá)到1min。最終記錄的歷史數(shù)據(jù)分辨率低，時間精度差，不能滿足上述的用戶新要求，本智能終端利用網(wǎng)絡(luò)和高性能單片機技術(shù)打破實時監(jiān)控系統(tǒng)中的信息流通瓶頸，從而從根本上提高系統(tǒng)的實時性。另外軟硬件設(shè)計擬采用標(biāo)準(zhǔn)化開放式思想，這樣系統(tǒng)的功能擴展和冗余備份都容易得到實現(xiàn)，并且軟件的可靠性和可移植性也將得到保證。概括起來，進(jìn)行本項目的開發(fā)，有以下三個目的[1]。

1）隨著牽引供電、城市軌道交通、電力工業(yè)自動化的發(fā)展，供電自動化方面的需求越來越高，現(xiàn)有的測控終端設(shè)備在總體結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)、測控容量等方面已不能滿足部分高級用戶的需要。

2）目前牽引供電自動化領(lǐng)域的測控終端多為傳統(tǒng)單CPU測控裝置單網(wǎng)絡(luò)通信模式，以時下流行的32位單片機MC68332ACFC20為主CPU實現(xiàn)的負(fù)荷曲線時間分辨率最高只能為20ms，且負(fù)荷曲線錄制方式單一，同時，CPU處理能力，響應(yīng)速度等已不再能滿足用戶需求。

3）目前國外技術(shù)水平上接近本智能終端預(yù)定目標(biāo)的部分產(chǎn)品已大舉涌入中國市場，國內(nèi)同行也都在進(jìn)行類似的開發(fā)工作，我們作為電力自動化的中堅企業(yè)，自然不能放棄這個前景廣闊的市場。也就是說，激烈的市場競爭使本智能終端具有緊迫性。

本方案產(chǎn)品從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計上，傾向于功能模塊獨立，便于根據(jù)需求組態(tài)的靈活運用，且模塊間耦合最大程度降低，便于擴充。同時，大大提高了裝置處理能力，為無人值班牽引變電站提供了完善的綜合自動化解決方案。

1 方案實施

該微機遠(yuǎn)動智能終端是一種多功能測控裝置，針對牽引供電系統(tǒng)和鐵路配電系統(tǒng)的電壓、電流、功率等電量的實時監(jiān)控而設(shè)計。它選用高性能MCU為通信主CPU，DSP為交流采樣CPU，具有交流采樣測量、開關(guān)量輸入、脈沖量輸入、控制輸出及網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

該微機遠(yuǎn)動智能終端由機箱、交直流輸入及采樣模件、CPU模件、DSP模件、開入模件、開出模件、開關(guān)電源模件、母板、液晶監(jiān)控面板組成。

采樣及測量數(shù)據(jù)處理硬件框圖如圖1所示。

圖1 智能終端采樣及測量數(shù)據(jù)處理框圖

其中DSP是實時負(fù)荷曲線形成的核心，由其進(jìn)行突變、越閥值、循環(huán)三種模式的數(shù)據(jù)抽樣處理及數(shù)字濾波，而 MCU主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)隊列緩存、發(fā)送及數(shù)據(jù)記錄文件本地存儲。

下面結(jié)合附圖對該智能終端從硬件組成、模件設(shè)計、軟件設(shè)計、功能實現(xiàn)等進(jìn)行描述。

1.1 硬件組成、模件設(shè)計

該智能終端整機結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 智能終端整機功能框圖

主要模件硬件設(shè)計：

1）交直流輸入及采樣模件：該模件提供18個電壓輸入和電流輸入回路，供保護和測量用，交流量經(jīng)變換后通過低通濾波、采樣保持、多路轉(zhuǎn)換送到DSP模件。智能終端采樣及測量數(shù)據(jù)處理參見圖2。裝置最多可配置 4塊交流/采樣模件，每塊模件都可根據(jù)工程需求靈活配置。

2）CPU模件（即主控CPU模塊）：主控模塊是本裝置的核心模塊，它由單片機系統(tǒng)、以太網(wǎng)部件、CAN網(wǎng)絡(luò)通信管理部件、串口通信管理部件以及終端維護部件所組成。主控模塊由 POWERPC 主CPU、128M的SDRAM、288M的FLASH、以太網(wǎng)通信接口、CAN通信接口、串口、GPS接口構(gòu)成。高性能的微處理器 CPU（POWERPC），大容量的FALSH（288Mbyte）、SDRAM（128M byte）使得該CPU具有極強的數(shù)據(jù)處理能力，可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的故障處理功能。POWERPC 主CPU是此模塊的核心，負(fù)責(zé)處理整個數(shù)據(jù)處理與控制。另外，串口通信管理部件采用雙100M以太網(wǎng)接口+雙1M的內(nèi)部專用CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，裝置內(nèi)部通信采用無破壞優(yōu)先級仲裁的 CAN-BUS網(wǎng)絡(luò)作為模塊間的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)主控模塊與各個子模塊的數(shù)據(jù)交換，完成遙測、遙信、遙控、遙調(diào)、遙脈、錄波、GPS對時等功能。CAN網(wǎng)絡(luò)采用多主方式工作，任一子模塊均可主動發(fā)起信息傳輸，以此來保證重要事件信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。本模件通過網(wǎng)絡(luò)可接入變電站自動化系統(tǒng)或遠(yuǎn)方調(diào)度系統(tǒng)；也可連接 PC機，可以借助 PC機上安裝的專用調(diào)試軟件包對裝置進(jìn)行各種遠(yuǎn)程測試、遠(yuǎn)程調(diào)試、遠(yuǎn)程升級等。

3）開入模件、開出模件：裝置可最多配置8塊開入開出模件，開入/開出模件配置可靈活選擇。開入模件為24V開入模式，每塊開入模件可接32路開入。每塊開出模件可提供 12組開關(guān)的分合（即24路開出）。

4）監(jiān)控 MMI面板：該模件由 CPU、RAM、ROM、Flash Memory、串行EEPROM和硬件時鐘構(gòu)成，負(fù)責(zé)鍵盤處理、液晶顯示、保護報文存儲及和變電站自動化系統(tǒng)的通信等，1Mbyte容量的 Flash Memory可記錄含錄波數(shù)據(jù)的故障報告及開入變位事件，這些信息在裝置直流電源消失時不丟失。

5）電源模件：提供五組穩(wěn)壓電源供裝置其他模件使用。

6）DSP模件：本模件采用DSP芯片技術(shù)，對交流模件轉(zhuǎn)換來的模擬信號進(jìn)行采樣、計算、分析、判斷。目前，一個DSP模件可最多接入4塊交流模件，可同時采集最多72路模擬量，每路模擬量每周波采集32點，5ms一次基波有效值計算，20ms一次諧波有效值計算。

7）機箱模件：采用標(biāo)準(zhǔn)6U結(jié)構(gòu)機箱。而可靈活的運用于各種場合。具有較強擴展性和靈活性。

1.2 軟件設(shè)計

1）采用無破壞優(yōu)先級仲裁的 CAN網(wǎng)絡(luò)作為內(nèi)部通信網(wǎng)[2]，采用多主非平衡方式運行，各I/O節(jié)點均可主動發(fā)起信息傳輸，以此來保證開關(guān)變位等重要信息傳輸?shù)膶崟r性。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)在接口及總線上可配置成主從熱備份方式工作以提高可靠性。利用中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)接受數(shù)據(jù)中斷、接受任務(wù)分析和發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)。當(dāng)主模塊向從模塊發(fā)送請求數(shù)據(jù)命令時，從模塊即產(chǎn)生數(shù)據(jù)中斷。進(jìn)入中服務(wù)程序后先保護現(xiàn)場，然后CPU獨處接受緩沖區(qū)的命令內(nèi)容進(jìn)行任務(wù)分析，根據(jù)任務(wù)分析的結(jié)果確定數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，并向主模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，最后回復(fù)現(xiàn)場，中斷返回。

2）內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議上進(jìn)行分層，在傳輸層提供不面向連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)以提高效率，在必要時在應(yīng)用層上對部分信息采用確認(rèn)和重傳機制以保證可靠性。

3）為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下復(fù)雜的管理并方便編程，所有節(jié)點將配備實時多任務(wù)操作系統(tǒng)軟件，所有網(wǎng)絡(luò)接口軟件將進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一編制。

4）裝置對外部可采用10M以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議通信，也提供可擴充的多串口多規(guī)約對外通信的功能。

1.3 功能實現(xiàn)

該智能終端的軟件設(shè)計采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，用于實現(xiàn)各個采集控制等任務(wù)的調(diào)度管理[3]，不僅提高了軟件的運行可靠性，也具有更好的擴展性。軟件走標(biāo)準(zhǔn)化、可重用化的道路。主要實現(xiàn)功能有：

1）越限錄波。裝置測量各回路的三相交流有效值。將有效值與用戶對各回路的定值進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到設(shè)置定值且滿足延時條件后將發(fā)生越限時刻點前后各100個點（點與點的間隔為20ms）的本回路相關(guān)的三相電壓和電流有效值數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并能以文件的方式上傳給主站系統(tǒng)，同時支持當(dāng)?shù)刈x取。越限判斷包括：過壓、欠壓、過流。各個條件分別設(shè)有兩個整定值，各個整定值均有相對應(yīng)的延時值。對于所有的整定值和延時值都支持遠(yuǎn)方或當(dāng)?shù)刈x取、修改。越限判斷功能可在當(dāng)?shù)睾驼{(diào)度進(jìn)行允許和禁止。

2）故障錄波。故障錄波功能包括手動錄波和故障錄波。手動錄波可錄正常波，故障錄波僅針對電流回路，提供過流、速斷錄波以及斜率錄波判斷功能，其中電流斜率錄波是一種1/4周波（5ms）算法，能夠反映正確動作電流。事件記錄會將觸發(fā)的時刻、事件類型、相關(guān)參數(shù)一并記錄存儲，并記錄觸發(fā)點前5周波，以及后5周波的采樣值波形記錄下來，每個周波采集32個點，以文件的方式上傳調(diào)度，錄波功能可在當(dāng)?shù)睾驼{(diào)度進(jìn)行允許和禁止。可以將開關(guān)動作、參數(shù)越限設(shè)定為觸發(fā)條件，一旦某一個條件成立，將會觸發(fā)事件記錄或波形記錄。

3）負(fù)荷曲線。負(fù)荷曲線功能用以記錄線路24h內(nèi)的電壓、電流有效值曲線。曲線的時間分辨率最高為5ms。裝置用帶時標(biāo)的遙測量描述24h負(fù)荷曲線。在負(fù)荷平穩(wěn)的時間段，每30s記錄一個采樣點，負(fù)荷變化超過額定值的 2%（閥值可設(shè)定）時，每1s記錄一個采樣點，當(dāng)檢測到電壓或電流突變時，以5ms為時間分辨率，實時記錄突變前5點，后10點的有效值。本裝置具有最高256M字節(jié)固態(tài)存儲，可以記錄最少24h的曲線數(shù)據(jù)。曲線數(shù)據(jù)可以本地保存，離線分析，也可以實時上送到監(jiān)控或調(diào)度主站，由主站形成24h曲線數(shù)據(jù)。

4）進(jìn)線核相功能。裝置具有電壓相序錯（正序/負(fù)序反）告警及兩回路電壓不同期（異相）告警功能。當(dāng)回路是電壓回路，且三相電壓有效值均大于60%Un時，若按正序（或負(fù)序）計算，卻顯示負(fù)序（或正序）的角度差，延時后報警并生成事件記錄；在兩回路均滿足上述相同的條件下，計算出兩回路任一個對應(yīng)線電壓的角度差，若角度差超過-30°～30°范圍，延時后報警并生成兩回路電壓不同期（異相）告警事件記錄。

5）配合主站進(jìn)行線路故障自動判斷。通過遙測值，判斷并發(fā)出故障信號，快速上報至調(diào)度主站，與主站配合完成線路故障自動判斷功能，為有效地進(jìn)行故障隔離提供必要條件。

6）遠(yuǎn)程及當(dāng)?shù)鼐S護。裝置提供了功能強大的維護分析系統(tǒng)軟件，安裝了該的軟件的便攜式機可以通過以太網(wǎng)接口和裝置相連，可以實現(xiàn)裝置定值、參數(shù)的修改、固化等操作、可以讀取開入狀態(tài)、實現(xiàn)開關(guān)遙控操作、讀取裝置故障和錄波報告、讀取裝置日志文件。

2 本方案的有益效果

本方案智能終端在電氣化鐵路、軌道交通及變電站綜合自動化領(lǐng)域里的綜合測控終端上進(jìn)行了大容量高性能、分布式、網(wǎng)絡(luò)型等多種創(chuàng)新，改變了傳統(tǒng)單CPU測控裝置的設(shè)計思想，真正實現(xiàn)了裝置模塊化設(shè)計、分布式、總線控制網(wǎng)絡(luò)型多CPU測控終端設(shè)計。與時下主流幾大綜自廠家的通信管理裝置相比有明顯優(yōu)點：本智能終端主控模塊采用高性能的微處理器CPU（POWERPC），大容量的FALSH（288Mbyte）、SDRAM（128Mbyte）使得該 CPU具有極強的數(shù)據(jù)處理能力，可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的故障處理功能；處理能力領(lǐng)先同類產(chǎn)品，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行；商用嵌入式操作系統(tǒng)，負(fù)荷曲線時間分辨率可達(dá)到 5ms，也更能滿足用戶對實時性的高標(biāo)準(zhǔn)需求。本方案采用了新的實時負(fù)荷曲線構(gòu)造方法，實現(xiàn)了對供電網(wǎng)絡(luò)正常和故障工況下電壓、電流的實時監(jiān)測和記錄，數(shù)據(jù)記錄時標(biāo)基于裝置時鐘，變化時刻時間分辨率達(dá)到5～20ms級，數(shù)據(jù)記錄采用動態(tài)時間分辨率，采用突變量檢測局部錄波替代傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮算法，具有計算量小、數(shù)據(jù)量小、適應(yīng)性、通用性強等優(yōu)點。所形成負(fù)荷歷史記錄數(shù)據(jù)可以本地保存，離線分析，或結(jié)合支持此功能的監(jiān)控計算機或 SCADA主站，可以實現(xiàn)負(fù)荷曲線的實時記錄，滿足用戶負(fù)荷監(jiān)視和故障分析的要求。

裝置具備良好的移植性和維護性；軟硬件模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活定制，便于工程實施及維護和升級，為無人值班牽引變電站提供了完善的綜合自動化解決方案。本方案產(chǎn)品作為公司新一代供電自動化系統(tǒng)產(chǎn)品的重要組成部分，已通過省部級鑒定，鑒定結(jié)論為：設(shè)計合理、功能齊全，整體技性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。本智能終端創(chuàng)造已經(jīng)已經(jīng)成功應(yīng)用在廣西沿海鐵路擴能改造工程站后四電集成項目中，是公司目前在牽引供電自動化系統(tǒng)中主推的產(chǎn)品，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

本智能終端硬件上選用高性能 MCU為通信主CPU，DSP為交流采樣CPU。軟件設(shè)計上創(chuàng)新采用新的負(fù)荷曲線錄制方法（該方法已申報了發(fā)明專利，并獲得受理 201110295343.1），滿足了負(fù)荷記錄實時性要求，提高了故障時刻的時間分辨率，同時降低數(shù)據(jù)傳輸和保存量，該裝置可廣泛應(yīng)用于電氣化鐵路牽引變電站及各種電壓等級電力變電站、配電所、戶外箱變、柱上開關(guān)等。已成功應(yīng)用于廣西沿海工程及渝利線等項目中，在目前牽引及地鐵項目大力發(fā)展這一背景下，本產(chǎn)品必將創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。

[1] 賈利民,張錫第,蔡秀生,等.鐵路運輸自動化——現(xiàn)狀,問題與挑戰(zhàn)[C].1994年中國控制會議論文集,1994.

[2] 鄔寬明.CAN 總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1996.

[3] 于海生,等.微型計算機控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社,1999.