戎宏娜，尹育新

(1.石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050035；2.河北省國土資源廳，河北石家莊050051)

基于DSP的變電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的研究

戎宏娜1，尹育新2

(1.石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050035；2.河北省國土資源廳，河北石家莊050051)

利用數(shù)字信號處理器(DSP)和現(xiàn)場總線(CAN)設(shè)計(jì)了變電站監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用DSP2407為系統(tǒng)微處理器，SA9904B作為電量的測量芯片，形成了底層變電站測量模塊。該模塊響應(yīng)速度快、可靠性強(qiáng)。該系統(tǒng)還可通過通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，提高了系統(tǒng)的可用性。

變電站；測控單元；DSP；SA9904B

變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠運(yùn)行是電力系統(tǒng)正常工作的保障。因此，對變電站進(jìn)行有效地監(jiān)測和控制是電網(wǎng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的快速發(fā)展，變電站的自動(dòng)化程度也日益提高。因此，利用先進(jìn)的控制技術(shù)對變電站底層測控單元進(jìn)行設(shè)計(jì)是變電站實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的主要方法。

近幾年來，數(shù)字信號處理器(DSP)技術(shù)發(fā)展迅速。DSP以運(yùn)行速度快、功耗低和集成度高在軍事、航天、自動(dòng)控制等領(lǐng)域得到了長足發(fā)展。與單片機(jī)相比，DSP采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)、高速的硬件乘法器及多級流水線使DSP具有了很強(qiáng)的處理能力[1]。本文利用DSP芯片設(shè)計(jì)了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)測量模塊，并利用現(xiàn)場總線(CAN)實(shí)現(xiàn)底層通信，改善了監(jiān)控系統(tǒng)的性能；利用公共通信網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的軟件開發(fā)了遠(yuǎn)程終端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控一體化。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變電站是電力線路的連接點(diǎn)，主要功能是對電壓和功率進(jìn)行變換，對電能進(jìn)行分配。常規(guī)變電站由一次設(shè)備和二次設(shè)備組成。一次設(shè)備是指變壓器中的主變壓器及其附屬設(shè)備，GIS設(shè)備、開關(guān)柜設(shè)備、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置、隔離開關(guān)、避雷器、零序電流互感器等；二次設(shè)備主要的作用是對一次設(shè)備起保護(hù)作用。二次設(shè)備主要有三部分，分別為綜合自動(dòng)化設(shè)備、電源系統(tǒng)和通信設(shè)備。綜合自動(dòng)化設(shè)備包括線路保護(hù)測控柜，主變壓器保護(hù)測控柜，電能計(jì)量屏，頻率電壓緊急控制裝置，電能質(zhì)量監(jiān)測柜，安防設(shè)備等。電源系統(tǒng)主要指直流電源成套裝置和交流不間斷電源(UPS)。通信設(shè)備主要是指通信網(wǎng)關(guān)等設(shè)備。

依據(jù)不同的設(shè)備，本系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，第一部分是數(shù)據(jù)采集及自動(dòng)控制層，這一部分處于變電站的間隔層，主要是利用測控設(shè)備對一次設(shè)備的模擬量和開關(guān)量進(jìn)行采集和上傳，并接受來自上層的控制命令，利用繼電保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對一次設(shè)備的分布式保護(hù)。第二部分是通信層，利用二次設(shè)備中的通信設(shè)備對各個(gè)單元的測控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行上傳，并將控制命令通過該層下達(dá)，形成自下而上的數(shù)據(jù)流和自上而下的控制流。第三部分是變電站的監(jiān)控與管理系統(tǒng)，收集全站的信息并實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫，并通過友好的人機(jī)界面和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)就地監(jiān)視和控制功能，是系統(tǒng)與運(yùn)行人員之間的接口。

第一部分采集系統(tǒng)的下位機(jī)硬件電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)采取TMS320LF2407作為核心控制器，可以充分利用DSP高性能和內(nèi)部資源豐富的優(yōu)點(diǎn)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，在變電站中，整個(gè)底層采集系統(tǒng)的核心是TMS320LF2407，變電站中的電流及電壓等信號依靠電流互感器和電壓互感器采集后，通過信號調(diào)整電路輸入至SA9904B，再由SA9904B輸送至TMS320LF2407芯片。在本設(shè)計(jì)中，電壓互感器選用PT03C-2/2，電流互感器選用CT03-5/2.5，這兩個(gè)互感器采集信號的域值范圍大于SA9904B的接收范圍，所以在電流和電壓互感器前增加信號調(diào)理電路，一方面把采集信號轉(zhuǎn)化為SA9904B芯片可以接收的范圍；另一方面信號調(diào)理電路還應(yīng)該實(shí)現(xiàn)對兩種互感器所采集信號的濾波。這些相電壓、相電流等信號，經(jīng)調(diào)理后傳送至SA9904B，經(jīng)過SA9904B芯片內(nèi)部的轉(zhuǎn)換模塊對電流和電壓進(jìn)行模/數(shù)變換和數(shù)字運(yùn)算，得到有功電能、無功電能和頻率等值，再通過SPI接口將這些電氣量值傳送至芯片TMS320LF2407，從而得到最終的測量值。

圖1 底層硬件結(jié)構(gòu)圖

變電站內(nèi)的其他信號，如溫度信號也由相應(yīng)的傳感器采集后，由DSP芯片的GPIO引腳傳輸至存儲器，系統(tǒng)的一些開關(guān)量也通過GPIO輸入。同時(shí)，上層傳送來的控制命令由GPIO口輸出至繼電器。

本變電站采取繼電保護(hù)措施，對系統(tǒng)實(shí)行過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)或差動(dòng)速斷保護(hù)。保護(hù)的依據(jù)是上層發(fā)送的控制命令。一部分控制命令是上層服務(wù)器依據(jù)數(shù)據(jù)庫中存放的數(shù)據(jù)和下層上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。如果上傳數(shù)據(jù)出了閾值范圍，則產(chǎn)生繼電器保護(hù)動(dòng)作；另一部分是保護(hù)實(shí)時(shí)性要求較高的部分，直接在DSP芯片中燒制相應(yīng)的信號判斷程序，用于實(shí)現(xiàn)即時(shí)控制。目前，用于繼電保護(hù)的DSP算法較多，其中，以快速傅里葉變換(FFT)算法應(yīng)用最為廣泛。

2 系統(tǒng)通信模塊設(shè)計(jì)

在變電站監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的通信是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，其功能主要體現(xiàn)在兩方面。一方面是完成變電站內(nèi)部各子系統(tǒng)或各功能模塊間的信息傳遞。變電站內(nèi)部設(shè)備眾多，設(shè)備之間又相互關(guān)聯(lián)，各種采集數(shù)據(jù)需要通過某種傳輸方式相互傳遞，同時(shí)這些數(shù)據(jù)還需要通過該通信方式傳送至底層監(jiān)控中心。這一部分的通信要求是數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，在本設(shè)計(jì)中，采用CAN總線形式；另一方面是完成變電站底層采集系統(tǒng)與控制中心的通信任務(wù)。為了完成遠(yuǎn)程通信，底層數(shù)據(jù)經(jīng)DSP簡單處理后，需要通過公共通信網(wǎng)絡(luò)，如因特網(wǎng)或3G、4G網(wǎng)，上傳至遠(yuǎn)程控制中心。這些信息包括采集到的測量信息、斷路器和隔離開關(guān)的狀態(tài)信息、繼電保護(hù)的動(dòng)作信息等。同時(shí)控制中心下達(dá)的各種操作和調(diào)控命令也通過相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)下傳至底層。在這一部分中，最重要的是網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，在本系統(tǒng)中，采用嵌入式系統(tǒng)擔(dān)任網(wǎng)關(guān)，底層控制中心與網(wǎng)關(guān)之間采用串口相連。

本監(jiān)控系統(tǒng)的底層通信采用基于CAN總線的分布式模塊化結(jié)構(gòu)。CAN是一種控制器局域網(wǎng)絡(luò)，作為現(xiàn)場總線的一種，具有高性能、高可靠性、易開發(fā)和低成本的優(yōu)點(diǎn)，是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，而且可以構(gòu)成多主系統(tǒng)，相應(yīng)的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，同時(shí)，CAN采用了非破壞性仲裁技術(shù)支持優(yōu)先級處理，獨(dú)特的短幀結(jié)構(gòu)可以大大提高通信速率和增強(qiáng)抗干擾能力，因此在許多工業(yè)控制場合得到了廣泛應(yīng)用[2]。底層通信管理模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CAN通信控制器的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)通信系統(tǒng)分為2個(gè)支路，一條支路是底層通信系統(tǒng)，以CAN為核心，由于TMS320LF2407芯片中內(nèi)部已集成了CAN接口芯片，輸出接口外接光電隔離電路后與CAN收發(fā)器相連，最后傳輸至CAN總線。CAN收發(fā)器選用PHILIPS公司生產(chǎn)的PCA82C250差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器用為總線接口。為了提高抗干擾性，還需在通信線路的兩端并聯(lián)相應(yīng)的匹配電阻。

另一條支路是通過RS232端口將綜合采集模塊采集到的電參量和開關(guān)狀態(tài)量上傳到遠(yuǎn)程控制中心，或者將遠(yuǎn)程控制命令下達(dá)至底層的DSP中心。為了實(shí)現(xiàn)以上功能，DSP系統(tǒng)利用RS232串行口與網(wǎng)關(guān)相連。嵌入式網(wǎng)關(guān)采用ARM芯片S3C6410。串行口將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)的作用是進(jìn)行底層通信協(xié)議和上層通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。底層采用CAN通信協(xié)議，上層采用TCP/IP協(xié)議。網(wǎng)關(guān)中采Linux操作系統(tǒng)及Socket套接字來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，具體串口連接程序(JAVA)為：

3 結(jié)論

本文利用TMS320LF2407精度高、體積小、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，采用CAN總線及嵌入式網(wǎng)關(guān)，設(shè)計(jì)了智能變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)測試證明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作方便，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地測量變電站各電氣量的變化，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]汪萍.基于DSP的變電站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2007：36-39.

[2]曲延濱，王建平.基于CAN總線和DSP的變電站監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003(12)：86-88.

Research of substation automation monitoring system based on DSP

The substation monitoring and control system was designed using digital signal processor(DSP)and field bus(CAN).The DSP2407 and SA9904B were selected as microprocessor and measurement chip for system.So the underlying substation measurement module was formed.This module has fast response speed and good reliability. The system can realize remote control function through the communication system and improve the usability of the system.

substation;measurement and control unit;DSP;SA9904B

TM 41

A

1002-087 X(2016)04-0910-02

2015-09-16

戎宏娜(1980—)，女，河北省人，講師，主要研究方向?yàn)殡娮有畔⑴c計(jì)算機(jī)軟件。