鄭劍波，朱鴻博，陳 煜，朱 陽，丁虹引

（國網浙江省電力有限公司臨海市供電公司，浙江 臨海 317000）

0 引言

隨著數(shù)字化、智能化、電力自動化技術的飛速發(fā)展，遠動技術逐漸走向成熟，智能電網技術深入推進，在這一背景下，220 kV 以下的變電站基本實現(xiàn)了無人值守的運行管理模式，但這同時給變電站設備的安全平穩(wěn)可靠運行提出了更高要求。近年來，二次設備技術逐漸更新和完善，但在實際電網運行現(xiàn)場遠動機、在線監(jiān)測儀、通信管理機、規(guī)約轉換設備等易出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰、錯誤、死機、設備老化等故障缺陷，還存在根據調度需求強制硬復位的情況，而在電力系統(tǒng)行業(yè)管理規(guī)范下，傳統(tǒng)工序從調度員發(fā)現(xiàn)故障信息、工作人員制定處理方案、開票到實施現(xiàn)場作業(yè)許可整套工作流程較為繁瑣，期間耗費了大量人力物力財力，存在導致通信通道長期中斷的可能，極大地影響了電力設備的連續(xù)運轉，不利于電網安全平穩(wěn)運行。而現(xiàn)有遠程重啟裝置穩(wěn)定性較差且易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。因此，無人值守變電站設備電源遠控管理裝置的研發(fā)對電網電力設備的安全、高效、平穩(wěn)、連續(xù)運行意義重大。

近年來，電源遠程重啟裝置不斷向適用性強、簡易、成本低、可靠性高等方向發(fā)展，而且該裝置在數(shù)字地震臺站、天氣雷達站、城市軌道交通信號設備等方面也得到廣泛應用。文獻［1］將遠程管理裝置作用于電能質量在線監(jiān)測儀，有效地解決電能質量在線監(jiān)測儀死機故障缺陷，采用STM32 單片機控制繼電器的通斷，利用無線（Wireless Fidelity，WIFI）模塊、4G無線路由器及手機應用程序（Application，APP）進行通信，提高了死機重啟速率，但在信號接收較弱的山區(qū)按照上述通信方式保證正常通信以及數(shù)據傳輸效率仍需進一步優(yōu)化。文獻［2］針對無人值守地震臺站設備易出現(xiàn)通信、死機、供電等故障缺陷，設計了一種遠程電源監(jiān)控系統(tǒng)，通過設計軟件TCP/IP協(xié)議，采用遠程指令控制繼電器的通斷，從而實現(xiàn)臺站儀器設備的斷電重啟功能，該系統(tǒng)在故障恢復及改善數(shù)據連續(xù)率方面仍有待進一步提高。文獻［3］研制了一套電源遠程控制重啟裝置，該裝置通過手機發(fā)送短信，全球通（Global System for Mobile Communications，GSM）卡接收器控制繼電器通斷，實現(xiàn)對通信設備電源遠程控制重啟，極大地減少了故障缺陷恢復時間，但該裝置僅適用于常溫干燥的環(huán)境下使用，無法應用于惡劣天氣環(huán)境下。文獻［4］構建了一套遠程重啟方案，利用用戶識別（Subscriber Identity Module，SIM）卡短信及WIFI 兩種方案作為通信方式，進一步優(yōu)化配網安全平穩(wěn)運行效率，但該方案受到一些垃圾短信的信息干擾，影響了配電網的恢復效率。文獻［5］建立了變電站智能三維實景無人值守感知系統(tǒng)，為變電站三維圖像實時監(jiān)測提供了可靠經驗，然而，三維信息的數(shù)據傳輸精度和效率有待進一步優(yōu)化。文獻［6］對智能巡檢機器人進行優(yōu)化，利用聲音識別技術識別變壓器、互感器等設備中的異常情況，提高了設備巡檢效率，而聲音識別受各種外界環(huán)境的干擾，需對聲音信息進行濾波等處理。文獻［7］研制了地震觀測無人值守臺站信息智能化觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)保證了信號傳輸?shù)男剩撓到y(tǒng)各個環(huán)節(jié)可能會出現(xiàn)相互干擾、冗余情況。文獻［8］針對各變電站分布較分散，工作人員輪流值守比較困難，研制了無人值守變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了各個系統(tǒng)間的交互功能，但系統(tǒng)交互容易引起數(shù)據采集冗余，數(shù)據信息處理效率低等問題。文獻［9］為提高遠程監(jiān)控設備的安全維護，研制了一套基于STM32 程序遠程無線升級方案，改善了監(jiān)控信號無線傳輸通信中易出現(xiàn)程序異常、報錯等故障缺陷。文獻［10］針對嵌入式系統(tǒng)遠程升級過程易出現(xiàn)無法升級等故障缺陷問題，開發(fā)了包含STM32F205VB 處理器的遠程升級系統(tǒng)，并對系統(tǒng)升級的抗掉電、抗誤碼等可靠性進行設計，而系統(tǒng)升級很容易出現(xiàn)兼容性、程序報錯等情況。文獻［11］開發(fā)了一套變電站遠動機遠程重啟裝置，該裝置以電網調度自動化技術為基礎，且未在遠動機設備上安裝器件設備，采用廠站特定規(guī)約與主站控制主機實現(xiàn)通信，且該網絡與和被控服務器分離開來，但該裝置的重啟效率并不高。文獻［12］進行了智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)的設計，采用S3C2416 控制器，深入研究了以太網及RS-485 通信接口電路，實現(xiàn)了對變電站運行情況的實時監(jiān)控功能，而未實現(xiàn)電氣及輔助系統(tǒng)的交互功能。文獻［13］研制了嵌入式SIM 卡配電終端，嵌入式SIM 卡環(huán)境適應性強、有利于改善終端的在線率，但其管理維護工作量仍很大。文獻［14］研制了一套基于AT89S51 單片機的防漏水告警系統(tǒng)，當水流量達到給定閾值時，實現(xiàn)自動關閉閥門，通過短信告警控制器，進一步發(fā)送告警短信，保證了電站系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行，但告警的準確度有待進一步優(yōu)化。文獻［15］將聲音識別及機器人技術結合，進而判斷變電站設備的運行狀況，但未實現(xiàn)遠程控制，運維人員巡檢難度仍然很大。文獻［16］研制了一套可適用于智能變電站的電源在線監(jiān)測系統(tǒng)，采用IEC61850 協(xié)議通信，該系統(tǒng)自動化、智能化水平較高，但在線監(jiān)控完整度還有待進一步改善。文獻［17］針對電站遠動機易出現(xiàn)通信異常，研制了遠動機在線監(jiān)測、遠程運維系統(tǒng)，提高了故障缺陷處理效率，但實時數(shù)據恢復效率仍需改善。文獻［18］針對鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站監(jiān)控設備長期運行易出現(xiàn)死機故障缺陷這一問題，對傳統(tǒng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行改進，利用電源復位器與不間斷電源通信，進一步將光纖網絡傳回監(jiān)控室，實現(xiàn)斷電重啟、實時監(jiān)控的功能，但系統(tǒng)升級可能存在兼容性問題，以及臺站設備眾多數(shù)據傳輸效率及精度仍需完善。文獻［19］研究了關于油田的配電網故障缺陷在線監(jiān)測技術，采用通用分組無線業(yè)務（General Packet Radio Service，GPRS）通信模式實現(xiàn)主站與遠程通信模塊雙向通信，故障監(jiān)測遠程控制單元識別短路等故障缺陷，發(fā)現(xiàn)利用數(shù)字故障指示器及數(shù)據采集器作為終端的配電模式更具可靠性，但部分監(jiān)測單元存在運行異常情況，故障恢復效率還需完善。文獻［20］為改善城市軌道交通信號系統(tǒng)設備重啟效率，構建了一套針對城市軌道交通信號設備的遠程重啟控制系統(tǒng)的設計思路，采用可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC），利用控制中心集中控制，該方案降低了誤動作次數(shù)，但該系統(tǒng)故障恢復效率仍有待進一步改善。文獻［21］對智能電站數(shù)據通信網關進行研究，利用各協(xié)議間轉換機制，改善了通信可靠性，但在針對數(shù)據流較大、虛擬化的情形下可行性有待進一步研討。

針對現(xiàn)有研究存在問題，研制一套無人值守變電站設備電源遠控管理裝置，旨在實現(xiàn)通信管理機啟停智能化管理，規(guī)避一些遠控管理方案的局限性，進行系統(tǒng)整體架構設計、硬件設計、狀態(tài)判斷邏輯設計、下位機軟件設計及通信協(xié)議設計等，采用電力站內光纖專網進行通信，設計以太網、RS485 通信接口及人機交互的按鍵模塊，利用交換機及路由器實現(xiàn)數(shù)據精準傳輸，進一步利用ARM 單片機處理及繼電器控制等單元，實現(xiàn)遠程控制電源通斷重啟設備的功能。

1 系統(tǒng)架構設計

1.1 變電站故障設備處理流程

傳統(tǒng)變電站設備重啟流程，如圖1 所示，運行維護人員通過監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)設備出現(xiàn)死機、卡死等故障缺陷，傳統(tǒng)處理方案是工作人員制定檢修處理方案，開具工作票、工作人員奔赴變電站（部分廠站地處高山地區(qū)、自然環(huán)境惡劣），到站后執(zhí)行許可手續(xù)，現(xiàn)場通斷電源開關重啟設備，最后結束工作票，完成整套流程，整個工序費時費力，工作人員辦理手續(xù)及趕赴現(xiàn)場作業(yè)用時較長，而變電站設備電源重啟用時短，本文研究方案省去了開票、工作人員趕赴變電站、執(zhí)行許可手續(xù)、結束工作票環(huán)節(jié)（步驟Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅳ），設計了一套變電站設備電源遠控管理裝置，實現(xiàn)了遠程電源通斷重啟設備的功能，極大地縮短了設備恢復時間，盡可能保證了變電站設備的安全平穩(wěn)運行。

圖1 變電站故障設備處理流程

1.2 系統(tǒng)結構設計

系統(tǒng)設計結構思路，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設計結構

圖2中連接傳輸方式如下：1）屏柜（電源）裝置通過遠動裝置電源線路與遠動通信裝置相連接；2）屏柜（電源）裝置與電源管理裝置110 V/220 V直流輸入端子連通；3）電源管理裝置110 V/220 V 直流輸出端子與遠動通信裝置連接；4）電源管理裝置與遠動通信裝置通過以太網口、RS485串口進行通信，利用交換機、路由器、加密裝置等設備，采用光纖專網進行通信。

2 設計與實現(xiàn)

根據系統(tǒng)架構設計思路，下位機端使用PLC 或者單片機來實現(xiàn)控制需求，但考慮到成本和功能要求，低成本的單片機方案無疑是比較好的選擇。下文將對單片機方案的具體實現(xiàn)進行敘述。

2.1 電源遠程復位裝置設計

電源遠程復位管理裝置原理如圖3所示。

圖3 電源遠程復位管理裝置原理

圖3 中組成包括：電源模塊、繼電器控制單元、通信處理單元、接線端子等硬件、ARM 處理單元、浪涌模塊、電源投切、嵌入式下位機軟件等。其中，通信接口包括以太網口和RS485 串口，電源投切由110 V和220 V 直流輸入兩個接口，110 V 或220 V 直流輸出接口，主要實現(xiàn)功能包括：遠程復位、狀態(tài)判斷等。實現(xiàn)對遠動裝置等被控電源設備的遠程復位管理。

2.2 電源管理裝置通信實現(xiàn)

系統(tǒng)運行邏輯，如圖4所示。

圖4 中按照“定時+問答+循環(huán)”的設計原則，采用“雙向認證握手”協(xié)議機制和“雙向問答”協(xié)議機制，圖4 中電源遠程復位管理裝置通過以太網（104規(guī)約）啟動第1 次“問答”1 號遠動裝置；若第1 次“握手成功”，則返回主機，通過RS485串口（101規(guī)約）啟動第2 次“問答”；若第2 次“握手成功”，則主機向主站系統(tǒng)進行“報文”，以“點表數(shù)據”的形式，將2 次“握手”成功形式報文給主站系統(tǒng)；2 次問答成功，以（IP，0，0）或其他形式表示。同樣的運行邏輯啟動對2號遠動裝置的“問答”和“握手”。如果在通信過程中“握手失敗”，微控制單元（Micro Control Unit，MCU）并請求延時60 s 之后進行下一次“握手”，直到與電腦（Personal Computer，PC）端主站建立起正常的通信網絡線路連接。

圖4 系統(tǒng)運行邏輯

2.3 電源管理裝置電路原理設計

整個裝置主要起到接收PC 端下行指令和設備監(jiān)控數(shù)據的上傳，ARM 處理單元采用STM32F407，主頻率高達168 MHz，擁有512 kB Flash 存儲容量，可支持以太網、USART、SPI等常規(guī)接口功能，完全可以滿足整個系統(tǒng)的控制需求。

2.3.1 系統(tǒng)電源電路設計

系統(tǒng)電源電路，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)電源電路

圖5 中系統(tǒng)電源采用AC/DC220 V 轉5 V 隔離開關電源模塊提供，再通過TSP5430芯片將5 V 電源轉到3.3 V，從而為單片機提供工作電源。

2.3.2 RS485通信電路設計

RS485通信電路，如圖6所示。

圖6 中RS485 通信電路驅動芯片選用SP3485EN，與MCU 端通過串口通信，其收發(fā)模式選擇由MCU 下達指令進行切換，當RE（Recive Enable）引腳為邏輯低電平時為接收器，由從機向MCU 發(fā)送信息，RE 為邏輯高電平時為發(fā)送器。SP3485EN 由單個3.3 V 電源供電，支持低功耗半雙工通信，滿足RS-485 和RS-422 串行協(xié)議的規(guī)格，與Sipes SP481 引腳兼容，采用BicCMOS 工藝，允許低功率運行而不犧牲性能。在有負載的情況下，最高通信速率可達100 Mbit/s。RS485 通信方式的特點是傳輸速率快、通信傳輸距離長且可實現(xiàn)一臺計算機控制多臺控制器的通信。

圖6 RS485通信電路

2.3.3 RS232通信電路設計

RS232 通信電路驅動芯片選用SP3232ENN，滿足EIA/TIA-232-F 標準，供電電壓從+3.0 V 到+5.5 V電源，在3.3 V 操作下只需要0.1 μF 電容，支持帶負載情況下通信速率為250 kbit/s 全雙工通信，可外接兩路通道。RS232 通信方式的特點是通信速度慢、傳輸距離有限。RS232通信電路如圖7所示。

圖7 RS232通信電路

2.3.4 繼電器電路設計

RS232 通信電路驅動芯片選用SP3232ENN，滿足EIA/TIA-232-F 標準，供電電壓從+3.0 V 到+5.5 V電源，在3.3 V 操作下只需要0.1 μF 電容，支持帶負載情況下通信速率為250 kbit/s 全雙工通信，可外接兩路通道。RS232 通信方式的特點是通信速度慢、傳輸距離有限。繼電器電路設計如圖8所示。

圖8 繼電器電路

2.3.5 網絡通信電路設計

網絡通信電路如圖9 所示，其中以太網模塊電路結構如圖9（a）所示，單刀雙擲模擬開關電路如圖9（b）所示。

圖9 網絡通信電路

圖9 中網絡通信選用正點原子ATK-UART 模塊來實現(xiàn)，供電電壓支持3.3～5.0 V，其具備多種通信模式，支持用戶數(shù)據報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）和TCP 通信協(xié)議，10/100 Mbit/s自適應以太網接口，與MCU 的串口通信波特率最高可以到921 600 bit/s。選用集成模塊開發(fā)的好處在于在保證基本功能的前提下，大大提高硬件開發(fā)效率，降低出錯率。

2.3.6 EEPROM芯片電路設計

EEPROM芯片選用AT24CXX芯片，通過IIC二線式串行通信方式，該芯片小巧、可靠性高，具有保護性能、速度高、安全穩(wěn)定，因此在設計集成電路（Integrated Circuit，IC）卡等領域中得到了廣泛的應用。其中串行時鐘總線和串行數(shù)據總線引腳需要用4.7 kΩ 電阻提高3.3 V 的供電電壓，以提高線路通信的抗干擾性。EEPROM芯片電路如圖10所示。

圖10 EEPROM芯片電路

3 PCB板設計

PCB 板設計如圖11 所示，Altium Designer 軟件繪制PCB 板框布局如圖11（a）所示，PCB 板實物布局如圖11（b）所示。

PCB板框采用Altium Designer 軟件繪制，采用模塊集中化布局模式，將電源線和信號線盡量隔開，避免強電電磁對弱電信號的干擾，進行合理布線，最后制作PCB板實物。圖11中包括：以太網接口，與PC端網絡連接，實現(xiàn)數(shù)據接收；RS485 通信接口，當TCP握手不成功時，通過RS485 串口發(fā)送重新握手指令；ARM單片機，處理數(shù)據以及發(fā)出控制指令；DC 110 V電源輸出接口作為預留接口；光耦繼電器，實現(xiàn)控制開關通斷功能；AC/DC 220 V 電源輸入接口，為整個裝置提供電源；預留電源輸出接口，為其他外設裝置提供電源；RS232 通信接口，預留通信接口；調試按鍵，人機交互使用。其中具體接線端子定義，如表1所示。

表1 接線端子定義

圖11 PCB板設計

變電站設備電源遠控管理裝置實物，如圖12 所示，其中裝置背面接口如圖（a）所示，裝置正面信號指示燈如圖（b）所示。變電站通信管理機設備是主站系統(tǒng)與底層設備通信關鍵通道，一旦通信管理機出現(xiàn)宕機情況，主站系統(tǒng)與底層設備無法建立通信，需要人工去現(xiàn)場手動復位，效率低，時間長，本文設計裝置旨在實現(xiàn)通信管理機啟停智能化管理，提高電站設備安全平穩(wěn)運行效率，降低電站設備恢復時長，所研制的電源遠控管理裝置目前已完成調試，測試目標對象為變電站通信管理機。本文設計的無人值守變電站設備電源遠控管理裝置相對于人工現(xiàn)場操作可節(jié)省90%以上的時間成本，通過調試驗證了裝置降低了人工操作成本、節(jié)省了設備恢復時間，保證了電站設備的通信連接的穩(wěn)定性，保障了變電站設備運行的可靠性，進一步有效提高了電網實時監(jiān)控能力。

圖12 裝置照片

4 結語

為提高無人值守變電站設備出現(xiàn)故障缺陷恢復效率，保證電網實時監(jiān)控能力，研制一套變電站設備電源遠控管理裝置。采用電力站內光纖專網進行通信，構建了遠程電壓控制合位邏輯關系程序，實現(xiàn)電源遠控裝置與遠動通信裝置建立TCP 連接，按照TCP/IP 協(xié)議通信，該通信方式的特點是可通過光纖延長通信距離、且通信速度快，或者采用RS485 通信方式，采用“雙向認證握手”協(xié)議機制和“雙向問答”協(xié)議機制，按照“定時+問答+循環(huán)”的設計原則；利用ARM 單片機處理及繼電器控制等單元；下位機端使用單片機來實現(xiàn)控制需求，相比PLC控制方式，ARM單片機控制方式成本低且功能較齊全。主要實現(xiàn)了遠程復位、狀態(tài)判斷等功能，最終滿足設備遠程啟?；驈臀坏男枨?。所研發(fā)電源遠控管理裝置，克服了傳統(tǒng)人工干預方式須趕赴現(xiàn)場作業(yè)耗時耗力的局限性，降低了人工操作成本，簡化了工作流程，節(jié)省了設備恢復時間，保證了電站設備的通信連接的穩(wěn)定性，保障了變電站設備運行的可靠性，有效提高了電網實時監(jiān)控能力。