一種變電站分布式網(wǎng)絡型遠動智能終端

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)通信技術和高性能單片機的廣泛應用，數(shù)字技術的應用及數(shù)字化趨勢越來越明顯；標準化的通信協(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)成為整個社會關心的重要問題之一，另外，隨著通信網(wǎng)絡技術的發(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)絡故障工況時的電量數(shù)據(jù)準確把握以外，迫切需要在現(xiàn)有變配電站監(jiān)控系統(tǒng)和電力遠動終端基礎上，對正常和故障運行工況下的電壓、電流量進行高精度的實時監(jiān)測記錄，要求記錄數(shù)據(jù)的時標基于系統(tǒng)精確時鐘且故障時刻的時間分辨率達到毫秒級。在電力監(jiān)控終端的常規(guī)設計中，受限于通信網(wǎng)絡帶寬的限制，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。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)絡和高性能單片機技術打破實時監(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。另外軟硬件設計擬采用標準化開放式思想，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)有的測控終端設備在總體結構、性能指標、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域的測控終端多為傳統(tǒng)單CPU測控裝置單網(wǎng)絡通信模式，以時下流行的32位單片機MC68332ACFC20為主CPU實現(xiàn)的負荷曲線時間分辨率最高只能為20ms，且負荷曲線錄制方式單一，同時，CPU處理能力，響應速度等已不再能滿足用戶需求。

3）目前國外技術水平上接近本智能終端預定目標的部分產(chǎn)品已大舉涌入中國市場，國內(nèi)同行也都在進行類似的開發(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)結構設計上，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、開關量輸入、脈沖量輸入、控制輸出及網(wǎng)絡通信等功能。

該微機遠動智能終端由機箱、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是實時負荷曲線形成的核心，由其進行突變、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主要負責數(shù)據(jù)隊列緩存、發(fā)送及數(shù)據(jù)記錄文件本地存儲。

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

1.1 硬件組成、模件設計

該智能終端整機結構框圖如圖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)各種復雜的故障處理功能。POWERPC 主CPU是此模塊的核心，負責處理整個數(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)絡設計，裝置內(nèi)部通信采用無破壞優(yōu)先級仲裁的 CAN-BUS網(wǎng)絡作為模塊間的通信網(wǎng)絡，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)絡可接入變電站自動化系統(tǒng)或遠方調(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)試軟件包對裝置進行各種遠程測試、遠程調(diào)試、遠程升級等。

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和硬件時鐘構成，負責鍵盤處理、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，對交流模件轉(zhuǎn)換來的模擬信號進行采樣、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：采用標準6U結構機箱。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 軟件設計

1）采用無破壞優(yōu)先級仲裁的 CAN網(wǎng)絡作為內(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，以此來保證開關變位等重要信息傳輸?shù)膶崟r性。內(nèi)部網(wǎng)絡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。利用中斷服務程序?qū)崿F(xiàn)接受數(shù)據(jù)中斷、接受任務分析和發(fā)送數(shù)據(jù)任務。當主模塊向從模塊發(fā)送請求數(shù)據(jù)命令時，從模塊即產(chǎn)生數(shù)據(jù)中斷。進入中服務程序后先保護現(xiàn)場，然后CPU獨處接受緩沖區(qū)的命令內(nèi)容進行任務分析，根據(jù)任務分析的結果確定數(shù)據(jù)發(fā)送任務，并向主模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，最后回復現(xiàn)場，中斷返回。

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

3）為了實現(xiàn)網(wǎng)絡環(huán)境下復雜的管理并方便編程，所有節(jié)點將配備實時多任務操作系統(tǒng)軟件，所有網(wǎng)絡接口軟件將進行標準化的統(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計采用實時多任務操作系統(tǒng)，用于實現(xiàn)各個采集控制等任務的調(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。軟件走標準化、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行比較，當達到設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）的本回路相關的三相電壓和電流有效值數(shù)據(jù)進行記錄，并能以文件的方式上傳給主站系統(tǒng)，同時支持當?shù)刈x取。越限判斷包括：過壓、欠壓、過流。各個條件分別設有兩個整定值，各個整定值均有相對應的延時值。對于所有的整定值和延時值都支持遠方或當?shù)刈x取、修改。越限判斷功能可在當?shù)睾驼{(diào)度進行允許和禁止。

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?shù)睾驼{(diào)度進行允許和禁止。可以將開關動作、參數(shù)越限設定為觸發(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）負荷曲線。負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。裝置用帶時標的遙測量描述24h負荷曲線。在負荷平穩(wěn)的時間段，每30s記錄一個采樣點，負荷變化超過額定值的 2%（閥值可設定）時，每1s記錄一個采樣點，當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）進線核相功能。裝置具有電壓相序錯（正序/負序反）告警及兩回路電壓不同期（異相）告警功能。當回路是電壓回路，且三相電壓有效值均大于60%Un時，若按正序（或負序）計算，卻顯示負序（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，為有效地進行故障隔離提供必要條件。

6）遠程及當?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域里的綜合測控終端上進行了大容量高性能、分布式、網(wǎng)絡型等多種創(chuàng)新，改變了傳統(tǒng)單CPU測控裝置的設計思想，真正實現(xiàn)了裝置模塊化設計、分布式、總線控制網(wǎng)絡型多CPU測控終端設計。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)各種復雜的故障處理功能；處理能力領先同類產(chǎn)品，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行；商用嵌入式操作系統(tǒng)，負荷曲線時間分辨率可達到 5ms，也更能滿足用戶對實時性的高標準需求。本方案采用了新的實時負荷曲線構造方法，實現(xiàn)了對供電網(wǎng)絡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)記錄時標基于裝置時鐘，變化時刻時間分辨率達到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、適應性、通用性強等優(yōu)點。所形成負荷歷史記錄數(shù)據(jù)可以本地保存，離線分析，或結合支持此功能的監(jiān)控計算機或 SCADA主站，可以實現(xiàn)負荷曲線的實時記錄，滿足用戶負荷監(jiān)視和故障分析的要求。

裝置具備良好的移植性和維護性；軟硬件模塊化結構，根據(jù)不同應用需求靈活定制，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，鑒定結論為：設計合理、功能齊全，整體技性能達到國際先進水平。本智能終端創(chuàng)造已經(jīng)已經(jīng)成功應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，具有廣闊的應用前景。

3 結論

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。軟件設計上創(chuàng)新采用新的負荷曲線錄制方法（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、柱上開關等。已成功應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 總線原理和應用系統(tǒng)設計[M].北京：北京航空航天大學出版社,1996.

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