基于無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的高壓開(kāi)關(guān)柜操控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

侯春光 劉為 高有華

【摘要】提出了一種基于GPRS/GSM通訊網(wǎng)與近距離無(wú)線(xiàn)模塊的高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方式，并在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)框架內(nèi)設(shè)計(jì)了高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)操控裝置，可將高壓開(kāi)關(guān)柜的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)上傳到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器，并通過(guò)上位機(jī)和手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程/本地?zé)o線(xiàn)操控。

【關(guān)鍵詞】高壓開(kāi)關(guān)柜;GPRS/GSM;無(wú)線(xiàn)操控;組網(wǎng)方式

1.引言

傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)柜智能操控裝置一般采用有線(xiàn)的方式與遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行通訊，而無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)在高壓開(kāi)關(guān)柜上的應(yīng)用并不多見(jiàn)。由于配電系統(tǒng)變電站布局分散，采用有線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于較偏遠(yuǎn)地區(qū)的變電站來(lái)說(shuō)會(huì)增加通訊電纜鋪設(shè)的成本，加之復(fù)雜的地理環(huán)境會(huì)導(dǎo)致有線(xiàn)傳輸?shù)牟环€(wěn)定性。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，將無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的框架下應(yīng)用到電力系統(tǒng)智能電網(wǎng)建設(shè)中具有廣闊的發(fā)展前景[1]。

2.高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)操控系統(tǒng)

2.1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC61850是面向?qū)ο蟮碾娏ο到y(tǒng)無(wú)縫通信體系標(biāo)準(zhǔn)。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)未來(lái)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)放性、互操作性以及技術(shù)發(fā)展和功能應(yīng)用的可擴(kuò)展性，強(qiáng)調(diào)設(shè)備數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)、完整、規(guī)范，可實(shí)現(xiàn)間隔層設(shè)備和站級(jí)設(shè)備對(duì)過(guò)程層信息的共享[2]。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.2 基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)操控系統(tǒng)架構(gòu)描述

高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)操裝置主要應(yīng)用在變電站間隔層和過(guò)程層之間，如圖1所示。在過(guò)程層，無(wú)線(xiàn)操控裝置開(kāi)關(guān)量采集端節(jié)點(diǎn)附屬在電氣設(shè)備上，采集現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量信號(hào)并通過(guò)電纜傳輸至間隔層IED，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)還可以接收來(lái)自間隔層的控制信息。在間隔層，無(wú)線(xiàn)傳輸節(jié)點(diǎn)附屬在IED上，用來(lái)收集開(kāi)關(guān)量信號(hào)供IED對(duì)其做出分析和判斷，并對(duì)下層發(fā)送參數(shù)設(shè)置及操控指令，對(duì)上層發(fā)送開(kāi)關(guān)的狀態(tài)信息[3]。

無(wú)線(xiàn)操控裝置實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)整個(gè)過(guò)程層現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀況，在間隔層和變電站層之間則采用成熟的GSM/GPRS通訊技術(shù)，通過(guò)GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)送往調(diào)度主站或維護(hù)人員的手機(jī)端，并從主站或手機(jī)端查看開(kāi)關(guān)狀態(tài)及接收、下發(fā)控制命令。間隔層間的IED則通過(guò)近距離無(wú)線(xiàn)傳輸模塊nRF24L01實(shí)現(xiàn)[4]。

2.3 無(wú)線(xiàn)操控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，具體實(shí)現(xiàn)方法是：無(wú)線(xiàn)操控裝置由主控制器和若干從控制器組成，并分別安裝在所控制開(kāi)關(guān)柜內(nèi)。主控制器A中裝有進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊的GSM/GPRS無(wú)線(xiàn)通訊模塊和與本地進(jìn)行通訊的藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)模塊以及與各從控制器進(jìn)行通訊的nRF24L01本地近距離無(wú)線(xiàn)通訊模塊。從控制器B1、B2…Bn中僅裝有與主控制器進(jìn)行通訊的nRF24L01模塊，其與手機(jī)/上位機(jī)通過(guò)主控制器A進(jìn)行通訊。上位機(jī)通過(guò)Internet連接遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器，手機(jī)通過(guò)GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)-基站連接遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器并均可與主控制器A進(jìn)行通訊連接，手機(jī)在配電站本地也可通過(guò)藍(lán)牙與主控制器A進(jìn)行連接。通過(guò)以上方式與主控制器A進(jìn)行驗(yàn)證連接后，通過(guò)發(fā)送相應(yīng)指令，就可以對(duì)開(kāi)關(guān)柜C實(shí)施遠(yuǎn)程/本地?zé)o線(xiàn)操控，對(duì)從控制器的操控是通過(guò)主控制器A轉(zhuǎn)發(fā)操控指令給各從控制器實(shí)現(xiàn)的，以完成對(duì)開(kāi)關(guān)柜C1、C2…Cn的操控。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件組成及工作原理

開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)操控裝置的硬件組成見(jiàn)圖3。整機(jī)電路由主控MCU、開(kāi)關(guān)量采集電路、控制量輸出電路及各無(wú)線(xiàn)通訊模塊組成。

3.2 主控模塊

主控模塊的核心MCU采用STC12C5A60S2低功耗單片機(jī)[5]。通過(guò)STC12C5A60S2的輸入引腳完成對(duì)開(kāi)關(guān)量的采集，并將采集的開(kāi)關(guān)量狀態(tài)信息存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。對(duì)于由上位機(jī)發(fā)來(lái)的控制指令，通過(guò)輸出引腳經(jīng)繼電器接入合、分閘等控制回路，完成對(duì)開(kāi)關(guān)的操控。設(shè)nRF24L01狀態(tài)查詢(xún)引腳，當(dāng)無(wú)線(xiàn)模塊收到本地控制器發(fā)來(lái)的信息之后通過(guò)該引腳給MCU產(chǎn)生一個(gè)高電平，MCU通過(guò)查詢(xún)的方式判斷此高電平之后進(jìn)行下一步處理;MCU的中斷引腳分別接藍(lán)牙模塊與GSM/GPRS模塊的信號(hào)狀態(tài)引腳，當(dāng)收到信號(hào)后，這兩個(gè)模塊會(huì)通過(guò)該引腳產(chǎn)生中斷服務(wù)，系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)子程序以進(jìn)行下一步操作。

3.3 無(wú)線(xiàn)通訊模塊的設(shè)計(jì)

本裝置采用GSM/GPRS模塊與遠(yuǎn)程控制端進(jìn)行通訊連接，采用藍(lán)牙模塊與本地手機(jī)控制端通訊連接，采用nRF24L01近距離傳輸模塊完成控制器之間通訊，其各模塊電路圖如圖4所示[8]。

圖4 藍(lán)牙、nRF24L01、GPRS/GSM模塊電路圖

圖5 SIM900A供電電路

3.3.1 GSM/GPRS無(wú)線(xiàn)模塊

如圖4所示，GSM/GPRS模塊通過(guò)RXD、TXD端與MCU采用串口通訊;SIM900A核心采用單電源供電，VBAT的電壓輸入范圍從3.2V到4.8V[7]。由于模塊發(fā)射的突發(fā)會(huì)導(dǎo)致電壓跌落，這時(shí)電流的峰值最高會(huì)達(dá)到2A。因此，電源的供流能力不能小于2A，否則模塊不能正常使用。采用Micrel公司的基于LDO-MIC29302BT的電源電路，實(shí)現(xiàn)由5～4V的壓降處理給SIM900A供電，其供電電路如圖5所示。

3.3.2 藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)模塊

為實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)本地?zé)o線(xiàn)連接控制器，以達(dá)到無(wú)線(xiàn)操控功能，本裝置采用CSR核心芯片的HC-04工業(yè)級(jí)主從一體藍(lán)牙模塊，支持藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，模塊供電電壓為3.3V～3.6V，空曠條件下通訊距離10M。模塊引腳如圖4所示，其11腳接模塊復(fù)位電路，12腳接3.3V供電，1、2腳通過(guò)CON1端子接MCU的RXD、TXD進(jìn)行串口連接。當(dāng)藍(lán)牙模塊收到藍(lán)牙連接請(qǐng)求后，通過(guò)24腳產(chǎn)生高電平送給MCU的P3.2口，作為其外部中斷觸發(fā)中斷子程序。

3.3.3 nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊

由于本裝置采用主-從控制器模式，上位機(jī)對(duì)從控制器的操控是通過(guò)主控制器來(lái)中轉(zhuǎn)的，故采用nRF24L01以實(shí)現(xiàn)從控制器與主控制器間的通訊。nRF24L01采用FSK調(diào)制，內(nèi)部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或是1對(duì)6的無(wú)線(xiàn)通信[6]。無(wú)線(xiàn)通信速度可以達(dá)到2Mbps，其電路如圖4所示。nRF24L01的IRQ接MCU的中斷引腳，當(dāng)控制器接收到來(lái)自其他控制器的請(qǐng)求指令后，通過(guò)其IRQ引腳對(duì)MCU產(chǎn)生高電平，使MCU進(jìn)入中斷服務(wù)器子程序，完成相應(yīng)的操控指令。

3.4 輸入輸出電路

裝置設(shè)有8路開(kāi)關(guān)量輸入及4路控制量輸出電路，其中開(kāi)光量輸入電路采用濾波電容的延遲作用消除高頻干擾的響應(yīng)。利用電容上的電壓不能突變，使電壓不會(huì)隨觸點(diǎn)閉合或斷開(kāi)時(shí)的抖動(dòng)而急劇變化，消除了抖動(dòng)干擾。采用光電耦合電路，將信號(hào)輸入部分與MCU控制部分完全隔離。

4.控制終端的軟件設(shè)計(jì)

操控終端的軟件部分在Keil μVision IED開(kāi)發(fā)平臺(tái)下設(shè)計(jì)完成。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)重啟后，系統(tǒng)先給各單元初始化。然后判斷GSM/GPRS模塊是否有新的控制指令下達(dá)，如果有則會(huì)與請(qǐng)求端進(jìn)行連接;如果沒(méi)有則會(huì)等一段時(shí)間后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，軟件流程見(jiàn)圖6所示。

5.實(shí)驗(yàn)研究

以10kV的VS1-12高壓斷路器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象搭建了無(wú)線(xiàn)操控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，系統(tǒng)啟動(dòng)后，各模塊進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。當(dāng)對(duì)斷路器做合閘操作后，指示燈閃爍，上位機(jī)軟件即刻動(dòng)態(tài)顯示出開(kāi)關(guān)狀態(tài)為“合閘”;當(dāng)上位機(jī)軟件下達(dá)“分閘”指令后，斷路器即刻產(chǎn)生分閘動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)遠(yuǎn)程上位機(jī)操控系統(tǒng)發(fā)送控制指令，并可將斷路器的合、分閘狀況實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)進(jìn)行記錄、查詢(xún)。

6.結(jié)論

隨著無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于IEC61850的數(shù)字變電站無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)的組建，促進(jìn)了智能電網(wǎng)的進(jìn)一部發(fā)展。筆者在IEC61850的標(biāo)準(zhǔn)框架下，分析了無(wú)線(xiàn)操控系統(tǒng)的整體架構(gòu)，將低復(fù)雜度、低功耗、低成本的GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)與nRF24L01雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)應(yīng)用于高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)操控系統(tǒng)，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性，滿(mǎn)足了數(shù)字化電網(wǎng)就地獲取信息、快速做出反應(yīng)、同遠(yuǎn)程通信技術(shù)配合的要求。同時(shí)還克服了布線(xiàn)麻煩，維護(hù)不方便等困難。提高了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)、操控的最優(yōu)協(xié)調(diào)。

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