電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作平臺的設(shè)計(jì)

王建勛，馬麗紅，劉大鵬，吳奎忠，崔運(yùn)海，郭明宇，黃勇

（吉林電力調(diào)度控制中心，吉林吉林　430000）

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電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作平臺的設(shè)計(jì)

王建勛，馬麗紅，劉大鵬，吳奎忠，崔運(yùn)海，郭明宇，黃勇

（吉林電力調(diào)度控制中心，吉林吉林430000）

摘要：為了使電網(wǎng)故障錄波裝置定值操作更加方便，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作平臺，遠(yuǎn)程操作人員經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)通過登錄嵌入式服務(wù)器的網(wǎng)站實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障錄波裝置定值的遠(yuǎn)程操作。將主控制模塊作為整個(gè)電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作平臺的核心，通過Atmegal28L單片機(jī)對采集到的電網(wǎng)故障錄波裝置信息進(jìn)行定值處理，向執(zhí)行模塊發(fā)送操作指令。利用無線通信模塊實(shí)現(xiàn)嵌入式服務(wù)器和電網(wǎng)故障錄波裝置現(xiàn)場各模塊之間的信息交換。通過信號采集模塊獲取電網(wǎng)故障錄波裝置的數(shù)據(jù)，對圖像傳感器采集波形圖進(jìn)行預(yù)處理，完成數(shù)據(jù)的傳遞。利用執(zhí)行操作完成電網(wǎng)故障錄波裝置的定值操作。軟件設(shè)計(jì)過程中，對電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作平臺進(jìn)行了詳細(xì)的分析，給出了定值操作的程序代碼，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提系統(tǒng)具有很高的可行性及實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)故障錄波裝置；定值；遠(yuǎn)程操作

Project supported by National Natural Science Foundation of China（65148569）；The Science and Technology Projects of State Grid Corporation of China（SGJL000DLCJS1500210）.

隨著科技的逐漸發(fā)展，現(xiàn)代電力網(wǎng)絡(luò)向大電網(wǎng)、超高壓發(fā)展已經(jīng)成為必然趨勢[1-2]。隨著電力體制的改革和電力系統(tǒng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，現(xiàn)代電力系統(tǒng)對故障錄波裝置準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性等方面的要求也越來越高[3-4]。落后的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)已無法滿足電力系統(tǒng)的要求。因此，設(shè)計(jì)一種電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作平臺具有重要意義，已經(jīng)成為相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)課題，受到了越來越廣泛的關(guān)注[5-6]。

目前，有關(guān)電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作平臺的研究有很多，其中，文獻(xiàn)[7]主要分析了電網(wǎng)故障錄波裝置的電源及通信方面，所實(shí)現(xiàn)的操作功能較少；文獻(xiàn)[8]只分析了電網(wǎng)故障錄波裝置的電壓監(jiān)測系統(tǒng)，研究內(nèi)容較為詳細(xì)，然而串口通信實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜，不適用于實(shí)際應(yīng)用；文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控操作系統(tǒng)，和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交換，但沒有實(shí)現(xiàn)和電網(wǎng)故障錄波裝置的通信問題；文獻(xiàn)[10]在C++環(huán)境下，設(shè)計(jì)了電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，完成了基本操作，但耗費(fèi)的時(shí)間和能耗均較多。

針對上述研究的弊端，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作平臺，給出了平臺的總體設(shè)計(jì)和各模塊的硬件結(jié)構(gòu)。對電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作平臺進(jìn)行了詳細(xì)的分析，給出了定值操作的程序代碼，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提系統(tǒng)具有很高的可行性及實(shí)用性。

1　平臺總體設(shè)計(jì)方案

電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作平臺采用C/S（客戶機(jī)/服務(wù)器）模式結(jié)構(gòu)，服務(wù)器采用嵌入式服務(wù)器，將現(xiàn)場控制系統(tǒng)作為客戶機(jī)實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)故障錄波裝置的定值操作，將采集到的信息傳輸至嵌入式服務(wù)器，遠(yuǎn)程操作人員經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)通過登錄服務(wù)器的網(wǎng)站實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障錄播裝置定值的遠(yuǎn)程操作。

系統(tǒng)主要由嵌入式服務(wù)器、主控制模塊、無線通信模塊、信號采集模塊和定值遠(yuǎn)程操作模塊構(gòu)成，詳細(xì)結(jié)構(gòu)用圖1進(jìn)行描述。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig. 1 System overall structure

2　平臺硬件設(shè)計(jì)

2.1嵌入式服務(wù)器

遠(yuǎn)程操作人員經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)通過登錄嵌入式服務(wù)器的網(wǎng)站可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障錄波裝置定值的遠(yuǎn)程操作。嵌入式服務(wù)器的硬件結(jié)構(gòu)主要由核心處理器、開發(fā)板、以太網(wǎng)接口、擴(kuò)展芯片、電源模塊等構(gòu)成，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

嵌入式服務(wù)器的核心處理器S3C2440采用韓國三星公司生產(chǎn)的基于ARM920T內(nèi)核的嵌入式微處理器。該微處理器采用飛凌公司生產(chǎn)的TE2440開發(fā)板。高模塊的以太網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)將CS8900芯片作為網(wǎng)絡(luò)接口擴(kuò)展芯片的Bank6。電源模塊采用+5 V的直流穩(wěn)壓電源和DC-DC電源芯片AS1117。

圖2　嵌入式服務(wù)器Fig. 2 Embedded server

2.2主控制模塊

主控制模塊為整個(gè)電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作平臺的核心，該模塊通過核心處理器對采集到的電網(wǎng)故障錄波裝置信息進(jìn)行定值處理，同時(shí)向執(zhí)行模塊發(fā)送操作指令。主控制模塊主要包括核心處理器、無線通信模塊、用戶手動控制鍵盤、時(shí)鐘模塊、擴(kuò)展接口和電源模塊組成，詳細(xì)硬件結(jié)構(gòu)用圖3進(jìn)行描述。

圖3　主控制模塊硬件結(jié)構(gòu)Fig. 3 The hardware structure of the main control module

主控制模塊的核心處理器需具備體積小、集成度高、成本和功耗低等特點(diǎn)，因此，系統(tǒng)采用ATMEL公司的Atmegal28L單片機(jī)作為核心處理器。Atmega128L利用I/O端口實(shí)現(xiàn)nRF905無線通信模塊的狀態(tài)接口、模式接口和SPI接口。電源模塊采用穩(wěn)壓芯片74LVC4245保證無線通信模塊正常工作。主控制模塊中的時(shí)鐘模塊選用時(shí)鐘芯片DS1302完成計(jì)時(shí)，以減少Atmega128L的工作壓力。主控制模塊通過Atmega128L的PA0～PA3引腳形成控制鍵盤的行線，使用戶能夠手動控制鍵盤。

2.3無線通信模塊

無線通信模塊主要用于嵌入式服務(wù)器和電網(wǎng)故障錄波裝置現(xiàn)場各模塊之間的信息交換。

平臺采用nRF905芯片作為無線通信模塊的核心，nRF905芯片是目前集成度最高的無線通信產(chǎn)品。

nRF905的工作模式主要依據(jù)PWR_UP、TRX_CE和TX_EN 3個(gè)引腳的設(shè)置實(shí)現(xiàn)，無線通信模塊的配置字均可通過SPI接口傳輸至nRF905。通過nRF905的特點(diǎn)及工作模式對無線通信模塊的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，nRF905無線通信模塊電路圖如圖4所示。

圖4　nRF905無線通信模塊電路圖Fig. 4 The circuit diagram of nRF905 wireless communication module

2.4信號采集模塊

信號采集模塊主要用于獲取電網(wǎng)故障錄波裝置的數(shù)據(jù)，對圖像傳感器采集波形圖進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)完成數(shù)據(jù)的傳遞。信號采集模塊主要包括核心處理器、無線通信模塊、電源模塊和圖像傳感器等，詳細(xì)結(jié)構(gòu)用圖5進(jìn)行描述。

圖5　信號采集模塊Fig. 5 Signal acquisition module

將ATMEL公司AVR系列的Atmega16單片機(jī)作為本模塊的核心處理器。圖像傳感器采用Aptina公司的MT9P031型號傳感器，該傳感器能耗低，動態(tài)性能好，適用于電網(wǎng)故障錄波裝置信息的采集。信號采集模塊的無線通信模塊接口等和主控制模塊相似。

2.5執(zhí)行操作模塊

執(zhí)行操作模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障錄波裝置的定值操作。該模塊由Atmega16單片機(jī)、SPI通信接口、無線通信模塊、大電流驅(qū)動器和電源模塊組成，詳細(xì)結(jié)構(gòu)用圖6進(jìn)行描述。

圖6　執(zhí)行操作模塊硬件結(jié)構(gòu)Fig. 6 The hardware structure of the execution module

將Atmega16單片機(jī)作為執(zhí)行操作模塊核心，其能夠獲取較寬頻率的脈沖波，形成高精度的波形，適用于定值操作。執(zhí)行操作模塊通過ULN2003A驅(qū)動芯片提高執(zhí)行設(shè)備的執(zhí)行能力。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件設(shè)計(jì)流程圖

本文設(shè)計(jì)的電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作平臺的軟件，在Windouws 7.0運(yùn)行環(huán)境下，利用Visual C++ 6.0實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)的軟件程序設(shè)計(jì)流程用圖7進(jìn)行描述。

圖7　軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig. 7 Software design flow chart

3.2代碼設(shè)計(jì)

具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

4　仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作平臺的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)將傳統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)視覺的定值遠(yuǎn)程操作平臺作為對比進(jìn)行比較分析。

分別采用本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)進(jìn)行電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作，對兩種系統(tǒng)所需的處理時(shí)間進(jìn)行比較，得到的結(jié)果用圖8進(jìn)行描述。

圖8　2種系統(tǒng)處理速度比較結(jié)果Fig. 8 Speed comparisons of the two processing systems

分析圖8可以看出，采用本文系統(tǒng)所需的處理速度一直低于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)，這是因?yàn)楸疚南到y(tǒng)采用無線通信，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

采用本文系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得到的誤檢率比較結(jié)果用圖9進(jìn)行描述。

圖9　2種系統(tǒng)誤檢率比較結(jié)果Fig. 9 Results of the error detection rate comparison of two kinds of systems

分析圖9可以看出，和計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)相比，采用本文方法獲取的系統(tǒng)的誤檢率明顯降低，同時(shí)一直低于計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)，說明本文系統(tǒng)的正確性更高。

5　結(jié)語

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作平臺，遠(yuǎn)程操作人員經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)通過登錄嵌入式服務(wù)器的網(wǎng)站實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障錄波裝置定值的遠(yuǎn)程操作。將主控制模塊作為整個(gè)電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作平臺的核心，通過Atmegal28L單片機(jī)對采集到的電網(wǎng)故障錄波裝置信息進(jìn)行定值處理，向執(zhí)行模塊發(fā)送操作指令。利用無線通信模塊實(shí)現(xiàn)嵌入式服務(wù)器和電網(wǎng)故障錄波裝置現(xiàn)場各模塊之間的信息交換。通過信號采集模塊獲取電網(wǎng)故障錄波裝置的數(shù)據(jù)，對圖像傳感器采集波形圖進(jìn)行預(yù)處理，完成數(shù)據(jù)的傳遞。利用執(zhí)行操作完成電網(wǎng)故障錄波裝置的定值操作。軟件設(shè)計(jì)過程中，對電網(wǎng)故障錄波裝置定值遠(yuǎn)程操作平臺行了詳細(xì)的分析，給出了定值操作的程序代碼，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提系統(tǒng)具有很高的可行性及實(shí)用性。

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王建勛（1965—），男，碩士，研究員，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)；

馬麗紅（1964—），女，碩士研究生，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。

（編輯徐花榮）

Design of the Set-Value Remote Operation Platform of the Grid Fault Wave Record Device

WANG Jianxun，MA Lihong，LIU Dapeng，WU Kuizhong，CUI Yunhai，GUO Mingyu，HUANG Yong
（Jilin Electric Power Dispatching and Control Center，Jilin 430000，Jilin，China）

ABSTRACT：To make the set-value operation of the grid fault wave recording more convenient，the paper designs and implements a remote operation for the device by which the remote operation personnel can realize the remote operation of the grid fault wave recording device through the embedded server website via the Internet. The main control module is taken as the core of the set-value remote operation platform of the whole grid fault wave recording device and the set-value treatment is performed by Atmegal28L for the information collected and operation orders are sent to the executable module. The wireless communication module is used to realize the information exchange between the embedded server and all the on-site modules of the grid fault wave recording device. Data of the grid wave fault recording device is obtained through the signal acquisition module and pre-processing is done on the waveform image of the image sensor and the data transmission is accomplished. The execution operation is used to complete the whole set-value operation. The detailed analysis is done on the remote operation platform in the design and the program code is given to the set-value operation. The simulation results show that the system proposed in this paper is highly feasible and practical.

KEY WORDS：power grid fault wave record device；fixed value；remote operation

作者簡介：

收稿日期：2015-10-13。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（65148569）；國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目:故障錄波裝置定值遠(yuǎn)方控制研究（SGJL000DLCJS1500210）。

文章編號：1674- 3814（2016）03- 0062- 06

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A