智能電網(wǎng)設(shè)備手持終端控制器設(shè)計(jì)

張亮

摘要：三相電網(wǎng)運(yùn)行過程中的電參量精確檢測(cè)是實(shí)施電能質(zhì)量控制、提高能源利用率的重要環(huán)節(jié)。智能設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備的加入改變了電網(wǎng)終端設(shè)備的運(yùn)行方式和運(yùn)行特性。為方便電力維護(hù)人員的現(xiàn)場(chǎng)操作，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于智能電網(wǎng)設(shè)備的手持終端控制器。鑒于此，本文將電網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)化和智能化改造前后的情況進(jìn)行了對(duì)比并指出了對(duì)應(yīng)的終端設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；手持終端；控制器；設(shè)計(jì)

1 導(dǎo)言

現(xiàn)階段10kV配電網(wǎng)中應(yīng)用的智能設(shè)備品種很多，如智能電表、永磁開關(guān)控制器、綜合保護(hù)裝置等，這些設(shè)備需要電力維護(hù)人員定期到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行巡查檢修。智能手持信號(hào)采集系統(tǒng)，主要用于三相電網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集與處理，完成電網(wǎng)運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)、報(bào)警、記錄、打印報(bào)表、回放等一系列功能，能夠?qū)崿F(xiàn)多路信號(hào)的數(shù)據(jù)采集處理，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際使用情況外擴(kuò)采集板卡來滿足更高層次的需求。

2 手持終端控制器的系統(tǒng)框架

手持終端控制器（以下簡稱掌機(jī)）主要由微處理器MCU、可充電鋰電池、充電電路、電源管理電路、矩陣鍵盤、LCD顯示器、通信接口電路（紅外、RS485、RF無線模塊）、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器等幾大部分功能模塊組成。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

充電電路對(duì)鋰電池充電后鋰電池為掌機(jī)提供工作電源，微處理器MCU啟動(dòng)工作后將矩陣鍵盤輸入的設(shè)置參數(shù)和相應(yīng)的控制命令顯示在LCD顯示器上，并通過通信接口，如紅外、RS485或者RF無線模塊發(fā)送和接受控制終端的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。微處理器MCU通過電源管理電路控制掌機(jī)的功耗，讓掌機(jī)在休眠狀態(tài)時(shí)進(jìn)入低功耗模式。

3 智能手持信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集處理的數(shù)據(jù)采集處理電路和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示及傳輸?shù)闹骺仉娐穬刹糠謽?gòu)成，其中數(shù)據(jù)采集處理核心采用DSP處理器中的TMS320F2812，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)數(shù)據(jù)并且進(jìn)行上報(bào)，對(duì)出現(xiàn)瞬間斷電、模擬量故障等緊急情況立即報(bào)警.主控電路的控制核心采用ARM嵌入式處理器STM32F207，利用ARM的中斷處理機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)、處理和人機(jī)互交界面顯示功能.圖2為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖.采用產(chǎn)品化設(shè)計(jì)思路，將整個(gè)系統(tǒng)功能集成在一塊電路板上，包括ARM信號(hào)采集主機(jī)、DSP信號(hào)采集分機(jī)和電源等板卡等，所有板卡通過底板進(jìn)行信號(hào)連接。

數(shù)據(jù)采集處理電路主要依靠DSP處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集和處理.DSP處理器采用TI（德州）公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320F2812，設(shè)有12個(gè)ADC采集通道，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過CAN通訊通道傳送給ARM處理器，并能夠根據(jù)ARM處理器傳輸?shù)拿钸M(jìn)行相應(yīng)的操作.這部分電路除提供其正常工作的電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和CAN通訊電路外，還設(shè)計(jì)有JTAG仿真接口和一個(gè)掉電保護(hù)功能的I2C存儲(chǔ)芯片，用來存儲(chǔ)的信號(hào)零漂和標(biāo)調(diào)等信息.電路中使用30MHz的有源晶振作外部時(shí)鐘源。

4 智能電網(wǎng)設(shè)備手持終端控制器設(shè)計(jì)

4.1 主要終端設(shè)備的維護(hù)

以智能化設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備的基本的告警以及復(fù)歸響應(yīng)為例。首先，智能終端設(shè)備要求能夠根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)上傳的信息正確識(shí)別當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中元件的運(yùn)行狀態(tài)，其次根據(jù)故障信息判斷故障詳細(xì)情況，再次，根據(jù)其他邊界條件判斷是否進(jìn)行復(fù)歸操作將告警信號(hào)恢復(fù)。因此目前對(duì)于智能化設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備的終端設(shè)備進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)時(shí)，其設(shè)計(jì)的設(shè)備已經(jīng)不再僅僅針對(duì)于設(shè)備本身，而是關(guān)于設(shè)備、通信通道、集控邏輯的綜合維護(hù)，及傳統(tǒng)的設(shè)備、智能組件以及對(duì)應(yīng)的傳感裝置都需要進(jìn)行維護(hù)，與傳統(tǒng)的設(shè)備相比增加了智能組件和傳感裝置，這也是智能設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備在運(yùn)維過程中需要特別注意的地方。

所謂智能組件是由若干個(gè)智能電子裝置集成的智能元件，其主要功能是監(jiān)視、測(cè)量和控制高壓設(shè)備的運(yùn)行。除此之外智能元件還有可能集成相關(guān)的保護(hù)邏輯。因此針對(duì)智能元件的維護(hù)中需要注意組件柜、測(cè)量、控制和保護(hù)裝置的運(yùn)行情況。首先，組件柜需要保持外觀良好，底座和架構(gòu)牢固，金屬?zèng)]有變形，連接部分連接牢固且沒有發(fā)熱現(xiàn)象。其次測(cè)量部分，測(cè)量裝置應(yīng)當(dāng)保持外觀良好，相關(guān)的指示儀表等都顯示正常，采集裝置的指示燈應(yīng)當(dāng)保持常亮、無閃爍。再次，控制組件，控制組件應(yīng)當(dāng)外觀整潔、完整，電子設(shè)備的連接端子應(yīng)當(dāng)牢固可靠，連接金具不存在銹蝕的情景。最后，監(jiān)視裝置同樣應(yīng)當(dāng)保持裝置的外觀整潔，端子牢固可靠，相關(guān)指示裝置應(yīng)當(dāng)在正常工作位置，特別是電源以及表征正常運(yùn)行的指示燈應(yīng)當(dāng)常亮。

由于智能化設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備中采用了IEC61850 規(guī)約和 GOOSE 網(wǎng)進(jìn)行通信，因此智能化設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備在運(yùn)行和故障處置的原理雖然和原有常規(guī)設(shè)備沒有本質(zhì)變化，但是其執(zhí)行步驟和動(dòng)作邏輯卻產(chǎn)生了變化。其中GOOSE 報(bào)文方式取代了傳統(tǒng)設(shè)備采用接點(diǎn)傳遞信息的方式，通過通信網(wǎng)絡(luò)給智能終端發(fā)出相關(guān)命令并傳遞相互之間的啟動(dòng)閉鎖信號(hào)、輸入到智能裝置中的不再是模擬量信號(hào)，而是光數(shù)字信號(hào)。狀態(tài)采集量也從 24V 的直流狀態(tài)信號(hào)變成了對(duì)應(yīng)的光數(shù)字信號(hào)。因此在對(duì)通信終端設(shè)備進(jìn)行維護(hù)時(shí)需要檢查IEC61850 報(bào)文的正確與否。并且需要測(cè)量 GOOSE 網(wǎng)的暢通與否。

4.2 電源管理電路

掌機(jī)是由鋰電池供電，需要有長時(shí)間的待機(jī)工作狀態(tài)，因此電源管理電路需要有低功耗控制模式。應(yīng)用電路原理圖如3所示。紅外通信、RS485通信、RF無線通信和液晶顯示等在待機(jī)狀態(tài)下不需要工作，MCU通過控制這些電路的供電電源，實(shí)現(xiàn)低功耗模式。圖3中V_YJ電平是鋰電池的電壓信號(hào)，大約在3.7～4.2V之間，MCU的I/O口輸出的控制電平其電壓是MCU的工作電壓值3.3V，因此用PNP和NPN三極管組合完成電平兼容設(shè)計(jì)，MCU通過三極管電路控制低功耗模式下的工作電源，掌機(jī)進(jìn)入低功耗模式后，功耗降低到微功耗狀態(tài)，工作電流為12～16μA。

4.3 信號(hào)采集數(shù)據(jù)的顯示界面設(shè)計(jì)

用戶圖形顯示界面由主界面和對(duì)應(yīng)的子功能界面組成.系統(tǒng)初始化后進(jìn)入主界面菜單，主界面有三個(gè)按鈕，點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕進(jìn)入下一級(jí)菜單.三個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)的子菜單分別為：系統(tǒng)配置（包括系統(tǒng)校時(shí)設(shè)置、信號(hào)類型和量程設(shè)置和退出）、采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示（包括電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)和退出，有表格和曲線兩種顯示形式）和回放顯示（包括下載回放列表和回放控制，主要完成系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)下載和回放）.

4.4 通信終端設(shè)備的維護(hù)

由于智能化設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備中采用了IEC61850規(guī)約和GOOSE網(wǎng)進(jìn)行通信，因此智能化設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備在運(yùn)行和故障處置的原理雖然和原有常規(guī)設(shè)備沒有本質(zhì)變化，但是其執(zhí)行步驟和動(dòng)作邏輯卻產(chǎn)生了變化。其中GOOSE報(bào)文方式取代了傳統(tǒng)設(shè)備采用接點(diǎn)傳遞信息的方式，通過通信網(wǎng)絡(luò)給智能終端發(fā)出相關(guān)命令并傳遞相互之間的啟動(dòng)閉鎖信號(hào)、輸入到智能裝置中的不再是模擬量信號(hào)，而是光數(shù)字信號(hào)。狀態(tài)采集量也從24V的直流狀態(tài)信號(hào)變成了對(duì)應(yīng)的光數(shù)字信號(hào)。因此在對(duì)通信終端設(shè)備進(jìn)行維護(hù)時(shí)需要檢查IEC61850報(bào)文的正確與否。并且需要測(cè)量GOOSE網(wǎng)的暢通與否。

5 結(jié)束語

綜上所述，目前我國電網(wǎng)正在如火如荼的進(jìn)行自動(dòng)化和智能化的改造工程。智能設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備的加入改變了電網(wǎng)終端設(shè)備的運(yùn)行方式和運(yùn)行特性。自動(dòng)化和智能化的改造不僅改進(jìn)了電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)模式，更為電網(wǎng)的管理水平提升提供了必要的硬件支持。文章指出了通信設(shè)備對(duì)于智能化設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備的重要性，并對(duì)電網(wǎng)主要終端設(shè)備的運(yùn)行變化和運(yùn)維技術(shù)以及通信設(shè)備的運(yùn)維技術(shù)都進(jìn)行了闡明。希望能給相關(guān)單位一定借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]胡芳，李靖，林展華，張耀，金鑫.基于嵌入式的智能電網(wǎng)2M轉(zhuǎn)以太網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電力信息與通信技術(shù)，2015，11：48-51.

[2]劉巖，汪強(qiáng)，徐小蘭，苑斌斌.基于智能電網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)[J].現(xiàn)代電信科技，2013，03：51-54.

[3]馬野.淺談變電檢修中存在的問題[J].科技與企業(yè)，2011（08）.

[4]王宏，張怡.供電企業(yè)變電運(yùn)行專業(yè)培訓(xùn)過程中的認(rèn)識(shí)和實(shí)踐[J].中國電力教育，2011（15）.