基于工業(yè)以太網(wǎng)的高壓輸電測控系統(tǒng)研究*

李建輝 馬軍

(1.佳木斯大學,黑龍江佳木斯 154007;2.中建材佳星玻璃(黑龍江)有限公司,黑龍江佳木斯 154005)

1 概述

1.1 工業(yè)以太網(wǎng)應用概述

工業(yè)以太網(wǎng)技術在電力系統(tǒng)變電站、發(fā)電廠監(jiān)控運行中已應用多年,它也是電力部門較早的局域網(wǎng)技術。工業(yè)以太網(wǎng)技術電力系統(tǒng)調度、管理部門與發(fā)電廠、變電站的運行、監(jiān)控等現(xiàn)場管理部門之間建立了良好的通信連接。為電力系統(tǒng)服務的各可編程邏輯控制器和集散控制系統(tǒng)廠商都支持工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場控制技術,在發(fā)電廠、變電站的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、故障分析、控制數(shù)據(jù)的傳輸?shù)玫搅送昝赖膽?。工業(yè)以太網(wǎng)控制技術的不斷完善和改進對比總線控制技術在電力系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢越來越明顯。工業(yè)以太網(wǎng)控制技術是控制界的未來著力點,在工業(yè)智能化、網(wǎng)絡化的過程中會承擔更重要的角色[1]。

由于我國幅員遼闊、電力生產(chǎn)能源分布的不均衡,我國電力系統(tǒng)網(wǎng)絡建設需要以高壓供配電系統(tǒng)為主。十三五規(guī)劃后已建成三縱三橫的大互連電力高壓,網(wǎng)絡我國特高壓交直流輸電和配電網(wǎng)構成的分層、分區(qū)、結構清晰的現(xiàn)代化大電網(wǎng)。我國現(xiàn)在作為一個在裝機容量和年發(fā)電量居世界第一位國家,在電力系統(tǒng)運行參數(shù)測控方面有更多的需求[2]。

1.2 高壓測量的難點

在高壓輸電測控系統(tǒng)中,當前因為輸變電系統(tǒng)中的電壓幅值高和電流數(shù)值大,所以高壓輸電測控系統(tǒng)仍需研究以下幾個主要問題[3]。

(1)在高壓測控系統(tǒng)中的設備、裝置和線路中存在電暈放電現(xiàn)象,電暈放電帶來的系統(tǒng)傳輸能量損失、污染大氣環(huán)境、對弱電通信線路的電磁擾動及電暈局部擊穿產(chǎn)生的噪聲等。隨著高電壓工程電壓等級的逐步提高,電暈放電對高壓測控系統(tǒng)中的設備、裝置和線路絕緣結構及絕緣設計帶來了新的挑戰(zhàn)。

(2)在高壓測控系統(tǒng)中的設備、裝置和線路的電磁兼容問題在故障測量參數(shù)的動態(tài)過渡過程中仍然是不易解決的難題。目前我國電力設計、施工部門基本采用光纖構成光電耦合的信號傳導介質,采用對重點設備、裝置進行金屬罩和金屬網(wǎng)屏蔽措施,電信號傳導通道采用整流器、低通濾波器、信號隔離變壓器等有效方法解決電磁問題。

(3)在高壓測控系統(tǒng)中的傳輸回路和二次回路中存在電參數(shù)振蕩,現(xiàn)場控制目前采用加裝阻尼電阻元件、對二次回路的信號電纜出線端進行線路補償來防止信號反射,從而降低了信號振蕩的產(chǎn)生。

(4)電力系統(tǒng)多機聯(lián)動及動態(tài)過程參數(shù)測量需要控制信號的一致,同步觸發(fā)器就是關鍵設備。計算機組成的數(shù)字錄波器、示波器的應用,為高壓動態(tài)測量的準確提供了技術上的保證。

1.3 高壓輸電測控系統(tǒng)性能要求

高壓輸電測控系統(tǒng)的控制器系統(tǒng)主要實現(xiàn)現(xiàn)場輸入、輸出接口完成運行參數(shù)數(shù)據(jù)的上傳、下裝,對數(shù)據(jù)的邏輯和算術計算及對各總線的控制功能。根據(jù)軟件設置方式和硬件組成元件的差異,組建了參數(shù)過程控制系統(tǒng)站、參數(shù)邏輯控制系統(tǒng)站。數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制站分別通過不同軟硬件組態(tài),便捷的是了電力系統(tǒng)各電氣參數(shù)的采集。測量、顯示、調節(jié)、報警、控制回路可以采用一下簡單控制算法,由現(xiàn)場控制器完成各項基本功能,現(xiàn)場控制器課通過以太網(wǎng)、串口、CAN 總線等形式與外部設備連接,完成高壓測控系統(tǒng)的軟硬件功能,并可實訓實時修改程序內容等工作[4]。

2 高壓輸電測控系統(tǒng)硬件設計

通過對工業(yè)以太網(wǎng)控制技術的深入學習,高壓輸電測控系統(tǒng)選用國產(chǎn)GRT-220ET以太網(wǎng)芯片,完成發(fā)電廠、變電站與電力管理部門的網(wǎng)絡通信。通過該系統(tǒng)可以遠程完成對現(xiàn)場的各種高電壓參數(shù)的測量?，F(xiàn)場控制站中采用ARM+DSP 的雙CPU 結構,ARM 處理器作為主CPU,主要用于與變電站及主控中心進行網(wǎng)絡通信,符合IEC61850體系的變電站自動化系統(tǒng)的設計思想,嵌入式操作系統(tǒng)使用的網(wǎng)絡協(xié)議族是內嵌在高效多任務調度和中斷管理的操作系統(tǒng),ARM 架構的以太網(wǎng)通信模式打破了在工業(yè)控制領域的諸多應用限制。DSP利用自身運算速度快擅長數(shù)字信號處理的優(yōu)點進行高壓電量采集、計算、邏輯判斷,有效地保證了測控系統(tǒng)的實時性、速動性和可靠性,并在系統(tǒng)發(fā)生故障時進行錄波,記錄故障時的各種電量數(shù)據(jù)以供后臺計算機系統(tǒng)分析。圖1 所示為采用ARM+DSP 的電量測控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結構圖[5]。

圖1 ARM+DSP 的電量測控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結構圖Fig.1 Hardware system structure diagram of the power measurement and control system based on ARM+DSP

2.1 系統(tǒng)總體構成

圖1中,ARM處理器選用32位的MC68332作為主機模塊,完成對整個高壓測控系統(tǒng)中各項任務的管理和調度,負責人機接口、網(wǎng)絡通信、故障判斷、歷史數(shù)據(jù)負責高壓電量采集、計算、邏輯判斷和實時顯示功能。MC68332和TMS320LF2407A之間通過雙口RAM進行數(shù)據(jù)交換。DSP總啟動元件與DSP測控顯示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電子電路完全獨立,只有在總啟動元件動作才能開放顯示出口電路的電源,從而真正保證了任一器件損壞不至于引起系統(tǒng)保護的誤動作。

2.2 數(shù)據(jù)采集過程

(1)高壓供電線路測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用比較式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),待測量的一次2設備的電氣量經(jīng)過電壓互感器(TV)和電流互感器(TA)轉換為二次電壓和電流。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能就是將由TV、TA輸入至測控系統(tǒng)的電壓、電流模擬量精確的轉換為CPU系統(tǒng)所需的數(shù)字量。比較式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由電壓形成、模擬濾波、采樣保持、多路轉換以及模數(shù)轉換構成。

(2)測控系統(tǒng)從電力線路或設備上取得電流、電壓等信息,雖然有電流、電壓互感器的變換,數(shù)值仍然較大,計算機不能處理,需要再次經(jīng)電壓形成回路降低和變換。通常變換為正負2.5伏、正負5伏和正負10伏的信號,具體取決于所用模數(shù)轉換器的要求。電壓形成回路主要包括電流變換器和電壓變換器。電壓形成回路可以起到隔離和屏蔽作用,能減小高壓設備對微機測控系統(tǒng)的干擾。

2.3 人機交互構成

人機接口模塊采用MCS51系列的DS80320芯片,負責人機接口和通信管理,完成與主機模塊的通信,從主機活動實時計算的供電網(wǎng)絡的運行參數(shù),并通過大屏幕液晶顯示器顯示,以及項主模塊下達操作命令[6]。

3 高壓輸電測控系統(tǒng)軟件設計

微機測控裝置接通電源或測控系統(tǒng)復位時,CPU響應復位中斷,進入主程序入口[7]。主程序框圖如圖2所示,主要部分功能說明如下:

圖2 主程序框圖Fig.2 Main block diagram

3.1 主程序初始化內容

初始化一主要是對微處理器CPU 及其擴展芯片的初始化及測量系統(tǒng)輸出的開關量出口初始化,賦以正常初值,保證輸出繼電器均不動作。初始化一是運行與監(jiān)控程序都需要用到的初始化程序。工作人員可以通過人機接口選擇調試進入監(jiān)控狀態(tài),選擇運行則進入初始化二程序。初始化二的內容包括采樣定時器、RAM區(qū)的軟件計數(shù)器及各種標志位清零。

3.2 系統(tǒng)全面自檢過程

全面自檢,初始化二后進入全面自檢程序,自檢內容包括RAM、EPROM、開關量回路等。全面自檢通過進入數(shù)據(jù)采集初始化、開中斷模數(shù)轉換。主程序進入相應的主循環(huán)程序。包括自檢循環(huán)和故障處理程序。

在自檢程序中,如果檢測到故障啟動標志,則進入故障處理程序。故障處理程序完成保護跳閘和重合閘等全部處理任務,清除所有臨時標志,收回各種操作命令。

3.3 采樣中斷服務程序

采樣中斷服務程序主要包括采樣計算,TV、TA 斷線自檢及故障保護啟動元件3個部分。同時還可以根據(jù)不同故障的特點,增加一些檢測被保護狀態(tài)的程序。

3.4 故障處理程序

故障處理程序包括保護軟壓板的投切檢查、各種保護的動作判據(jù)計算及定值比較、邏輯判斷等部分。

4 結語

高電壓測試技術隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的網(wǎng)絡化、集成化、智能化的發(fā)展,現(xiàn)代科技的發(fā)展,測量系統(tǒng)的各項性能指標達到了一個新的高度。在電力系統(tǒng)設備的測試試驗研究方面,實現(xiàn)了高精確度、響應迅速、多變量耦合、強輻射干擾下電氣測量信號的獲得以及檢測自動化等方向發(fā)展;在電力現(xiàn)場工程應用上,在發(fā)電廠、變電站和供配電線路,正向著現(xiàn)場控制測量、電氣參數(shù)實時監(jiān)測、系統(tǒng)智能診斷的專家系統(tǒng)方向發(fā)展。