0 引言

    箱式變電站（簡稱“箱變”）具有體積小,、移動方便等優(yōu)點,，已大量應(yīng)用于我國的供輸電系統(tǒng)^[1]。然而,，傳統(tǒng)的箱式變電站智能化程度還很低,，存在數(shù)據(jù)采集滯后、監(jiān)控功能單一,、無法做到事前預(yù)警等問題^[2],。因此，實現(xiàn)箱變的智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控具有重要的意義^[3-4],。

    黃新波等基于雙核理念設(shè)計了一種箱變監(jiān)測裝置,，對電壓、電流,、功率,、頻率等電力參數(shù)和溫度進行監(jiān)測^[5]。黃紹平等設(shè)計了一種基于AT89S52單芯片的箱變監(jiān)控裝置,，對溫濕度和凝露進行監(jiān)控^[6],。馮利民等設(shè)計了一種基于Intel單片機的箱變監(jiān)測終端系統(tǒng)，實現(xiàn)對溫度,、電流,、電壓等參數(shù)的實時監(jiān)控^[7]。郭文敏等設(shè)計了基于單片機80C196KC的箱變監(jiān)控系統(tǒng),，可監(jiān)測各相電流,、電壓、功率因數(shù),、電能等^[8],。但總的來說，目前箱變監(jiān)控系統(tǒng)還存在監(jiān)測參量不全面,、功能單一等問題,，且多數(shù)為單核系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的通信接口,，處理大數(shù)據(jù)的實時性差^[9-10],。因此，設(shè)計一種監(jiān)測參量全面,、功能豐富,、實時性和可靠性高且具有統(tǒng)一通信接口和協(xié)議的箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行^[11],。

    本文采用ARM+DSP雙核技術(shù)和GPRS無線通信方式，設(shè)計了一種能夠?qū)貪穸?、凝露,、煙感等環(huán)境參量，電壓,、電流,、功率、頻率,、諧波,、負(fù)載等電氣參量以及開關(guān)量同時進行監(jiān)測的智能化遠(yuǎn)程箱變監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢,、故障預(yù)警,、能效分析等功能。

1 智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

    如圖1所示,，基于模塊化設(shè)計思想,，箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件模塊主要有電源模塊、CPU模塊,、DSP模塊,、模擬量采集模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊,、通信模塊,、人機接口模塊等。

    下面結(jié)合圖2所示的硬件工作原理圖,，對箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主要硬件模塊進行介紹,。

1.1 ARM與DSP接口

    箱式變電站的監(jiān)控參量眾多，數(shù)據(jù)量大,，實時性要求高，所以主處理器ARM 選用S3C2410,，內(nèi)核為ARM920T,，基于ARMv4架構(gòu)，能夠達(dá)到ARM7處理器兩倍以上的處理能力,。從處理器DSP選用TMS320C5420,，擁有兩個DSP核，速度達(dá)到200 MIPS,，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力,。雙端口RAM選用IDT70261，具有數(shù)據(jù)存取速度快,、正確性高,、可擴展等優(yōu)點,，特別適用于需要大批量數(shù)據(jù)處理的箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控場合。

    ARM與DSP之間的高速數(shù)據(jù)傳輸通過雙端口RAM 來實現(xiàn),，具有實時性好,、傳輸數(shù)據(jù)量大等特點^[12]。在硬件連接中,，雙端口RAM的左端連接ARM,，右端連接DSP，如圖3所示,。

1.2 箱變電源模塊

    電源模塊的持續(xù)供電是箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ),。箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的電源模塊包括交流電源和直流電源兩部分。交流電源220 V主要給電源管理模塊供電,，直流電源5 V,、3.3 V、1.8 V等分別給CPU,、DSP,、Flash、ADC等裝置供電,。

    箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的電源供電原理如圖4所示,。為提高電源模塊供電的可靠性，采用雙交流電源為電源管理模塊供電,。當(dāng)一路交流電源出現(xiàn)故障時,，可迅速切換到另一路交流電源。同時,，采用蓄電池作為后備電池,，當(dāng)交流電源正常工作時，電源管理模塊給蓄電池充電,；當(dāng)交流電源失電時,，蓄電池立即投入工作，從而有效保障了箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)運行,。

1.3 模擬量采集模塊

    如圖5所示,，從電壓互感器PT、電流互感器CT獲取的電壓,、電流信號是不能直接輸入到DSP進行數(shù)據(jù)處理的,，必須經(jīng)過信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。信號調(diào)理是將PT,、CT中得到的u,、i模擬信號經(jīng)放大電路、低通濾波、采樣保持,，轉(zhuǎn)換到ADC要求的電壓范圍,。A/D轉(zhuǎn)換器再將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，之后傳送到DSP進行電量參數(shù)的計算和處理,，得到u,、i的有效值、有功功率,、無功功率,、功率因數(shù)和諧波等各種電氣參量。

    與此同時,，箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)還需要對溫濕度,、凝露、煙感等環(huán)境參量進行監(jiān)測,。在環(huán)境參量采集中,，傳感器采集到的環(huán)境參數(shù)也要經(jīng)過信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路處理，然后輸入到ARM中,。

1.4 開關(guān)量輸入輸出模塊

    開關(guān)量輸入模塊的作用是實現(xiàn)箱變監(jiān)控系統(tǒng)的遙信量采集,，即通過監(jiān)測箱變內(nèi)開關(guān)設(shè)備的輔助常開、常閉觸點,，從而識別負(fù)荷開關(guān),、斷路器、電容器和風(fēng)機等電力裝置的開關(guān)狀態(tài),。遙信量采集易受到電磁干擾,，因此在箱變的開關(guān)量輸入模塊中加入低通濾波電路和光電隔離器。

    開關(guān)量輸出模塊的作用是實現(xiàn)箱變監(jiān)控系統(tǒng)的遙信量控制,，即控制箱變內(nèi)電力裝置開關(guān)的分合,。為有效抵抗干擾，開關(guān)量輸出信號首先鎖存到控制緩沖器,，再經(jīng)光電隔離和功率放大后驅(qū)動繼電器,，由繼電器控制電力裝置開關(guān)的分合。為進一步提高開關(guān)量輸出的可靠性,，在繼電器輔助觸點處增加一個開關(guān)量反饋輸入,，以監(jiān)測繼電器的實際動作情況。

1.5 箱變通信模塊

    箱變監(jiān)控終端與監(jiān)控中心之間的實時通信是開發(fā)箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),，直接影響箱變監(jiān)控系統(tǒng)的實時可靠性。GPRS無線通信技術(shù)具有傳輸速率高,、永遠(yuǎn)在線,、通信費用低、供電維護方便、覆蓋范圍廣等特點^[13-14],。本文選用MG323,，通過RS232接口與主CPU相連，并在CPU的控制下進行GPRS網(wǎng)絡(luò)連接,，實現(xiàn)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)互傳,。MG232模塊具有體積小巧、性價比高,、性能穩(wěn)定,、傳輸速率高等優(yōu)點，能夠滿足箱變智能監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)的高實時性和準(zhǔn)確性要求,。

1.6 人機接口模塊

    監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分安裝在箱變內(nèi)部,，各種裝置的運行情況及其監(jiān)測數(shù)據(jù)需要通過良好的人機界面顯示。本文開發(fā)的箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的人機接口模塊包括LED顯示和鍵盤兩部分,。點陣液晶屏HJ12864ZWG具有功耗低,、操作方便、功能豐富,、體積小巧等優(yōu)點,，能夠滿足箱變內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊的要求。

2 智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

    智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對箱變的環(huán)境參數(shù),、電力參數(shù),、開關(guān)信號等進行實時采集和處理，將故障數(shù)據(jù)上報監(jiān)控中心,，并及時執(zhí)行監(jiān)控中心下達(dá)的指令,，實現(xiàn)遙測、遙控,、遙信和遙調(diào)的“四遙”功能,。

    如圖6所示，在軟件的主程序流程中,，系統(tǒng)首先初始化,，啟動開中斷，然后進行數(shù)據(jù)采集和存儲,。當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時上報故障并執(zhí)行監(jiān)控中心的指令,，再對故障事件進行記錄，最后將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心,。

2.1 模擬量采集流程

2.1.1 電氣參量采集流程

    電氣參量采集模塊的主要任務(wù)是采集交流電壓,、電流信號，準(zhǔn)確而快速地計算有功功率,、無功功率,、諧波等參量。為提高數(shù)據(jù)采集的實時性，將每個周期采樣點設(shè)為64個,，通過中斷控制器和定時器定時采樣,。當(dāng)A/D完成一個周期采樣后，立即送入DSP進行參數(shù)的計算和處理,。電氣參量采集與處理的流程如圖7所示,。

2.1.2 環(huán)境參量采集流程

    與電氣參量不同，環(huán)境參量的采集經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后,，不用經(jīng)過DSP,，而是直接寫入ARM，具體采集流程如圖8所示,。

2.2 開關(guān)量輸入輸出流程

    開關(guān)量輸入輸出模塊的作用是監(jiān)測箱變內(nèi)部電力裝置的開關(guān)狀態(tài),，并通過GPRS通信技術(shù)及時將狀態(tài)信息發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，同時接收監(jiān)控中心的遙控指令,，通過控制相應(yīng)繼電器控制開關(guān)的閉合,。開關(guān)量輸入輸出的具體序流程如圖9和圖10所示。

2.3 GPRS通信流程

    GPRS模塊的主要功能是實現(xiàn)箱變監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程通信,。首先初始化數(shù)據(jù)緩存區(qū)和標(biāo)志信息,，當(dāng)GPRS模塊接收到ARM的AT指令后，完成啟動,，然后向監(jiān)控中心的IP地址發(fā)起網(wǎng)絡(luò)連接,，連接成功后按照設(shè)計的數(shù)據(jù)格式向監(jiān)控中心傳輸數(shù)據(jù)。GPRS通信流程如圖11所示,。

2.4 軟件功能模塊及其實現(xiàn)

    為方便工作人員監(jiān)控箱變的運行狀態(tài),，實現(xiàn)“四遙”功能，并進行數(shù)據(jù)查詢,、故障預(yù)警,、能效分析等操作，箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)配有上位機監(jiān)控軟件,。該軟件采用JavaScript和HTML設(shè)計前端界面,，用C#開發(fā)后臺處理程序，實現(xiàn)了實時監(jiān)控,、統(tǒng)計分析,、用戶管理等功能。軟件功能,、系統(tǒng)主界面如圖12和圖13所示,。

3 結(jié)論

    本文針對箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)實時性差、功能不健全等問題,，基于雙核技術(shù)和GPRS無線通信方式,，給出了模擬量采集,、開關(guān)量輸入輸出等模塊的硬件工作原理圖和軟件實現(xiàn)流程圖，研發(fā)了一種基于ARM與DSP的箱式變電站智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),。該系統(tǒng)用DSP采集和處理數(shù)據(jù)，用ARM完成通信接口,、人機接口和I/O控制等外圍工作,，充分發(fā)揮DSP和ARM的優(yōu)點，解決了數(shù)據(jù)采集和處理時滯性等問題,。同時,，該系統(tǒng)能夠?qū)貪穸取⒛?、煙感等環(huán)境參量,，電壓、電流,、功率,、頻率、諧波,、負(fù)載等電氣參量以及開關(guān)量同時進行智能化遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制,，還實現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢、故障預(yù)警,、能效分析等功能,。總的來說,，本文研發(fā)的箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),，實時性高，功能全面,，性能優(yōu)越,，運行穩(wěn)定，對實施防御性維護,、提高供電質(zhì)量以及節(jié)能降耗等都具有重要意義,。

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作者信息:

張  翠,，高新勤，李  楠

（西安理工大學(xué) 機械與精密儀器工程學(xué)院,，陜西 西安710048）