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，存在數據采集滯后、監(jiān)控功能單一、無法做到事前預警等問題^[2]。因此，實現箱變的智能化遠程監(jiān)控具有重要的意義^[3-4]。

    黃新波等基于雙核理念設計了一種箱變監(jiān)測裝置，對電壓、電流、功率、頻率等電力參數和溫度進行監(jiān)測^[5]。黃紹平等設計了一種基于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]。馮利民等設計了一種基于Intel單片機的箱變監(jiān)測終端系統(tǒng)，實現對溫度、電流、電壓等參數的實時監(jiān)控^[7]。郭文敏等設計了基于單片機80C196KC的箱變監(jiān)控系統(tǒng)，可監(jiān)測各相電流、電壓、功率因數、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，且多數為單核系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的通信接口，處理大數據的實時性差^[9-10]。因此，設計一種監(jiān)測參量全面、功能豐富、實時性和可靠性高且具有統(tǒng)一通信接口和協議的箱變智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行^[11]。

    本文采用ARM+DSP雙核技術和GPRS無線通信方式，設計了一種能夠對溫濕度、凝露、煙感等環(huán)境參量，電壓、電流、功率、頻率、諧波、負載等電氣參量以及開關量同時進行監(jiān)測的智能化遠程箱變監(jiān)控系統(tǒng)，實現了數據查詢、故障預警、能效分析等功能。

1 智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

    如圖1所示，基于模塊化設計思想，箱變智能遠程監(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、開關量輸入/輸出模塊、通信模塊、人機接口模塊等。

    下面結合圖2所示的硬件工作原理圖，對箱變智能遠程監(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，數據量大，實時性要求高，所以主處理器ARM 選用S3C2410，內核為ARM920T，基于ARMv4架構，能夠達到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，速度達到200 MIPS，具有強大的數據處理能力。雙端口RAM選用IDT70261，具有數據存取速度快、正確性高、可擴展等優(yōu)點，特別適用于需要大批量數據處理的箱變智能遠程監(jiān)控場合。

    ARM與DSP之間的高速數據傳輸通過雙端口RAM 來實現，具有實時性好、傳輸數據量大等特點^[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)供電是箱變智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)正常運行的基礎。箱變智能遠程監(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。當一路交流電源出現故障時，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，當交流電源正常工作時，電源管理模塊給蓄電池充電；當交流電源失電時，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進行數據處理的，必須經過信號調理電路和A/D轉換電路。信號調理是將PT、CT中得到的u、i模擬信號經放大電路、低通濾波、采樣保持，轉換到ADC要求的電壓范圍。A/D轉換器再將模擬量轉化為數字量，之后傳送到DSP進行電量參數的計算和處理，得到u、i的有效值、有功功率、無功功率、功率因數和諧波等各種電氣參量。

    與此同時，箱變智能遠程監(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)境參數也要經過信號調理電路和A/D轉換電路處理，然后輸入到ARM中。

1.4 開關量輸入輸出模塊

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

    開關量輸出模塊的作用是實現箱變監(jiān)控系統(tǒng)的遙信量控制，即控制箱變內電力裝置開關的分合。為有效抵抗干擾，開關量輸出信號首先鎖存到控制緩沖器，再經光電隔離和功率放大后驅動繼電器，由繼電器控制電力裝置開關的分合。為進一步提高開關量輸出的可靠性，在繼電器輔助觸點處增加一個開關量反饋輸入，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)箱變智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術，直接影響箱變監(jiān)控系統(tǒng)的實時可靠性。GPRS無線通信技術具有傳輸速率高、永遠在線、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網絡連接，實現與監(jiān)控中心的數據互傳。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)遠程傳輸數據的高實時性和準確性要求。

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部，各種裝置的運行情況及其監(jiān)測數據需要通過良好的人機界面顯示。本文開發(fā)的箱變智能遠程監(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，能夠滿足箱變內部結構緊湊的要求。

2 智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

    智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)對箱變的環(huán)境參數、電力參數、開關信號等進行實時采集和處理，將故障數據上報監(jiān)控中心，并及時執(zhí)行監(jiān)控中心下達的指令，實現遙測、遙控、遙信和遙調的“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，然后進行數據采集和存儲。當發(fā)現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，最后將數據上傳至監(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是采集交流電壓、電流信號，準確而快速地計算有功功率、無功功率、諧波等參量。為提高數據采集的實時性，將每個周期采樣點設為64個，通過中斷控制器和定時器定時采樣。當A/D完成一個周期采樣后，立即送入DSP進行參數的計算和處理。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)境參量的采集經過A/D轉換后，不用經過DSP，而是直接寫入ARM，具體采集流程如圖8所示。

2.2 開關量輸入輸出流程

    開關量輸入輸出模塊的作用是監(jiān)測箱變內部電力裝置的開關狀態(tài)，并通過GPRS通信技術及時將狀態(tài)信息發(fā)送給遠程監(jiān)控中心，同時接收監(jiān)控中心的遙控指令，通過控制相應繼電器控制開關的閉合。開關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箱變監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)控中心的遠程通信。首先初始化數據緩存區(qū)和標志信息，當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)起網絡連接，連接成功后按照設計的數據格式向監(jiān)控中心傳輸數據。GPRS通信流程如圖11所示。

2.4 軟件功能模塊及其實現

    為方便工作人員監(jiān)控箱變的運行狀態(tài)，實現“四遙”功能，并進行數據查詢、故障預警、能效分析等操作，箱變智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)配有上位機監(jiān)控軟件。該軟件采用JavaScript和HTML設計前端界面，用C#開發(fā)后臺處理程序，實現了實時監(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，基于雙核技術和GPRS無線通信方式，給出了模擬量采集、開關量輸入輸出等模塊的硬件工作原理圖和軟件實現流程圖，研發(fā)了一種基于ARM與DSP的箱式變電站智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)用DSP采集和處理數據，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，解決了數據采集和處理時滯性等問題。同時，該系統(tǒng)能夠對溫濕度、凝露、煙感等環(huán)境參量，電壓、電流、功率、頻率、諧波、負載等電氣參量以及開關量同時進行智能化遠程監(jiān)測和控制，還實現了數據查詢、故障預警、能效分析等功能。總的來說，本文研發(fā)的箱變智能遠程監(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 機械與精密儀器工程學院，陜西 西安710048）