变电站智能电子设备通信和人机交互设计



2008年6月
河北北方学院学报(自然科学版)
第3期
变电站智能电子设备通信和人机交互设计
颜 哲
(天津工业大学信息与通信工程学院.天津300160)
摘要:目前.中国国内电网以大机组。超高压输电和自动化为主要特征.运行状况非常复杂。发生事故时 必须掌握实时信息,才能及时决策处理.变电站作为电网的重要节点,要提供实时的通讯信息作为进行分析的 基础.在变电站中,各类自动化及继电保护装置的数据实时传输也是进行事故分析和调度的前提.这就对变电 站的通信网络提出了很高的要求.内部的通信中最重要的是使用新的、高性能的通信网络以满足不断增长的技 术需求.以太网应用于变电站自动化系统的过程总线和厂站总线已经成为新一代变电站自动化系统的发展趋 势.提出的包括以太网等多种通讯接口的通讯系统,能够更加满足变电站对实时性的要求. 关键词:变电站自动化;实时;操作系统 中图分类号:TP
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文献标识码:A
文章编号:1673-1492(2008)03-0062?03
1变电站的自动化发展
变电站是整个电网中重要的一部分,担负着电 能传输、分配、控制和管理的任务.变电站继电保 护、监控自动化系统是保证上述任务完成的基础. 随着工农业的发展,不断提高的用电量给变电站带 来很多问题,例如输配电容量增加需要变电站扩容 或技术改造,需要重新考虑安全和经济运行.解决 这些问题就要提高变电站自动化水平[1]. 变电站自动化的研究工作始于70年代,变电 站以综合自动化为目标全面发展,提高了变电站的 技术水平,以及运行的可靠性和管理水平.变电站 综合自动化自20世纪90年代以来一直是中国电力 行业中的热点之一.每年变电站的数量以3%~ 5%的速度增长,也就是每年都有千百座新建电站 投人电网运行.同时根据电网的要求,每年又有不 少变电站进行技术改造,以提高自动化水平.微机 保护的广泛应用,使变电站自动化取得实质性的进 展‘引. 当前综合自动化系统的特点是各现场输入输出 单元部件分别安装在中低压开关柜或高压一次设备 附近,现场单元部件可以是保护和监控功能的二合 一装置,用以处理各开关单元的继电保护和监控功 能,亦可以是现场的微机保护和监控部件分别保持
来稿日期:2008·04?17
其独立性.在变电站控制室内设置计算机系统,对 各现场单元部件进行通信联系进行监控.因此,综 合自动化的核心是自动监控系统,而综合自动化的 纽带是监控系统的局域通信网络,它把微机保护、 微机自动装置、微机远动功能综合在一起,形成一 个具有远方数据传输功能的自动监控系统. 变电站自动化系统中常用的串行通信接口 RS485虽有接口标准化范化和多数智能单元接口 方便的优点,但不足之处是通信有效距离短,而 RS485总线为主从结构,主接点工作繁忙时,影 响系统性能和可靠性.目前国内推出的系统广泛采 用的现场总线型通信方式,如CAN及LonWorks, 相比较可靠性更高,速度更快.现场总线网是一种 多点共享的广播通信信道网,较点对点通信信道网 星形网为优,各结点连在一条总线上亦可采用冗余 总线,不象星形网二结点间通信需通过中心结点. 现场总线网还可以设置信息传输优先级,安排信息 传输的先后,这与变电站各类信息有不同传输响应 时间的要求是相适应的.
2硬件环境
本文研究的微机保护测控综合装置同时具有保 护和监控的功能,它一般安装在中低压开关柜或高 压一次设备附近.保护的基本功能为根据现场的继
作者简介:颜哲(1985一).男,湖南株州人。天津工业大学信息与通信工程学院.
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2008年6月
颜哲:变电站智能电子设备通信和人机交互设计
第3期
电保护配置完成保护功能,接收与执行上位机下发 的保护定值修改,自检功能,发送保护装置的工作 信息.监控的基本功能为测量采集及计算,电能脉 冲采集及累计,对关键芯片的定时自检,与保护单 元的通信,当地显示.同时,装置还要把保护和监 控的大量的数据如电流,电压以及保护信息通过现 场总线网络传送给上位机的数据服务器.数据服务 器与其他的监控子站,调度化工作站通过网络连 结,彼此交换数据,最终数据全部汇总到电网信息 处理中心,进行全局的监控. 本装置在设计上功能较多,对于传统的由单一 CP【厂构成的硬件系统,就显得负担过重.随着 CP【厂价格的大幅降低及性能的提高,目前功能较 强的微机综合保护装置大多采用了多CPU的硬件 结构.如ABB公司的REF542智能型控制保护单 元,采用4片分别负责控制、采样计算、传感器接 入和通信.当然,对于多CPU结构的保护装置, 要协调好各模块之间的工作才能使系统稳定运行. 另外,使各模块之间的数据能够简单快速地传递也 非常关键.因此,针对装置各自的功能特点,选择 合理的硬件结构和调试软件,才能加快研发过程. 本文结合综合保护装置的功能,采用了这种设计思 路,由三个ARM微处理器分别承担保护的各个环 节模拟量的采集与滤波、控制逻辑运算、与上位机 通信、人机交互、数字量开入开出等功能[3]. 根据所完成的功能不同,本微机保护装置在整 体结构上分为保护和监控模块、人机交互模块、通 信模块、开入模块、出口继电器模块、交流电量转 换模块和电源模块.每一个模块都是单独的插件, 各插件通过母板实现电气联系,模块的配置更灵 活,扩展新功能和新资源更方便,升级更容易,实 现了真正的模块化设计.(见图1) 各个模块主要结构如下:
字量的输入; 6)出口继电器模块:包括跳合闸出口和信号 输出等数字量的输出; 7)电源模块:输出整个系统所需要的各种电
源.
双C^增日络
围1微机综合保护装置硬件结构图
3功能模块介绍
3.1人机交互部分 装置的人机交互部分是直接面对用户的部分, 是沟通用户和装置之间的桥梁.需要遵循一致性原 则、提供信息反馈以及界面操作便捷等原则.本装 置采用表单式产品界面设计模式,微机保护装置的 人机交互模块提供如下功能: 1)液晶显示定时显示检测到的电量信息显示 报警信息和保护动作信息:显示各种菜单选项,包 括保护配置、保护定值、历史记录; 2)键盘操作响应用户菜单项选择设定参数修 改保护定值; 3)指示灯指示电源、保护动作、告警等状态 变位信息. 3.2通信部分 装置通信配备了对外通信的多种接口:RS485 总线接口、双CAN现场总线接口以及双嵌入式以 太网接口,足以满足与站内智能设备(JED)以及 站控层的通信要求. RS485是现场运用最广泛的总线接口,其具 有接口标准化、规范化和多数智能单元接口方便的 优点. LPC2292包含2个CAN控制器.单个总线上 的数据传输速率高达1Mb/s,32位寄存器和RAM 访问兼容CAN2.0 B,IS011898-l规范.全局验
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1)保护和监控模块:包括保护和监控CP队
存储器、A/D转换电路等; 2)人机交互模块:包括故障指示灯、液晶和 键盘控制等电路; 3)通信模块:包括RS485、双CAN现场总 线接口、双嵌入式以太网接口等对外通信接口;
’4)交流电量转换模块:包括TWTA及其滤
波电路等l 5)开入模块:包括开关位置、刀闸位置等数
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收滤波器可以识别所有的11位和29位Rx标识 符,验收滤波器为选择的标准标识符提供了Full? CAN-style自动接收.控制器根据规范来对发送和 接收错误进行计数、处理.当CAN控制器的接收 端已接收到一个完整的标识符,它将通知验收滤波 器.验收滤波器响应这个信号,并读出控制器编 号、标识符尺寸,以及来自控制器本身的标识符. 然后,验收滤波器搜索RAM中的表格,以决定接 收或放弃这一帧信息.总的来说具有系统通信速度 快抗干扰能力强组态灵活等优点.通信模块采用两
继电器回路与信号继电器回路构成.开入模块负责 输人变电站中的断路器状态、小车位置、刀闸状态 以及其他的开关量状态或者位置.开关量的输入回 路采用电阻降压和光祸隔离的方法实现输入信号电 平的转换.交流电量转换模块通过11V和丁A将变 电站二次侧输人的交流电流和交流电压转换为模拟 电压信号.Ty和TA还可以将微机系统与外界在 电气上隔离,从而抑制干扰,保证微机装置安全可 靠工作.
片82C250和光耦隔离芯片孔P114A,就在硬件
上实现了两路CAN现场总线的扩展. 3.3其它模块介绍 本微机保护监控综合装置采用分散式的结构形 式,除上述人机交互和通信,还有其他功能模块保 护和监控模块、开入模块、出口继电器模块、交流 电量转换模块和电源模块. 保护和监控模块主要实现以下功能:处理AD 采样、微机保护和测量算法、接收开入模块的各种 输入信号、向出口继电器模块发出保护命令以及和 人机交互模块通信.保护和监控CPU均采用 Philips公司生产的芯片,它与LPC2292的区别就 是减少了两路CAN控制器,其他功能大体相似. 采样电路采用MAXl25芯片,其多路复用技术, 可以实现双4路同步采样.保护CPU、测量CPU 和人机交互之CPU间通过485总线通信,接收灵 敏度高,抗干扰性能好. 出口继电器模块接收主机模块的命令,实现跳 合闸功能和信号出口.由跳合闸继电器回路、中间
4结论
基于现代电网需要变电站可靠实时的进行数据 传输的要求,本文所研究的系统选用了高32性能 的位ARM微处理器,相对其他微处理器具有更高 的主频和更丰富的外设资源.在装置内部,采用工 业RS485总线接口与保护和监控模块交换数据. 在对外通信上,配备了RS-485总线接口、双 CAN现场总线接口以及双嵌入式以太网接口,足 以满足各种变电站通信网络接人的要求. 参考文献:
[13郑建勇,吴在军,胡敏强,等.一种能够实现异种网络互 联的通信控制器口].电力系统自动化.2003.27(12):55 [2]王远璋.变电站综合自动化现场技术与运行维护[M]. 北京:中国电力出版社,2004.1-23
[3]张楠,黄益庄.唐晓泉,等.多CPU结构综合保护装置 内部通信的实现[J].电力自动化设备,2001,21
(儿):40-43 [责任编辑:刘守义]
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