基于DSP的变电站自动化监控系统的研究

2016-03-11戎宏娜尹育新

电源技术 2016年4期

关键词：底层网关互感器

戎宏娜，尹育新

(1.石家庄信息工程职业学院，河北石家庄050035；2.河北省国土资源厅，河北石家庄050051)

基于DSP的变电站自动化监控系统的研究

戎宏娜1，尹育新2

(1.石家庄信息工程职业学院，河北石家庄050035；2.河北省国土资源厅，河北石家庄050051)

利用数字信号处理器(DSP)和现场总线(CAN)设计了变电站监控系统。该系统选用DSP2407为系统微处理器，SA9904B作为电量的测量芯片，形成了底层变电站测量模块。该模块响应速度快、可靠性强。该系统还可通过通信系统实现远程控制功能，提高了系统的可用性。

变电站；测控单元；DSP；SA9904B

变电站是电力系统的重要组成部分，其可靠运行是电力系统正常工作的保障。因此，对变电站进行有效地监测和控制是电网控制系统的基础。随着计算机、网络通信等技术的快速发展，变电站的自动化程度也日益提高。因此，利用先进的控制技术对变电站底层测控单元进行设计是变电站实现综合自动化系统的主要方法。

近几年来，数字信号处理器(DSP)技术发展迅速。DSP以运行速度快、功耗低和集成度高在军事、航天、自动控制等领域得到了长足发展。与单片机相比，DSP采用改进的哈佛结构、高速的硬件乘法器及多级流水线使DSP具有了很强的处理能力[1]。本文利用DSP芯片设计了变电站自动化系统测量模块，并利用现场总线(CAN)实现底层通信，改善了监控系统的性能；利用公共通信网络和相应的软件开发了远程终端系统，实现了监控一体化。

1 系统结构

变电站是电力线路的连接点，主要功能是对电压和功率进行变换，对电能进行分配。常规变电站由一次设备和二次设备组成。一次设备是指变压器中的主变压器及其附属设备，GIS设备、开关柜设备、动态无功补偿装置、隔离开关、避雷器、零序电流互感器等；二次设备主要的作用是对一次设备起保护作用。二次设备主要有三部分，分别为综合自动化设备、电源系统和通信设备。综合自动化设备包括线路保护测控柜，主变压器保护测控柜，电能计量屏，频率电压紧急控制装置，电能质量监测柜，安防设备等。电源系统主要指直流电源成套装置和交流不间断电源(UPS)。通信设备主要是指通信网关等设备。

依据不同的设备，本系统主要由三个部分组成，第一部分是数据采集及自动控制层，这一部分处于变电站的间隔层，主要是利用测控设备对一次设备的模拟量和开关量进行采集和上传，并接受来自上层的控制命令，利用继电保护系统实现对一次设备的分布式保护。第二部分是通信层，利用二次设备中的通信设备对各个单元的测控数据进行上传，并将控制命令通过该层下达，形成自下而上的数据流和自上而下的控制流。第三部分是变电站的监控与管理系统，收集全站的信息并实时存入数据库，并通过友好的人机界面和强大的数据处理能力实现变电站内就地监视和控制功能，是系统与运行人员之间的接口。

第一部分采集系统的下位机硬件电路的设计是整个系统的基础，本系统采取TMS320LF2407作为核心控制器，可以充分利用DSP高性能和内部资源丰富的优点。具体结构如图1所示。

如图1所示，在变电站中，整个底层采集系统的核心是TMS320LF2407，变电站中的电流及电压等信号依靠电流互感器和电压互感器采集后，通过信号调整电路输入至SA9904B，再由SA9904B输送至TMS320LF2407芯片。在本设计中，电压互感器选用PT03C-2/2，电流互感器选用CT03-5/2.5，这两个互感器采集信号的域值范围大于SA9904B的接收范围，所以在电流和电压互感器前增加信号调理电路，一方面把采集信号转化为SA9904B芯片可以接收的范围；另一方面信号调理电路还应该实现对两种互感器所采集信号的滤波。这些相电压、相电流等信号，经调理后传送至SA9904B，经过SA9904B芯片内部的转换模块对电流和电压进行模/数变换和数字运算，得到有功电能、无功电能和频率等值，再通过SPI接口将这些电气量值传送至芯片TMS320LF2407，从而得到最终的测量值。

图1 底层硬件结构图

变电站内的其他信号，如温度信号也由相应的传感器采集后，由DSP芯片的GPIO引脚传输至存储器，系统的一些开关量也通过GPIO输入。同时，上层传送来的控制命令由GPIO口输出至继电器。

本变电站采取继电保护措施，对系统实行过流保护、过压保护、过负荷保护或差动速断保护。保护的依据是上层发送的控制命令。一部分控制命令是上层服务器依据数据库中存放的数据和下层上传的数据进行对比分析。如果上传数据出了阈值范围，则产生继电器保护动作；另一部分是保护实时性要求较高的部分，直接在DSP芯片中烧制相应的信号判断程序，用于实现即时控制。目前，用于继电保护的DSP算法较多，其中，以快速傅里叶变换(FFT)算法应用最为广泛。

2 系统通信模块设计

在变电站监控系统中，数据的通信是一个重要的环节，其功能主要体现在两方面。一方面是完成变电站内部各子系统或各功能模块间的信息传递。变电站内部设备众多，设备之间又相互关联，各种采集数据需要通过某种传输方式相互传递，同时这些数据还需要通过该通信方式传送至底层监控中心。这一部分的通信要求是数据传输准确、实时性强，在本设计中，采用CAN总线形式；另一方面是完成变电站底层采集系统与控制中心的通信任务。为了完成远程通信，底层数据经DSP简单处理后，需要通过公共通信网络，如因特网或3G、4G网，上传至远程控制中心。这些信息包括采集到的测量信息、断路器和隔离开关的状态信息、继电保护的动作信息等。同时控制中心下达的各种操作和调控命令也通过相应的通信网络下传至底层。在这一部分中，最重要的是网关设计，在本系统中，采用嵌入式系统担任网关，底层控制中心与网关之间采用串口相连。

本监控系统的底层通信采用基于CAN总线的分布式模块化结构。CAN是一种控制器局域网络，作为现场总线的一种，具有高性能、高可靠性、易开发和低成本的优点，是一种串行数据通信协议，而且可以构成多主系统，相应的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，同时，CAN采用了非破坏性仲裁技术支持优先级处理，独特的短帧结构可以大大提高通信速率和增强抗干扰能力，因此在许多工业控制场合得到了广泛应用[2]。底层通信管理模块结构如图2所示。

图2 CAN通信控制器的硬件电路结构框图

整个通信系统分为2个支路，一条支路是底层通信系统，以CAN为核心，由于TMS320LF2407芯片中内部已集成了CAN接口芯片，输出接口外接光电隔离电路后与CAN收发器相连，最后传输至CAN总线。CAN收发器选用PHILIPS公司生产的PCA82C250差动驱动器用为总线接口。为了提高抗干扰性，还需在通信线路的两端并联相应的匹配电阻。

另一条支路是通过RS232端口将综合采集模块采集到的电参量和开关状态量上传到远程控制中心，或者将远程控制命令下达至底层的DSP中心。为了实现以上功能，DSP系统利用RS232串行口与网关相连。嵌入式网关采用ARM芯片S3C6410。串行口将数据传送给网关，网关的作用是进行底层通信协议和上层通信协议的转换。底层采用CAN通信协议，上层采用TCP/IP协议。网关中采Linux操作系统及Socket套接字来实现相应的功能，具体串口连接程序(JAVA)为：

3 结论

本文利用TMS320LF2407精度高、体积小、可靠性强等优点，采用CAN总线及嵌入式网关，设计了智能变电站远程监控系统。经测试证明，该系统结构简单、成本低、操作方便，能够及时准确地测量变电站各电气量的变化，具有广泛的应用前景。

[1]汪萍.基于DSP的变电站网络监控系统的设计[D].淮南：安徽理工大学，2007：36-39.

[2]曲延滨，王建平.基于CAN总线和DSP的变电站监控系统[J].电力系统自动化，2003(12)：86-88.

Research of substation automation monitoring system based on DSP

The substation monitoring and control system was designed using digital signal processor(DSP)and field bus(CAN).The DSP2407 and SA9904B were selected as microprocessor and measurement chip for system.So the underlying substation measurement module was formed.This module has fast response speed and good reliability. The system can realize remote control function through the communication system and improve the usability of the system.

substation;measurement and control unit;DSP;SA9904B

TM 41

1002-087 X(2016)04-0910-02