電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)方法

敖麗華

(江西冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西新余 338000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，人們對(duì)用電需求越來越多，電網(wǎng)安全已經(jīng)成為了企業(yè)和社會(huì)關(guān)注的重要問題，特別是當(dāng)電網(wǎng)在高負(fù)荷的情況下，如果發(fā)生安全事故就會(huì)給人們的生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重的影響，甚至威脅到我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，對(duì)電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作得到了許多學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注，通過把電網(wǎng)的保護(hù)、測(cè)量、控制以及通訊等功能相結(jié)合，共用在一個(gè)測(cè)控設(shè)備當(dāng)中，能夠極大的提升電網(wǎng)運(yùn)行的安全、穩(wěn)定性。

1 電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備整體方案設(shè)計(jì)

1.1 基本功能

(1)保護(hù)功能。就是指利用繼電保護(hù)實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行，一旦電網(wǎng)設(shè)備發(fā)生短路故障問題或者過壓等現(xiàn)象時(shí)，能夠及時(shí)的做出反應(yīng)，并且執(zhí)行跳閘命令，把問題切除同時(shí)發(fā)生報(bào)警，這樣能夠在最大程度上避免電氣設(shè)備的損壞以及停電范圍過大等問題，從而促進(jìn)電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。(2)測(cè)量功能。通過測(cè)量設(shè)備對(duì)電力節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效的測(cè)量，如果控制中心或者終端發(fā)出測(cè)量指令時(shí)，設(shè)備可以及時(shí)的做出反應(yīng)將電量數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行?，從而給電力資源的調(diào)度提供有力的依據(jù)。(3)通訊功能。此功能為電力自動(dòng)化系統(tǒng)與智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備之間的紐帶，該功能主要是把電能測(cè)量數(shù)據(jù)以及保護(hù)信息等內(nèi)容傳輸?shù)娇刂浦行睦?，在這一過程中，要保證與國(guó)際電力自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)相一致，并且按照系統(tǒng)的需求進(jìn)行通訊。(4)控制功能。此功能主要是以其他的功能為基礎(chǔ)，通過遙測(cè)、遙控、遙信以及遙調(diào)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)備的控制與管理。通過分析可知，電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備必須具備上述的四個(gè)基本功能，從而促進(jìn)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化[1]。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的設(shè)計(jì)主要利用了模塊化結(jié)構(gòu)，不僅能夠使得設(shè)備更加的靈活、易操作，有利于拓展新的功能和資源，而且也給系統(tǒng)的升級(jí)工作帶來了極大的便利性。按照發(fā)揮功效的不同，電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備主要由主控模塊、電量轉(zhuǎn)換模塊、人機(jī)對(duì)話、開入開出模塊以及通訊模塊等幾個(gè)部分構(gòu)成。各個(gè)模塊之間全部為單獨(dú)的插件，并且通過母版的連接完成電氣的聯(lián)系。

1.3 方案設(shè)計(jì)

按照電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的性能需求，方案設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下原則，首先，技術(shù)可靠性原則。根據(jù)以往系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的成功經(jīng)驗(yàn)，采先進(jìn)、成熟的技術(shù)方式完成設(shè)備的開發(fā)工作，從而提高設(shè)備的安全程度；其次，通用性原則。智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的硬件平臺(tái)要具有一定的通用性，在這一平臺(tái)中可以由相同的硬件實(shí)現(xiàn)不同的操作功能，那么在改進(jìn)設(shè)備性能這一方面上，只需要對(duì)其軟件進(jìn)行完善即可，這就在一定程度上增加了智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的使用時(shí)間，降低了設(shè)計(jì)成本。

2 設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)

電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備不僅要保證配置靈活，而且要符合功能拓展以及系統(tǒng)升級(jí)的需求，所以可以使用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式。電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備主要包括：

2.1 主控模塊

作為電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的核心，主控模塊主要包括ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)、保護(hù)和測(cè)量CPU以及EEPROM等。主控模塊主要完成對(duì)電量轉(zhuǎn)換模塊傳送過來的電流、電壓等進(jìn)行AD采樣，從而獲得原始數(shù)據(jù)，同時(shí)通過數(shù)據(jù)處理功能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，將參數(shù)存儲(chǔ)在寄存器當(dāng)中。其中，主控模塊CPU不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)等過程，另外，當(dāng)CPU對(duì)原始數(shù)據(jù)處理過后，可以和參考值進(jìn)行對(duì)比與分析，及時(shí)的了解電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的運(yùn)行狀況，如果保護(hù)設(shè)備出現(xiàn)故障問題，也就是說已經(jīng)達(dá)到了設(shè)置的動(dòng)作值，那么就可以執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)命令，并且將這一命令傳輸?shù)介_入開出模塊。除此之外，主控模塊不僅可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)以及命令的發(fā)布等工作，還必須保證能夠?qū)崿F(xiàn)良好的通訊功能以及人機(jī)對(duì)話功能等。當(dāng)主控模塊接收到通訊模塊傳送到的消息時(shí)，CPU能夠?qū)ζ溥M(jìn)行實(shí)時(shí)的處理與分析，然后把相關(guān)的數(shù)據(jù)信息傳送到通訊模塊，從而保證電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備能夠完成通訊功能。當(dāng)主控模塊接收到人機(jī)對(duì)話模塊傳送到的數(shù)據(jù)信息時(shí)，CPU對(duì)其進(jìn)行分析，保證按鍵能夠有效的實(shí)現(xiàn)用戶的選擇，或者是根據(jù)要求設(shè)置閾值以及查詢記錄等，同時(shí)將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時(shí)的傳輸[2]。

2.2 電量轉(zhuǎn)換模塊

電量轉(zhuǎn)換模塊主要由電流互感器、電器互感器以及濾波電路構(gòu)成，能夠?qū)νㄟ^智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的電流和電壓進(jìn)行采集，然后轉(zhuǎn)化成為可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的模擬量，傳輸?shù)街骺啬K當(dāng)中，從而完成數(shù)據(jù)處理、計(jì)算以及保護(hù)運(yùn)算等功能。此外，電量轉(zhuǎn)換模塊與安全控制過程有著緊密的聯(lián)系，數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確程度直接影響到了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以要確保數(shù)據(jù)采集的正確性。在電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備中，對(duì)于采集到的系統(tǒng)中的電量信號(hào)而言，不僅可以進(jìn)行保護(hù)判斷，而且能夠進(jìn)行電量測(cè)量工作，但是保護(hù)部分與測(cè)量部分對(duì)精度有著不同的要求，所以可以利用不同型號(hào)的互感器構(gòu)成其相應(yīng)的輸入通道。在電量轉(zhuǎn)換模塊當(dāng)中，一共有12個(gè)互感器，三個(gè)電壓部分和電流部分的互感器能夠保護(hù)三相電量信號(hào)，而其余的三個(gè)電壓互感器以及電流互感器能夠用于轉(zhuǎn)換電量測(cè)量的三相電量信號(hào)，并且把信號(hào)傳輸?shù)诫娔苡?jì)量芯片當(dāng)中實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。此外，電壓轉(zhuǎn)換可以使用電流型電壓互感器，而電流轉(zhuǎn)換可以使用電流互感器。

2.3 人機(jī)對(duì)話模塊

對(duì)于電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備而言，人機(jī)對(duì)話模塊是重要的組成部分，主要由液晶顯示、鍵盤和LED指示燈等三個(gè)部分組成，其中，液晶顯示以及鍵盤是完成人機(jī)對(duì)話的重要部分。在此模塊工作的過程中，利用鍵盤把操作人員的相關(guān)指令輸送到電腦里面，然后由主控模塊按照信息返回液晶控制以及數(shù)據(jù)信息，而液晶顯示則一般被設(shè)置為顯示出檢測(cè)到的電量信息、保護(hù)動(dòng)作信息以及報(bào)警信息等，同時(shí)也能夠顯示出各種各樣的菜單選項(xiàng)，其中有保護(hù)配置、歷史記錄以及保護(hù)定值等內(nèi)容。當(dāng)主控模塊發(fā)出保護(hù)動(dòng)作或者指示電源等信息命令時(shí)，LED指示燈就會(huì)做出顯示，做出亮或者滅等指令。

2.4 開入開出模塊

開入開出模塊主要包括開關(guān)量輸入以及開關(guān)量輸出等兩個(gè)部分。其中，開關(guān)量輸入主要完成電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的“遙信”控制功能，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，比如開關(guān)的分合以及儲(chǔ)能開關(guān)的儲(chǔ)能狀態(tài)等，同時(shí)把已經(jīng)采集好的狀態(tài)量傳輸?shù)街骺啬K當(dāng)中。而開關(guān)的輸出部分則能夠完成電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的“遙控”控制功能，主要是把主控模塊發(fā)出的主控命令傳輸?shù)浇K端控制器的跳合閘回路當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路開關(guān)的控制功能。此外，開關(guān)量輸出的接口方式主要包括TTL直接電平接口以及光電隔離型等，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，主要采用光電隔離型的輸入方式，不僅具有較強(qiáng)的抗干擾能力，隔離性能好，而且響應(yīng)速度快，可靠性強(qiáng)[3]。

2.5 通訊模塊

通訊模塊能夠很好的解決現(xiàn)場(chǎng)總線接口這一問題，數(shù)據(jù)的通信功能主要表現(xiàn)在兩個(gè)部分，一方面，實(shí)現(xiàn)電力自動(dòng)化系統(tǒng)之間的信息傳輸和交換功能；另一方面，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和控制中心之間的通信過程。由于設(shè)備間的信息傳輸較多，且智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的通信復(fù)雜，所以對(duì)其可靠性有著較高的要求，需要使用統(tǒng)一化的通信標(biāo)準(zhǔn)來約束?，F(xiàn)階段，現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用較為廣泛的是RS485總線接口，有著標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、操作便捷等諸多優(yōu)勢(shì)，因此可以被應(yīng)用在電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)當(dāng)中，從而保證電網(wǎng)自動(dòng)化的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

此外，通訊協(xié)議可以使用MODBUS通信協(xié)議，利用這一協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)控制器之間、控制器和網(wǎng)絡(luò)之間以及與各個(gè)設(shè)備之間的通信，可以被廣泛的應(yīng)用在電力自動(dòng)化系統(tǒng)當(dāng)中。

3 設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)及算法

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

由于AVR單片機(jī)支持C語言編程，因此在電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備中可以使用Atmega128。C語言不僅可以對(duì)低級(jí)存儲(chǔ)器進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，而且可以對(duì)底層設(shè)計(jì)進(jìn)行加工處理。此外，C語言在各個(gè)方面比匯編語言更具優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)消耗、嚴(yán)密性、表達(dá)方式、代碼質(zhì)量等方面。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用AVR GCC編譯器，此款編譯器不僅免費(fèi)，而且源代碼是公開的，是一款自由化的軟件。此外，AVR Studio具有調(diào)試功能全面(包括自動(dòng)同步、存儲(chǔ)器觀察、處理器狀態(tài)觀察等)、支持JTAG ICE等一系列的優(yōu)勢(shì)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)流程及框架

單片機(jī)程序編寫的過程中，主要包括分析問題、建立正確的數(shù)據(jù)模型、畫出程序框圖、有效分配系統(tǒng)資源、編寫指令、程序調(diào)試以及程序優(yōu)化等幾個(gè)過程。在電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中，所有的硬件功能都是通過軟件部分完成的，因此軟件的運(yùn)行效率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作效率起到了重要的影響作用。在設(shè)備軟件設(shè)計(jì)的過程中，既要完成鍵盤的指令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話等功能，而且還要具有實(shí)時(shí)處理功能，可以按照控制過程指令，完成申請(qǐng)中斷過程，實(shí)現(xiàn)測(cè)控、通訊以及控制等作用。所以，軟件設(shè)計(jì)部分可以使用模塊化設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為幾個(gè)部分，通過中斷對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行控制，這樣也在一定程度上提高了軟件系統(tǒng)的運(yùn)行效率和正確性[4]。

(1)主程序模塊。首先，設(shè)備進(jìn)行初始化，主程序的初始化分為單片機(jī)初始化以及外設(shè)初始化等兩個(gè)部分，當(dāng)單片機(jī)進(jìn)行中斷操作后程序進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)等待中斷過程，然后開始對(duì)中斷進(jìn)行判決，按照判斷的結(jié)構(gòu)調(diào)用相關(guān)的子程序，其中包括RS484通訊子程序、人機(jī)對(duì)話以及數(shù)據(jù)處理等，完成相應(yīng)的操作之后，再返回到測(cè)控保護(hù)主程序當(dāng)中。此外，為了在最大程度上確保智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備運(yùn)行的安全性，可以在程序當(dāng)中加入自檢部分，一旦設(shè)備出現(xiàn)問題，立刻停止，啟動(dòng)報(bào)警裝置。(2)子程序模塊。子程序模塊主要包括采樣定時(shí)中斷服務(wù)子程序、鍵盤中斷服務(wù)子程序、保護(hù)外部中斷服務(wù)子程序，通訊串口中斷服務(wù)子程序以及開關(guān)量輸入中斷服務(wù)子程序等。其中，采樣定時(shí)中斷主要針對(duì)主程序操作，在時(shí)鐘的控制下完成對(duì)ADC的采樣工作；鍵盤中斷服務(wù)可以按照鍵盤的不同進(jìn)行相應(yīng)的操作，可以利用中斷法對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)；保護(hù)外部中斷主要完成繼電保護(hù)功能。當(dāng)對(duì)程序的編譯出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，不需要修改全部的程序，只需對(duì)子程序進(jìn)行檢查修改即可。

4 結(jié)語

總之，隨著電力資源的迅速發(fā)展，使得電網(wǎng)安全運(yùn)行問題成為了電力企業(yè)發(fā)展過程中需要解決的重點(diǎn)內(nèi)容，而電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)能夠很好的解決這一問題。本文主要從智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行敘述，說明了各個(gè)模塊的組成及功能，以及軟件開發(fā)環(huán)境和流程，從而為電力自動(dòng)化系統(tǒng)智能保護(hù)測(cè)控設(shè)備的設(shè)計(jì)工作提供一定的參考價(jià)值。