文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182596
中文引用格式： 張翠，高新勤，李楠. 基于ARM與DSP的箱式變電站智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(3)：104-107，112.
英文引用格式： Zhang Cui，Gao Xinqin，Li Nan. Intelligent and remote monitoring system of box-type substation based on ARM and DSP[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(3)：104-107，112.
0 引言
箱式變電站（簡(jiǎn)稱(chēng)“箱變”）具有體積小、移動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)，已大量應(yīng)用于我國(guó)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(wú)法做到事前預(yù)警等問(wèn)題[2]。因此，實(shí)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(jì)了一種箱變監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)電壓、電流、功率、頻率等電力參數(shù)和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]。黃紹平等設(shè)計(jì)了一種基于AT89S52單芯片的箱變監(jiān)控裝置，對(duì)溫濕度和凝露進(jìn)行監(jiān)控[6]。馮利民等設(shè)計(jì)了一種基于Intel單片機(jī)的箱變監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、電流、電壓等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[7]。郭文敏等設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)80C196KC的箱變監(jiān)控系統(tǒng)，可監(jiān)測(cè)各相電流、電壓、功率因數(shù)、電能等[8]。但總的來(lái)說(shuō)，目前箱變監(jiān)控系統(tǒng)還存在監(jiān)測(cè)參量不全面、功能單一等問(wèn)題，且多數(shù)為單核系統(tǒng)，沒(méi)有統(tǒng)一的通信接口，處理大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性差[9-10]。因此，設(shè)計(jì)一種監(jiān)測(cè)參量全面、功能豐富、實(shí)時(shí)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(shì)在必行[11]。
本文采用ARM+DSP雙核技術(shù)和GPRS無(wú)線(xiàn)通信方式，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)貪穸取⒛丁煾械拳h(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(kāi)關(guān)量同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的智能化遠(yuǎn)程箱變監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢(xún)、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(jì)
如圖1所示，基于模塊化設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊、通信模塊、人機(jī)接口模塊等。
下面結(jié)合圖2所示的硬件工作原理圖，對(duì)箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主要硬件模塊進(jìn)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(shí)時(shí)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(gè)DSP核，速度達(dá)到200 MIPS，具有強(qiáng)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(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，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(chǎng)合。
ARM與DSP之間的高速數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)雙端口RAM 來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有實(shí)時(shí)性好、傳輸數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)[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(yùn)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(shí)，可迅速切換到另一路交流電源。同時(shí)，采用蓄電池作為后備電池，當(dāng)交流電源正常工作時(shí)，電源管理模塊給蓄電池充電；當(dāng)交流電源失電時(shí)，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(yùn)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(hào)是不能直接輸入到DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的，必須經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。信號(hào)調(diào)理是將PT、CT中得到的u、i模擬信號(hào)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(jìn)行電量參數(shù)的計(jì)算和處理，得到u、i的有效值、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)和諧波等各種電氣參量。
與此同時(shí)，箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)還需要對(duì)溫濕度、凝露、煙感等環(huán)境參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(guò)信號(hào)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(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊
開(kāi)關(guān)量輸入模塊的作用是實(shí)現(xiàn)箱變監(jiān)控系統(tǒng)的遙信量采集，即通過(guò)監(jiān)測(cè)箱變內(nèi)開(kāi)關(guān)設(shè)備的輔助常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)，從而識(shí)別負(fù)荷開(kāi)關(guān)、斷路器、電容器和風(fēng)機(jī)等電力裝置的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。遙信量采集易受到電磁干擾，因此在箱變的開(kāi)關(guān)量輸入模塊中加入低通濾波電路和光電隔離器。
開(kāi)關(guān)量輸出模塊的作用是實(shí)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(kāi)關(guān)的分合。為有效抵抗干擾，開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)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(dòng)繼電器，由繼電器控制電力裝置開(kāi)關(guān)的分合。為進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)量輸出的可靠性，在繼電器輔助觸點(diǎn)處增加一個(gè)開(kāi)關(guān)量反饋輸入，以監(jiān)測(cè)繼電器的實(shí)際動(dòng)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(shí)時(shí)通信是開(kāi)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(shí)時(shí)可靠性。GPRS無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)具有傳輸速率高、永遠(yuǎn)在線(xiàn)、通信費(fèi)用低、供電維護(hù)方便、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)[13-14]。本文選用MG323，通過(guò)RS232接口與主CPU相連，并在CPU的控制下進(jìn)行GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)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?xún)r(jià)比高、性能穩(wěn)定、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足箱變智能監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)的高實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求。
1.6 人機(jī)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(yùn)行情況及其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要通過(guò)良好的人機(jī)界面顯示。本文開(kāi)發(fā)的箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)接口模塊包括LED顯示和鍵盤(pán)兩部分。點(diǎn)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(diǎn)，能夠滿(mǎn)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(jì)
智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)箱變的環(huán)境參數(shù)、電力參數(shù)、開(kāi)關(guān)信號(hào)等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，將故障數(shù)據(jù)上報(bào)監(jiān)控中心，并及時(shí)執(zhí)行監(jiān)控中心下達(dá)的指令，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、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(dòng)開(kāi)中斷，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)上報(bào)故障并執(zhí)行監(jiān)控中心的指令，再對(duì)故障事件進(jìn)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(hào)，準(zhǔn)確而快速地計(jì)算有功功率、無(wú)功功率、諧波等參量。為提高數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，將每個(gè)周期采樣點(diǎn)設(shè)為64個(gè)，通過(guò)中斷控制器和定時(shí)器定時(shí)采樣。當(dāng)A/D完成一個(gè)周期采樣后，立即送入DSP進(jìn)行參數(shù)的計(jì)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(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，不用經(jīng)過(guò)DSP，而是直接寫(xiě)入ARM，具體采集流程如圖8所示。
2.2 開(kāi)關(guān)量輸入輸出流程
開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊的作用是監(jiān)測(cè)箱變內(nèi)部電力裝置的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并通過(guò)GPRS通信技術(shù)及時(shí)將狀態(tài)信息發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，同時(shí)接收監(jiān)控中心的遙控指令，通過(guò)控制相應(yīng)繼電器控制開(kāi)關(guān)的閉合。開(kāi)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(shí)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(dòng)，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(jì)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(shí)現(xiàn)
為方便工作人員監(jiān)控箱變的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)“四遙”功能，并進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)、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(jī)監(jiān)控軟件。該軟件采用JavaScript和HTML設(shè)計(jì)前端界面，用C#開(kāi)發(fā)后臺(tái)處理程序，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析、用戶(hù)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(duì)箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差、功能不健全等問(wèn)題，基于雙核技術(shù)和GPRS無(wú)線(xiàn)通信方式，給出了模擬量采集、開(kāi)關(guān)量輸入輸出等模塊的硬件工作原理圖和軟件實(shí)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(jī)接口和I/O控制等外圍工作，充分發(fā)揮DSP和ARM的優(yōu)點(diǎn)，解決了數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)滯性等問(wèn)題。同時(shí)，該系統(tǒng)能夠?qū)貪穸取⒛丁煾械拳h(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(kāi)關(guān)量同時(shí)進(jìn)行智能化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制，還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢(xún)、故障預(yù)警、能效分析等功能。總的來(lái)說(shuō)，本文研發(fā)的箱變智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性高，功能全面，性能優(yōu)越，運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)實(shí)施防御性維護(hù)、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(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安710048）