《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ARM與DSP的箱式變電站智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
張 翠，高新勤，李 楠
西安理工大學(xué) 機械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安710048
摘要： 針對箱式變電站（簡稱“箱變”）監(jiān)控系統(tǒng)實時性差、功能不健全等問題，設(shè)計了一種基于ARM與DSP的箱變智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)。給出了該系統(tǒng)的硬件框圖和工作原理圖，對模擬量采集、開關(guān)量輸入輸出等模塊進行了設(shè)計；在研究主程序以及模擬量、開關(guān)量、GPRS通信等流程的基礎(chǔ)上，開發(fā)了箱變智能遠程監(jiān)控軟件，實現(xiàn)了環(huán)境參量、電氣參量和開關(guān)量等實時監(jiān)控以及數(shù)據(jù)查詢、故障預(yù)警、能效分析等功能。運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實時性強、功能全面、穩(wěn)定性高等特點，對實施防御性維護、提高供電質(zhì)量以及節(jié)能降耗等都具有重要意義。
中圖分類號： TM63；TM42
文獻標(biāo)識碼： 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.
Intelligent and remote monitoring system of box-type substation based on ARM and DSP
Zhang Cui，Gao Xinqin，Li Nan
School of Mechanical and Precision Instrument Engineering，Xi′an University of Technology，Xi′an 710048，China
Abstract： Aiming at the problems of poor real-time performance and imperfect functions of monitoring system for box-type substation, an intelligent and remote monitoring system of box-type substation based on ARM and DSP is designed. The hardware block diagram and the working principle diagram of the system are given, and the modules such as analog acquisition and switch input/output are designed. On the basis of the flow diagrams including main program, the analog quantity, the switch quantity and the GPRS communication, the intelligent and remote box-type substation monitoring software is developed, which realizes the real-time monitoring of environment, electrical and switching parameters and other functions, such as data query, fault early warning, and energy efficiency analysis. The experimental results show that the system has the characteristics of real-time, multi-function and high stability, which is of great significance for implementing defensive maintenance, improving power supply quality, saving energy and reducing consumption.
Key words : box-type substation；intelligent monitoring system；ARM；DSP

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(yīng)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(shù)據(jù)采集滯后、監(jiān)控功能單一、無法做到事前預(yù)警等問題[2]。因此，實現(xiàn)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(shè)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(shù)和溫度進行監(jiān)測[5]。黃紹平等設(shè)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(shè)計了一種基于Intel單片機的箱變監(jiān)測終端系統(tǒng)，實現(xiàn)對溫度、電流、電壓等參數(shù)的實時監(jiān)控[7]。郭文敏等設(shè)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(shù)、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(shù)為單核系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的通信接口，處理大數(shù)據(jù)的實時性差[9-10]。因此，設(shè)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(xié)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(shù)和GPRS無線通信方式，設(shè)計了一種能夠?qū)貪穸?、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(guān)量同時進行監(jiān)測的智能化遠程箱變監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢、故障預(yù)警、能效分析等功能。

1 智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

    如圖1所示，基于模塊化設(shè)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(guān)量輸入/輸出模塊、通信模塊、人機接口模塊等。

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    下面結(jié)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。

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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，實時性要求高，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(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、可擴展等優(yōu)點，特別適用于需要大批量數(shù)據(jù)處理的箱變智能遠程監(jiān)控場合。

    ARM與DSP之間的高速數(shù)據(jù)傳輸通過雙端口RAM 來實現(xiàn)，具有實時性好、傳輸數(shù)據(jù)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。

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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(chǔ)。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(dāng)一路交流電源出現(xiàn)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(dāng)交流電源正常工作時，電源管理模塊給蓄電池充電；當(dāng)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。

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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(shù)據(jù)處理的，必須經(jīng)過信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。信號調(diào)理是將PT、CT中得到的u、i模擬信號經(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進行電量參數(shù)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(shù)和諧波等各種電氣參量。

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    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(shù)也要經(jīng)過信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路處理，然后輸入到ARM中。

1.4 開關(guān)量輸入輸出模塊

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

    開關(guān)量輸出模塊的作用是實現(xiàn)箱變監(jiān)控系統(tǒng)的遙信量控制，即控制箱變內(nèi)電力裝置開關(guān)的分合。為有效抵抗干擾，開關(guān)量輸出信號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)動繼電器，由繼電器控制電力裝置開關(guān)的分合。為進一步提高開關(guān)量輸出的可靠性，在繼電器輔助觸點處增加一個開關(guān)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(guān)鍵技術(shù)，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(shù)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(wǎng)絡(luò)連接，實現(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(shù)據(jù)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(nèi)部，各種裝置的運行情況及其監(jiān)測數(shù)據(jù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊的要求。

2 智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

    智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)對箱變的環(huán)境參數(shù)、電力參數(shù)、開關(guān)信號等進行實時采集和處理，將故障數(shù)據(jù)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(xiàn)遙測、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，啟動開中斷，然后進行數(shù)據(jù)采集和存儲。當(dāng)發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心。

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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，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(shù)據(jù)采集的實時性，將每個周期采樣點設(shè)為64個，通過中斷控制器和定時器定時采樣。當(dāng)A/D完成一個周期采樣后，立即送入DSP進行參數(shù)的計算和處理。電氣參量采集與處理的流程如圖7所示。

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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A/D轉(zhuǎn)換后，不用經(jīng)過DSP，而是直接寫入ARM，具體采集流程如圖8所示。

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2.2 開關(guān)量輸入輸出流程

    開關(guān)量輸入輸出模塊的作用是監(jiān)測箱變內(nèi)部電力裝置的開關(guān)狀態(tài)，并通過GPRS通信技術(shù)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(yīng)繼電器控制開關(guān)的閉合。開關(guān)量輸入輸出的具體序流程如圖9和圖10所示。

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2.3 GPRS通信流程

    GPRS模塊的主要功能是實現(xiàn)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(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，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。

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2.4 軟件功能模塊及其實現(xiàn)

    為方便工作人員監(jiān)控箱變的運行狀態(tài)，實現(xiàn)“四遙”功能，并進行數(shù)據(jù)查詢、故障預(yù)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(shè)計前端界面，用C#開發(fā)后臺處理程序，實現(xiàn)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。

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3 結(jié)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(shù)和GPRS無線通信方式，給出了模擬量采集、開關(guān)量輸入輸出等模塊的硬件工作原理圖和軟件實現(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(shù)據(jù)采集和處理時滯性等問題。同時，該系統(tǒng)能夠?qū)貪穸?、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(guān)量同時進行智能化遠程監(jiān)測和控制，還實現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢、故障預(yù)警、能效分析等功能?？偟膩碚f，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(zhì)量以及節(jié)能降耗等都具有重要意義。

參考文獻

[1] 張瑞霞.淺析箱式變電站的發(fā)展前景[J].科技與創(chuàng)新，2016(3)：29-30.

[2] 趙永生，劉海峰，梁文武，等.智能變電站同步整組試驗方法[J].中國電力，2015，48(5)：156-160.

[3] 于建軍.箱式變電站的特點及應(yīng)用探討[J].變壓器，2017，54(8)：37-39.

[4] HU Y，MENG Q K，ZHANG Y L，et al.Construction of intelligent power distribution system in box-type substation based on field-bus technology[C].IEEE 18th International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management，2011：580-583.

[5] 黃新波，吳孟魁，朱永燦，等.箱式變電站智能監(jiān)測裝置設(shè)計[J].中國電力，2016，49(5)：116-122.

[6] 黃紹平，李玲，聶渝磊.基于單芯片傳感器的箱式變電站溫濕度監(jiān)控裝置的研制[J].高壓電器，2009，45(5)：133-135，140.

[7] 馮利民，莫易，張巖.箱式變電站智能綜合管理終端的設(shè)計[J].電力自動化設(shè)備，2003(5)：36-38.

[8] 郭文敏，徐曉紅，張群.箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)[J].電測與儀表，2003(1)：54-57.

[9] WIESLAW G，WLODZIMIERZ G，PRZEMYSLAW W.The expert transformer monitoring system in substation structure[C].International Conference on High Voltage Engineering and Application，2010：524-527.

[10] KHRUSLOV L，ROSTOVIKOV M，SHISHOV V.Web-based power quality monitoring system of smart transformer substation RTP-34 MPEI for engineering education[C].8th International Scientific Symposium on Electrical Power Engineering，2015：388-391.

[11] SPACK H，SCHUPFERLING B，RIEMENSCHNEIDER J，et al.Intelligent transformer substations in modern medium voltage networks as part of “smart grid”[C].7th Mediterranean Conference and Exhibition on Power Generation，Transmission，Distribution and Energy Conversion，2010：1-7.

[12] 劉大偉，王蘇洲.基于ARM+DSP+FPGA的機器人多軸運動控制器的設(shè)計與研究[J].制造技術(shù)與機床，2017(7)：100-104，108.

[13] 郭耀華.基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)的智能變電站設(shè)備溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014(1)：79-82.

[14] 何碧漪，周國平，丁健強，等.一種基于WSN和GPRS的箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39(17)：35-38.



作者信息:

張  翠，高新勤，李  楠

（西安理工大學(xué) 機械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安710048）

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