智能變電站斷路器狀態檢測IED設計

【摘 要】隨著我國經濟社會的不斷發展，對電力的要求也越來越高，對智能化電網的建設也不斷深入發展。智能變電站作為我國智能化電網建設的過程中的重要組成部分，對我國變電站的智能化和自動化具有極其深遠的意義，而智能斷路器在變電站中的地位十分重要，關系到變電站的整個電力系統的控制，因此在狀態檢測系統中重點是把握斷路器的檢測，重視斷路器的作用。本文首先簡要地介紹了智能變電站的狀態檢測系統，其次重點介紹斷路器狀態檢測系統，闡述了斷路器狀態檢測的智能電子設備即IED的設計內容。

【關鍵詞】智能變電站；斷路器；智能電子設備設計；IEC61850

作為智能變電站的重要組成部分，斷路器的運行對于整個智能變電站運作的安全性和穩定性具有重要意義。因此，利用智能變電站的設備狀態檢測系統對斷路器的運行進行在線監測就顯得尤為重要且必須，斷路器狀態檢測系統可以通過持續的、穩定的、實時的檢測，對斷路器的運行狀態進行監控，有利于促進變電站的斷路器安全穩定的運行，從而促進整個變電站的安全運營。

1.智能變電站的狀態檢測系統概述

1.1狀態檢測系統的功能

（1）通過對變電站進行監控，及時發現智能變電站諸多設備的缺陷和故障以及可能存在的異常情況，并及時進行預警。變電站的系統十分龐大復雜，如沒有對其運行的每一個層次都進行智能化的檢測，就無法發現變電站中存在的問題，狀態檢測系統旨在實現的一個重要功能就是為了防患于未然，減少可以避免的故障，提高變電站內設備運行的安全性和可靠性。

（2）綜合分析狀態檢測系統檢測出的數據，實行變電站運行狀態評估，為變電站的設備進行狀態檢修和變電站維修工作人員的控制決策提供重要依據和有效指導，從而減少變電站的人力物力的浪費，降低對變電站進行維修的費用。

1.2 狀態檢測系統的構成

智能變電站的狀態檢測主要是通過使用傳感器、計算機和通信網絡技術的方式來進行的，以此及時獲得整個變電站所運行的設備的參數，并運用相應技術對所獲得的綜合參數進行分析處理，最終獲得對設備實時安全性和可靠性的檢測數據。狀態檢測系統主要通過以下三個程序來進行系統檢測工作：一是數據信號采集，二是數據傳輸，最后則是數據的分析處理與診斷。其中在信號檢測及采集過程中，主要是針對斷路器的不同故障和異常情況所產生的不同的氣體進行檢測。狀態檢測主要有兩種方式，即在線檢測和離線檢測，本文所研究的主要是智能變電站斷路器的狀態在線檢測IED的設計。

2.斷路器狀態在線檢測系統的具體設計

2.1整體結構設計

本文的設計將斷路器狀態在線檢測系統主要分為三大板塊來進行工作，即過程層、間隔層和站控層。接下來介紹斷路器狀態在線檢測系統的具體工作流程設計。

2.1.1 斷路器在線監測裝置，即過程層

在本裝置中對斷路器的運行狀態參數進行實時的采集，通過傳感器所傳輸的信號，將所接收的信號進行直接或間接的數據運算處理，來得到需要進行檢測的斷路器狀態的參數，進而通過所掌握的參數來診斷斷路器運行狀態。

2.1.2斷路器狀態檢測IED，即間隔層

本設計中的斷路器狀態檢測IED可以定時接受監控中心發出的數據采集指令，對收到的采集指令進行相應的解析之后，通過CAN總線向各個斷路器在線檢測裝置發送相應的采集命令。過程層將采集的狀態參數上傳到斷路器狀態檢測IED，IED遵循IEC 61850標準將斷電器狀態運行的參數發送到狀態檢測系統的監控中心。

2.1.3監控中心，即站控層

監控中心一方面接受多個斷路器狀態檢測IED傳送的各類檢測數據，并對其進行分析、診斷和預警，另一方面通過IEC61850標準將數據傳輸到智能變電站一體化的信息平臺。

2.2斷路器狀態檢測IED的硬件設計

本設計為了更好的實現斷路器狀態檢測IED的數據采集和信號處理功能，以及為了滿足IED與IEC 61850標準的更好的結合，我采用了DSP芯片和ARM芯片相結合的結構來設計斷路器狀態檢測IED，以此來提高IED的傳輸速度和數據處理能力。IED的主處理單元是ARM芯片，附加外圍的光纖等硬件設備，嵌入符合IEC 61850標準的ICD文件，來解析站控層的監控中心發出的名利，并將斷路器狀態的參數按IEC 61850標準發送給站控層。將DSP芯片作為從處理單元，以利用它的高速運算能力來進行斷路器狀態參數的采集和數據運算處理工作。

2.2.1 IRIG-B 碼對時

為了使斷路器對各種參數的計算更加精確，需要實現過程層對各種信號的同步采集，這一點對時間同步系統的精確度要求更高了。將時鐘信號通過IRIG-B碼的方式傳送到間隔層即斷路器狀態檢測IED，IED才用RS-485總線將IRIG-B碼對時信號傳送給過程層。此處用到的IRIG-B碼是每秒一幀的時間串碼，有著傳送信息量大以及高分辨率的特點，因此應用十分廣泛。

2.2.2 SPI通信

本設計運用高速同步的SPI來完成IED中兩大芯片之間的通信要求，其傳輸速度最快可達到1 Mbit/s，這將對整個系統的運行速度和性能有很大的提高。SPI通信連接共包括4根信號線，有設備選擇先、時鐘線、串行輸出數據線、串行輸入數據線。這樣一來，兩個芯片就能夠同時進行發送數據和接收數據了。

2.2.3 CAN總線

IED主要需要通過采集各種信號的波形文件，來計算斷路器運行時的各種機械特性參數。因此，在本設計中利用了有著傳輸速度快、通信的可靠性高等特點的CAN總線。IED所采用的DSP芯片自帶有CAN可以直接作為CAN控制器，能使DSP芯片方便地接入到CAN總線中，不需要另外再加CAN控制器，即可實現CAN與DSP芯片的對接。

2.3斷路器狀態檢測IED的軟件設計

整個系統的軟件設計分為兩大板塊，即ARM軟件和DSP軟件。在ARM軟件的設計上，應該著重注意根據IEC 61850標準來設計，并重視系統的穩定性。為了方便更好的運用和適應IEC 61850標準，以及實現光纖和SPI通信的功能，本設計在ARM芯片上加進了Linux操作系統。同時在DSP軟件的設計上，應該使整個軟件系統和通信設計的實時性和高速性達到較高水平。

2.3.1 ARM芯片的軟件設計流程

首先應對配置文件進行讀取，接著設置輪詢的間隔和因此而產生的輪詢函數，如果到了輪詢時間，就通過SPI發送采集信號的命令。再SPI已將信號送達DSP芯片之后，查詢SPI的狀態，如數據已傳回，就將其再上傳。

2.3.2 DSP芯片的軟件設計流程

首先最重要的是要先初始化DSP程序，如果ARM芯片已經通過SPI發送采集信號的命令，且是斷路器信號的采集命令，則DSP芯片就對命令進行解析，解析完之后將其放松給對應的斷路器檢測裝置，之后在由斷路器設備對命令所傳送的數據進行篩選和運算處理，再通過SPI傳輸給ARM芯片。

3.IEC61850標準在斷路器狀態檢測IED中的實現

（1）IEC61850標準是目前為止的變電站通信網絡、整體系統的構造分層與系統標準中最完善的一種，它能夠實現來自制造商的IED之間的良好的互操作性。

（2）斷路器狀態檢測IED還將所采集得到的數據按照IEC 61850標準進行描述，通過運用結構化控制語言即SCL語言的形式將IED的各項功能參數保存成ICD文件。這樣就能使IED不需要經過大量繁雜的中央處理單元、通信單元或協議轉換單元等環節，可以直接實現IED與監控中心進行連接。

（3）斷路器狀態檢測IED還根據IEC 61850標準，將同一個功能對象的相關數據以及數據的屬性進行建模，了解了那些檢測數據需要通信以及如何進行數據通信。對IED進行建模。首先要對IED做出完整的功能描述，把每一個不同的斷路器描述為一個IED對象，將最小功能單元建模成一個邏輯節點的對象。

4.總結

總之，通過本設計的IED設計，可以實現斷路器狀態檢測，使監控中心的人員遠程實時的監測著變電站斷路器的運行狀態，對整個變電站進行狀態檢測具有重要的現實意義，從而實現對整個變電站的運作進行更好的監控，提高變電站的智能化和自動化程度，保證變電站安全、穩定的運作，這對我國整個國家的電網建設具有極其深遠且重大的意義，能夠實現電網的智能化建設，使我國的供電事業蒸蒸日上。 [科]

【參考文獻】

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