基于無線傳輸技術的高壓開關柜操控系統(tǒng)的研究與設計

侯春光 劉為 高有華

【摘要】提出了一種基于GPRS/GSM通訊網(wǎng)與近距離無線模塊的高壓開關柜無線組網(wǎng)方式，并在IEC61850標準框架內設計了高壓開關柜無線操控裝置，可將高壓開關柜的狀態(tài)信息實時上傳到遠程數(shù)據(jù)服務器，并通過上位機和手機實現(xiàn)對其進行遠程/本地無線操控。

【關鍵詞】高壓開關柜;GPRS/GSM;無線操控;組網(wǎng)方式

1.引言

傳統(tǒng)開關柜智能操控裝置一般采用有線的方式與遠程上位機進行通訊，而無線傳輸技術在高壓開關柜上的應用并不多見。由于配電系統(tǒng)變電站布局分散，采用有線數(shù)據(jù)傳輸對于較偏遠地區(qū)的變電站來說會增加通訊電纜鋪設的成本，加之復雜的地理環(huán)境會導致有線傳輸?shù)牟环€(wěn)定性。在移動互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，將無線傳輸技術在IEC61850標準的框架下應用到電力系統(tǒng)智能電網(wǎng)建設中具有廣闊的發(fā)展前景[1]。

2.高壓開關柜無線操控系統(tǒng)

2.1 IEC61850標準

IEC61850是面向對象的電力系統(tǒng)無縫通信體系標準。IEC61850標準強調未來變電站自動化系統(tǒng)的開放性、互操作性以及技術發(fā)展和功能應用的可擴展性，強調設備數(shù)據(jù)模型標準、完整、規(guī)范，可實現(xiàn)間隔層設備和站級設備對過程層信息的共享[2]。

圖1 系統(tǒng)架構示意圖

2.2 基于IEC61850標準的高壓開關柜無線操控系統(tǒng)架構描述

高壓開關柜無線操裝置主要應用在變電站間隔層和過程層之間，如圖1所示。在過程層，無線操控裝置開關量采集端節(jié)點附屬在電氣設備上，采集現(xiàn)場開關量信號并通過電纜傳輸至間隔層IED，同時該節(jié)點還可以接收來自間隔層的控制信息。在間隔層，無線傳輸節(jié)點附屬在IED上，用來收集開關量信號供IED對其做出分析和判斷，并對下層發(fā)送參數(shù)設置及操控指令，對上層發(fā)送開關的狀態(tài)信息[3]。

無線操控裝置實時監(jiān)聽整個過程層現(xiàn)場開關設備的運行狀況，在間隔層和變電站層之間則采用成熟的GSM/GPRS通訊技術，通過GSM/GPRS網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)送往調度主站或維護人員的手機端，并從主站或手機端查看開關狀態(tài)及接收、下發(fā)控制命令。間隔層間的IED則通過近距離無線傳輸模塊nRF24L01實現(xiàn)[4]。

2.3 無線操控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

系統(tǒng)結構如圖2所示，具體實現(xiàn)方法是：無線操控裝置由主控制器和若干從控制器組成，并分別安裝在所控制開關柜內。主控制器A中裝有進行遠程通訊的GSM/GPRS無線通訊模塊和與本地進行通訊的藍牙無線模塊以及與各從控制器進行通訊的nRF24L01本地近距離無線通訊模塊。從控制器B1、B2…Bn中僅裝有與主控制器進行通訊的nRF24L01模塊，其與手機/上位機通過主控制器A進行通訊。上位機通過Internet連接遠程數(shù)據(jù)服務器，手機通過GSM/GPRS網(wǎng)絡-基站連接遠程數(shù)據(jù)服務器并均可與主控制器A進行通訊連接，手機在配電站本地也可通過藍牙與主控制器A進行連接。通過以上方式與主控制器A進行驗證連接后，通過發(fā)送相應指令，就可以對開關柜C實施遠程/本地無線操控，對從控制器的操控是通過主控制器A轉發(fā)操控指令給各從控制器實現(xiàn)的，以完成對開關柜C1、C2…Cn的操控。

圖3 硬件結構示意圖

3.系統(tǒng)的硬件設計

3.1 硬件組成及工作原理

開關柜無線操控裝置的硬件組成見圖3。整機電路由主控MCU、開關量采集電路、控制量輸出電路及各無線通訊模塊組成。

3.2 主控模塊

主控模塊的核心MCU采用STC12C5A60S2低功耗單片機[5]。通過STC12C5A60S2的輸入引腳完成對開關量的采集，并將采集的開關量狀態(tài)信息存儲并轉發(fā)給上位機。對于由上位機發(fā)來的控制指令，通過輸出引腳經(jīng)繼電器接入合、分閘等控制回路，完成對開關的操控。設nRF24L01狀態(tài)查詢引腳，當無線模塊收到本地控制器發(fā)來的信息之后通過該引腳給MCU產(chǎn)生一個高電平，MCU通過查詢的方式判斷此高電平之后進行下一步處理;MCU的中斷引腳分別接藍牙模塊與GSM/GPRS模塊的信號狀態(tài)引腳，當收到信號后，這兩個模塊會通過該引腳產(chǎn)生中斷服務，系統(tǒng)進入中斷服務子程序以進行下一步操作。

3.3 無線通訊模塊的設計

本裝置采用GSM/GPRS模塊與遠程控制端進行通訊連接，采用藍牙模塊與本地手機控制端通訊連接，采用nRF24L01近距離傳輸模塊完成控制器之間通訊，其各模塊電路圖如圖4所示[8]。

圖4 藍牙、nRF24L01、GPRS/GSM模塊電路圖

圖5 SIM900A供電電路

3.3.1 GSM/GPRS無線模塊

如圖4所示，GSM/GPRS模塊通過RXD、TXD端與MCU采用串口通訊;SIM900A核心采用單電源供電，VBAT的電壓輸入范圍從3.2V到4.8V[7]。由于模塊發(fā)射的突發(fā)會導致電壓跌落，這時電流的峰值最高會達到2A。因此，電源的供流能力不能小于2A，否則模塊不能正常使用。采用Micrel公司的基于LDO-MIC29302BT的電源電路，實現(xiàn)由5～4V的壓降處理給SIM900A供電，其供電電路如圖5所示。

3.3.2 藍牙無線模塊

為實現(xiàn)通過手機本地無線連接控制器，以達到無線操控功能，本裝置采用CSR核心芯片的HC-04工業(yè)級主從一體藍牙模塊，支持藍牙V2.0協(xié)議標準，模塊供電電壓為3.3V～3.6V，空曠條件下通訊距離10M。模塊引腳如圖4所示，其11腳接模塊復位電路，12腳接3.3V供電，1、2腳通過CON1端子接MCU的RXD、TXD進行串口連接。當藍牙模塊收到藍牙連接請求后，通過24腳產(chǎn)生高電平送給MCU的P3.2口，作為其外部中斷觸發(fā)中斷子程序。

3.3.3 nRF24L01無線模塊

由于本裝置采用主-從控制器模式，上位機對從控制器的操控是通過主控制器來中轉的，故采用nRF24L01以實現(xiàn)從控制器與主控制器間的通訊。nRF24L01采用FSK調制，內部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst協(xié)議，可以實現(xiàn)點對點或是1對6的無線通信[6]。無線通信速度可以達到2Mbps，其電路如圖4所示。nRF24L01的IRQ接MCU的中斷引腳，當控制器接收到來自其他控制器的請求指令后，通過其IRQ引腳對MCU產(chǎn)生高電平，使MCU進入中斷服務器子程序，完成相應的操控指令。

3.4 輸入輸出電路

裝置設有8路開關量輸入及4路控制量輸出電路，其中開光量輸入電路采用濾波電容的延遲作用消除高頻干擾的響應。利用電容上的電壓不能突變，使電壓不會隨觸點閉合或斷開時的抖動而急劇變化，消除了抖動干擾。采用光電耦合電路，將信號輸入部分與MCU控制部分完全隔離。

4.控制終端的軟件設計

操控終端的軟件部分在Keil μVision IED開發(fā)平臺下設計完成。當系統(tǒng)開機重啟后，系統(tǒng)先給各單元初始化。然后判斷GSM/GPRS模塊是否有新的控制指令下達，如果有則會與請求端進行連接;如果沒有則會等一段時間后系統(tǒng)進入低功耗狀態(tài)，軟件流程見圖6所示。

5.實驗研究

以10kV的VS1-12高壓斷路器作為實驗對象搭建了無線操控系統(tǒng)實驗平臺，系統(tǒng)啟動后，各模塊進入監(jiān)聽狀態(tài)。當對斷路器做合閘操作后，指示燈閃爍，上位機軟件即刻動態(tài)顯示出開關狀態(tài)為“合閘”;當上位機軟件下達“分閘”指令后，斷路器即刻產(chǎn)生分閘動作。實驗結果達到預期效果，實現(xiàn)了通過遠程上位機操控系統(tǒng)發(fā)送控制指令，并可將斷路器的合、分閘狀況實時上傳至上位機進行記錄、查詢。

6.結論

隨著無線傳輸技術與移動互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，基于IEC61850的數(shù)字變電站無線通訊網(wǎng)絡的組建，促進了智能電網(wǎng)的進一部發(fā)展。筆者在IEC61850的標準框架下，分析了無線操控系統(tǒng)的整體架構，將低復雜度、低功耗、低成本的GSM/GPRS網(wǎng)絡與nRF24L01雙向無線通信技術應用于高壓開關柜無線操控系統(tǒng)，最后通過現(xiàn)場實驗驗證了方案的可行性，滿足了數(shù)字化電網(wǎng)就地獲取信息、快速做出反應、同遠程通信技術配合的要求。同時還克服了布線麻煩，維護不方便等困難。提高了系統(tǒng)應用的靈活性，實現(xiàn)了監(jiān)測、操控的最優(yōu)協(xié)調。

參考文獻

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