智能電網設備手持終端控制器設計

張亮

摘要：三相電網運行過程中的電參量精確檢測是實施電能質量控制、提高能源利用率的重要環(huán)節(jié)。智能設備和自動化設備的加入改變了電網終端設備的運行方式和運行特性。為方便電力維護人員的現(xiàn)場操作，設計一種應用于智能電網設備的手持終端控制器。鑒于此，本文將電網進行自動化和智能化改造前后的情況進行了對比并指出了對應的終端設備運行和維護要點。

關鍵詞：智能電網；手持終端；控制器；設計

1 導言

現(xiàn)階段10kV配電網中應用的智能設備品種很多，如智能電表、永磁開關控制器、綜合保護裝置等，這些設備需要電力維護人員定期到現(xiàn)場對其進行巡查檢修。智能手持信號采集系統(tǒng)，主要用于三相電網的實時數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)信號的采集與處理，完成電網運行情況的監(jiān)測、報警、記錄、打印報表、回放等一系列功能，能夠實現(xiàn)多路信號的數(shù)據(jù)采集處理，同時可以根據(jù)實際使用情況外擴采集板卡來滿足更高層次的需求。

2 手持終端控制器的系統(tǒng)框架

手持終端控制器（以下簡稱掌機）主要由微處理器MCU、可充電鋰電池、充電電路、電源管理電路、矩陣鍵盤、LCD顯示器、通信接口電路（紅外、RS485、RF無線模塊）、時鐘電路、存儲器等幾大部分功能模塊組成。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

充電電路對鋰電池充電后鋰電池為掌機提供工作電源，微處理器MCU啟動工作后將矩陣鍵盤輸入的設置參數(shù)和相應的控制命令顯示在LCD顯示器上，并通過通信接口，如紅外、RS485或者RF無線模塊發(fā)送和接受控制終端的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行存儲。微處理器MCU通過電源管理電路控制掌機的功耗，讓掌機在休眠狀態(tài)時進入低功耗模式。

3 智能手持信號采集系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)主要由對信號進行采集處理的數(shù)據(jù)采集處理電路和實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、顯示及傳輸?shù)闹骺仉娐穬刹糠謽嫵?，其中?shù)據(jù)采集處理核心采用DSP處理器中的TMS320F2812，實時監(jiān)測電網數(shù)據(jù)并且進行上報，對出現(xiàn)瞬間斷電、模擬量故障等緊急情況立即報警.主控電路的控制核心采用ARM嵌入式處理器STM32F207，利用ARM的中斷處理機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)、處理和人機互交界面顯示功能.圖2為系統(tǒng)總體設計框圖.采用產品化設計思路，將整個系統(tǒng)功能集成在一塊電路板上，包括ARM信號采集主機、DSP信號采集分機和電源等板卡等，所有板卡通過底板進行信號連接。

數(shù)據(jù)采集處理電路主要依靠DSP處理器實現(xiàn)對信號的采集和處理.DSP處理器采用TI（德州）公司生產的DSP芯片TMS320F2812，設有12個ADC采集通道，將采集的數(shù)據(jù)進行處理，通過CAN通訊通道傳送給ARM處理器，并能夠根據(jù)ARM處理器傳輸?shù)拿钸M行相應的操作.這部分電路除提供其正常工作的電源電路、時鐘電路、復位電路和CAN通訊電路外，還設計有JTAG仿真接口和一個掉電保護功能的I2C存儲芯片，用來存儲的信號零漂和標調等信息.電路中使用30MHz的有源晶振作外部時鐘源。

4 智能電網設備手持終端控制器設計

4.1 主要終端設備的維護

以智能化設備和自動化設備的基本的告警以及復歸響應為例。首先，智能終端設備要求能夠根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)上傳的信息正確識別當前網絡中元件的運行狀態(tài)，其次根據(jù)故障信息判斷故障詳細情況，再次，根據(jù)其他邊界條件判斷是否進行復歸操作將告警信號恢復。因此目前對于智能化設備和自動化設備的終端設備進行設備的維護時，其設計的設備已經不再僅僅針對于設備本身，而是關于設備、通信通道、集控邏輯的綜合維護，及傳統(tǒng)的設備、智能組件以及對應的傳感裝置都需要進行維護，與傳統(tǒng)的設備相比增加了智能組件和傳感裝置，這也是智能設備和自動化設備在運維過程中需要特別注意的地方。

所謂智能組件是由若干個智能電子裝置集成的智能元件，其主要功能是監(jiān)視、測量和控制高壓設備的運行。除此之外智能元件還有可能集成相關的保護邏輯。因此針對智能元件的維護中需要注意組件柜、測量、控制和保護裝置的運行情況。首先，組件柜需要保持外觀良好，底座和架構牢固，金屬沒有變形，連接部分連接牢固且沒有發(fā)熱現(xiàn)象。其次測量部分，測量裝置應當保持外觀良好，相關的指示儀表等都顯示正常，采集裝置的指示燈應當保持常亮、無閃爍。再次，控制組件，控制組件應當外觀整潔、完整，電子設備的連接端子應當牢固可靠，連接金具不存在銹蝕的情景。最后，監(jiān)視裝置同樣應當保持裝置的外觀整潔，端子牢固可靠，相關指示裝置應當在正常工作位置，特別是電源以及表征正常運行的指示燈應當常亮。

由于智能化設備和自動化設備中采用了IEC61850 規(guī)約和 GOOSE 網進行通信，因此智能化設備和自動化設備在運行和故障處置的原理雖然和原有常規(guī)設備沒有本質變化，但是其執(zhí)行步驟和動作邏輯卻產生了變化。其中GOOSE 報文方式取代了傳統(tǒng)設備采用接點傳遞信息的方式，通過通信網絡給智能終端發(fā)出相關命令并傳遞相互之間的啟動閉鎖信號、輸入到智能裝置中的不再是模擬量信號，而是光數(shù)字信號。狀態(tài)采集量也從 24V 的直流狀態(tài)信號變成了對應的光數(shù)字信號。因此在對通信終端設備進行維護時需要檢查IEC61850 報文的正確與否。并且需要測量 GOOSE 網的暢通與否。

4.2 電源管理電路

掌機是由鋰電池供電，需要有長時間的待機工作狀態(tài)，因此電源管理電路需要有低功耗控制模式。應用電路原理圖如3所示。紅外通信、RS485通信、RF無線通信和液晶顯示等在待機狀態(tài)下不需要工作，MCU通過控制這些電路的供電電源，實現(xiàn)低功耗模式。圖3中V_YJ電平是鋰電池的電壓信號，大約在3.7～4.2V之間，MCU的I/O口輸出的控制電平其電壓是MCU的工作電壓值3.3V，因此用PNP和NPN三極管組合完成電平兼容設計，MCU通過三極管電路控制低功耗模式下的工作電源，掌機進入低功耗模式后，功耗降低到微功耗狀態(tài)，工作電流為12～16μA。

4.3 信號采集數(shù)據(jù)的顯示界面設計

用戶圖形顯示界面由主界面和對應的子功能界面組成.系統(tǒng)初始化后進入主界面菜單，主界面有三個按鈕，點擊相應按鈕進入下一級菜單.三個按鈕對應的子菜單分別為：系統(tǒng)配置（包括系統(tǒng)校時設置、信號類型和量程設置和退出）、采集數(shù)據(jù)實時顯示（包括電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)和退出，有表格和曲線兩種顯示形式）和回放顯示（包括下載回放列表和回放控制，主要完成系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)下載和回放）.

4.4 通信終端設備的維護

由于智能化設備和自動化設備中采用了IEC61850規(guī)約和GOOSE網進行通信，因此智能化設備和自動化設備在運行和故障處置的原理雖然和原有常規(guī)設備沒有本質變化，但是其執(zhí)行步驟和動作邏輯卻產生了變化。其中GOOSE報文方式取代了傳統(tǒng)設備采用接點傳遞信息的方式，通過通信網絡給智能終端發(fā)出相關命令并傳遞相互之間的啟動閉鎖信號、輸入到智能裝置中的不再是模擬量信號，而是光數(shù)字信號。狀態(tài)采集量也從24V的直流狀態(tài)信號變成了對應的光數(shù)字信號。因此在對通信終端設備進行維護時需要檢查IEC61850報文的正確與否。并且需要測量GOOSE網的暢通與否。

5 結束語

綜上所述，目前我國電網正在如火如荼的進行自動化和智能化的改造工程。智能設備和自動化設備的加入改變了電網終端設備的運行方式和運行特性。自動化和智能化的改造不僅改進了電網設備的運行和維護模式，更為電網的管理水平提升提供了必要的硬件支持。文章指出了通信設備對于智能化設備和自動化設備的重要性，并對電網主要終端設備的運行變化和運維技術以及通信設備的運維技術都進行了闡明。希望能給相關單位一定借鑒。

參考文獻

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