電力自動化系統智能保護測控設備的設計與開發方法

敖麗華

(江西冶金職業技術學院，江西新余 338000)

0 引言

隨著我國經濟水平的快速發展，人們對用電需求越來越多，電網安全已經成為了企業和社會關注的重要問題，特別是當電網在高負荷的情況下，如果發生安全事故就會給人們的生產生活帶來嚴重的影響，甚至威脅到我國的經濟發展。因此，對電力自動化系統智能保護測控設備的設計與開發工作得到了許多學者的重點關注，通過把電網的保護、測量、控制以及通訊等功能相結合，共用在一個測控設備當中，能夠極大的提升電網運行的安全、穩定性。

1 電力自動化系統智能保護測控設備整體方案設計

1.1 基本功能

(1)保護功能。就是指利用繼電保護實現保護設備的安全運行，一旦電網設備發生短路故障問題或者過壓等現象時，能夠及時的做出反應，并且執行跳閘命令，把問題切除同時發生報警，這樣能夠在最大程度上避免電氣設備的損壞以及停電范圍過大等問題，從而促進電氣系統的穩定運行。(2)測量功能。通過測量設備對電力節點進行有效的測量，如果控制中心或者終端發出測量指令時，設備可以及時的做出反應將電量數據傳輸到中心，從而給電力資源的調度提供有力的依據。(3)通訊功能。此功能為電力自動化系統與智能保護測控設備之間的紐帶，該功能主要是把電能測量數據以及保護信息等內容傳輸到控制中心里，在這一過程中，要保證與國際電力自動化標準相一致，并且按照系統的需求進行通訊。(4)控制功能。此功能主要是以其他的功能為基礎，通過遙測、遙控、遙信以及遙調等技術，實現對相關設備的控制與管理。通過分析可知，電力自動化系統智能保護測控設備必須具備上述的四個基本功能，從而促進電力系統的自動化[1]。

1.2 整體結構

電力自動化系統智能保護測控設備的設計主要利用了模塊化結構，不僅能夠使得設備更加的靈活、易操作，有利于拓展新的功能和資源，而且也給系統的升級工作帶來了極大的便利性。按照發揮功效的不同，電力自動化系統智能保護測控設備主要由主控模塊、電量轉換模塊、人機對話、開入開出模塊以及通訊模塊等幾個部分構成。各個模塊之間全部為單獨的插件，并且通過母版的連接完成電氣的聯系。

1.3 方案設計

按照電力自動化系統智能保護測控設備的性能需求，方案設計應該遵循以下原則，首先，技術可靠性原則。根據以往系統設計中的成功經驗，采先進、成熟的技術方式完成設備的開發工作，從而提高設備的安全程度；其次，通用性原則。智能保護測控設備的硬件平臺要具有一定的通用性，在這一平臺中可以由相同的硬件實現不同的操作功能，那么在改進設備性能這一方面上，只需要對其軟件進行完善即可，這就在一定程度上增加了智能保護測控設備的使用時間，降低了設計成本。

2 設備的硬件設計

電力自動化系統智能保護測控設備不僅要保證配置靈活，而且要符合功能拓展以及系統升級的需求，所以可以使用模塊化結構設計方式。電力自動化系統智能保護測控設備主要包括：

2.1 主控模塊

作為電力自動化系統智能保護測控設備的核心，主控模塊主要包括ADC(模擬數字轉換器)、保護和測量CPU以及EEPROM等。主控模塊主要完成對電量轉換模塊傳送過來的電流、電壓等進行AD采樣，從而獲得原始數據，同時通過數據處理功能實現對數據的處理，將參數存儲在寄存器當中。其中，主控模塊CPU不僅能夠實現對數據的處理和存儲等過程，另外，當CPU對原始數據處理過后，可以和參考值進行對比與分析，及時的了解電力自動化系統智能保護測控設備的運行狀況，如果保護設備出現故障問題，也就是說已經達到了設置的動作值，那么就可以執行相應的保護命令，并且將這一命令傳輸到開入開出模塊。除此之外，主控模塊不僅可以進行數據的處理、存儲以及命令的發布等工作，還必須保證能夠實現良好的通訊功能以及人機對話功能等。當主控模塊接收到通訊模塊傳送到的消息時，CPU能夠對其進行實時的處理與分析，然后把相關的數據信息傳送到通訊模塊，從而保證電力自動化系統智能保護測控設備能夠完成通訊功能。當主控模塊接收到人機對話模塊傳送到的數據信息時，CPU對其進行分析，保證按鍵能夠有效的實現用戶的選擇，或者是根據要求設置閾值以及查詢記錄等，同時將數據信息進行及時的傳輸[2]。

2.2 電量轉換模塊

電量轉換模塊主要由電流互感器、電器互感器以及濾波電路構成，能夠對通過智能保護測控設備的電流和電壓進行采集，然后轉化成為可進行數據處理的模擬量，傳輸到主控模塊當中，從而完成數據處理、計算以及保護運算等功能。此外，電量轉換模塊與安全控制過程有著緊密的聯系，數據測量的準確程度直接影響到了系統的穩定性，所以要確保數據采集的正確性。在電力自動化系統智能保護測控設備中，對于采集到的系統中的電量信號而言，不僅可以進行保護判斷，而且能夠進行電量測量工作，但是保護部分與測量部分對精度有著不同的要求，所以可以利用不同型號的互感器構成其相應的輸入通道。在電量轉換模塊當中，一共有12個互感器，三個電壓部分和電流部分的互感器能夠保護三相電量信號，而其余的三個電壓互感器以及電流互感器能夠用于轉換電量測量的三相電量信號，并且把信號傳輸到電能計量芯片當中實現模數轉換。此外，電壓轉換可以使用電流型電壓互感器，而電流轉換可以使用電流互感器。

2.3 人機對話模塊

對于電力自動化系統智能保護測控設備而言，人機對話模塊是重要的組成部分，主要由液晶顯示、鍵盤和LED指示燈等三個部分組成，其中，液晶顯示以及鍵盤是完成人機對話的重要部分。在此模塊工作的過程中，利用鍵盤把操作人員的相關指令輸送到電腦里面，然后由主控模塊按照信息返回液晶控制以及數據信息，而液晶顯示則一般被設置為顯示出檢測到的電量信息、保護動作信息以及報警信息等，同時也能夠顯示出各種各樣的菜單選項，其中有保護配置、歷史記錄以及保護定值等內容。當主控模塊發出保護動作或者指示電源等信息命令時，LED指示燈就會做出顯示，做出亮或者滅等指令。

2.4 開入開出模塊

開入開出模塊主要包括開關量輸入以及開關量輸出等兩個部分。其中，開關量輸入主要完成電力自動化系統智能保護測控設備的“遙信”控制功能，能夠對現場的狀態量進行實時的采集，比如開關的分合以及儲能開關的儲能狀態等，同時把已經采集好的狀態量傳輸到主控模塊當中。而開關的輸出部分則能夠完成電力自動化系統智能保護測控設備的“遙控”控制功能，主要是把主控模塊發出的主控命令傳輸到終端控制器的跳合閘回路當中，實現對線路開關的控制功能。此外，開關量輸出的接口方式主要包括TTL直接電平接口以及光電隔離型等，在實際的設計過程中，主要采用光電隔離型的輸入方式，不僅具有較強的抗干擾能力，隔離性能好，而且響應速度快，可靠性強[3]。

2.5 通訊模塊

通訊模塊能夠很好的解決現場總線接口這一問題，數據的通信功能主要表現在兩個部分，一方面，實現電力自動化系統之間的信息傳輸和交換功能；另一方面，實現設備和控制中心之間的通信過程。由于設備間的信息傳輸較多，且智能保護測控設備的通信復雜，所以對其可靠性有著較高的要求，需要使用統一化的通信標準來約束。現階段，現場中應用較為廣泛的是RS485總線接口，有著標準化、規范化、操作便捷等諸多優勢，因此可以被應用在電力自動化系統智能保護測控設備的設計與開發當中，從而保證電網自動化的協調運行。

此外，通訊協議可以使用MODBUS通信協議，利用這一協議，能夠實現控制器之間、控制器和網絡之間以及與各個設備之間的通信，可以被廣泛的應用在電力自動化系統當中。

3 設備的軟件設計及算法

3.1 軟件開發環境

由于AVR單片機支持C語言編程，因此在電力自動化系統智能保護測控設備中可以使用Atmega128。C語言不僅可以對低級存儲器進行簡單的處理，而且可以對底層設計進行加工處理。此外，C語言在各個方面比匯編語言更具優勢，主要表現在系統消耗、嚴密性、表達方式、代碼質量等方面。在設計過程中，應用AVR GCC編譯器，此款編譯器不僅免費，而且源代碼是公開的，是一款自由化的軟件。此外，AVR Studio具有調試功能全面(包括自動同步、存儲器觀察、處理器狀態觀察等)、支持JTAG ICE等一系列的優勢。

3.2 軟件設計流程及框架

單片機程序編寫的過程中，主要包括分析問題、建立正確的數據模型、畫出程序框圖、有效分配系統資源、編寫指令、程序調試以及程序優化等幾個過程。在電力自動化系統智能保護測控設備的設計過程中，所有的硬件功能都是通過軟件部分完成的，因此軟件的運行效率對整個系統的工作效率起到了重要的影響作用。在設備軟件設計的過程中，既要完成鍵盤的指令，實現人機對話等功能，而且還要具有實時處理功能，可以按照控制過程指令，完成申請中斷過程，實現測控、通訊以及控制等作用。所以，軟件設計部分可以使用模塊化設計，將系統分為幾個部分，通過中斷對各個模塊進行控制，這樣也在一定程度上提高了軟件系統的運行效率和正確性[4]。

(1)主程序模塊。首先，設備進行初始化，主程序的初始化分為單片機初始化以及外設初始化等兩個部分，當單片機進行中斷操作后程序進入循環狀態等待中斷過程，然后開始對中斷進行判決，按照判斷的結構調用相關的子程序，其中包括RS484通訊子程序、人機對話以及數據處理等，完成相應的操作之后，再返回到測控保護主程序當中。此外，為了在最大程度上確保智能保護測控設備運行的安全性，可以在程序當中加入自檢部分，一旦設備出現問題，立刻停止，啟動報警裝置。(2)子程序模塊。子程序模塊主要包括采樣定時中斷服務子程序、鍵盤中斷服務子程序、保護外部中斷服務子程序，通訊串口中斷服務子程序以及開關量輸入中斷服務子程序等。其中，采樣定時中斷主要針對主程序操作，在時鐘的控制下完成對ADC的采樣工作；鍵盤中斷服務可以按照鍵盤的不同進行相應的操作，可以利用中斷法對其進行設計；保護外部中斷主要完成繼電保護功能。當對程序的編譯出現錯誤時，不需要修改全部的程序，只需對子程序進行檢查修改即可。

4 結語

總之，隨著電力資源的迅速發展，使得電網安全運行問題成為了電力企業發展過程中需要解決的重點內容，而電力自動化系統智能保護測控設備的設計與開發能夠很好的解決這一問題。本文主要從智能保護測控設備的硬件設計以及軟件設計等方面進行敘述，說明了各個模塊的組成及功能，以及軟件開發環境和流程，從而為電力自動化系統智能保護測控設備的設計工作提供一定的參考價值。