一種分體式繼電保護裝置

云南電網有限責任公司楚雄供電局 周明敏 朱曉霰 高 杰

針對目前繼電保護裝置顯示存在的一些問題，結合目前流行的串口液晶屏，設計了一種分體式繼電保護裝置，提高了顯示效果，方便升級，降低成本，顯示單元出現故障時不影響主控單元的正常運行，給繼電保護裝置未來發展趨勢提供了一種新的思路。

目前繼電保護裝置都是一體化設計，人機界面和主控單元在一個裝置上，顯示界面一般采用點陣式單色顯示液晶屏，屏幕分辨率低，圖像顯示質量不高，顯示內容單一，人機交互體驗差，需要獨立制作字庫，界面顯示更新需要修改應用程序，顯示部分出現問題時，需要將整個裝置替換，增加開發周期和裝置成本。隨著智能電網的快速發展，繼電保護技術也在持續改進和提升，具有智能化、網絡化以及數字化的特性，對繼電保護裝置的圖像質量、顯示內容等功能提出更多更高的要求。

1 串口液晶屏

隨著顯示技術、通信技術和嵌入式技術的迅速發展，串口液晶屏得到了廣泛應用，串口液晶屏是指帶串口控制的液晶屏，由單片機或PLC來控制的液晶顯示屏，通過串口發送觸摸屏的坐標信息和控件信息，并接收串口發送過來的指令，完成在液晶顯示屏上繪圖的所有操作。串口液晶屏廠商提供圖形化開發軟件配合開發，用于降低開發難度，設計人員不用再關心液晶屏的底層驅動，只需要在上位機上設計顯示效果和處理邏輯，短時間就可以制作出好的顯示系統產品。

初期版本的串口液晶屏，都是簡單的通過上位機軟件來進行界面下載，然后發送命令過去把界面顯示出來，以達到所需要的顯示效果，觸摸方面僅支持上傳坐標。現在串口液晶屏已經形成了一個完整的產業鏈，功能強大，帶組態功能，各種功能不再是簡單使用圖片處理的粗糙操作，界面操作越來越接近手機的顯示。目前串口液晶屏已廣泛應用于工業自動化、智能家電、交通軌道、數據機房、充電樁、電力、醫療、國防安全、共享設備等各個領域。

2 硬件設計方案

分體式繼電保護裝置包括主控單元、顯示單元、以太網通信幾部分，主控單元和顯示單元之間通過以太網連接。

2.1 主控單元

主控單元是分體式繼電保護裝置的核心部件，由電源模塊、交流采樣模塊、開入模塊、開出模塊、邏輯處理模塊、弧光保護模塊、光纖通信模塊、GPS對時模塊和以太網通信模塊等組成，見圖1所示。

圖1 主控單元系統結構圖

主控單元負責輸入量采集、測量、計算、邏輯判斷、控制以及外部通信功能，裝置采用32位150MHz主頻的浮點數字信號處理器（DSP）和現場可編程門陣列（FPGA）芯片，具有強大的數據處理能力，使分體式繼電保護裝置具有高速度、高集成度和高系統性能。2個10/100M以太網接口，一個用于顯示單元通信，一個用于后臺監控系統通信。4路弧光檢測接口，光信號從弧光傳感器傳輸到主控單元時，同時啟動電流元件動作判斷，電流啟動元件分為突變量啟動元件和電流常量啟動元件，兩個元件取或邏輯，如果光信號和電流信號同時滿足保護動作條件，弧光保護動作，可選擇動作于告警或動作于跳閘。2路光纖通信接口，通過上下級保護間的信息交換，實現故障定位，滿足保護動作選擇性及速動性要求。裝置GPS時鐘同步對時功能，采用差分電平方式，可以自動適應IRIG-B格式和秒脈沖方式，并自適應外部接線。

2.2 顯示單元

顯示單元由電源模塊、單片機、串口液晶屏、鍵盤、指示燈、以太網通信模塊和輔助功能模塊等組成，輔助功能模塊包括紅外傳感器、藍牙、無線測溫、環境溫濕度測量等，見圖2所示。

顯示單元實現分體式繼電保護裝置的顯示和一些輔助功能，采用MSP430系列16位處理器，處理器集成了較多的片上外圍資源，具有精簡指令集、超低功耗、豐富的片內外設和方便靈活的開發手段等特點。紅外傳感器是用紅外線為介質的測量系統，利用目標與背景之間的戶外輻射差異所形成的熱點或圖像來獲取目標和背景信息，感知運維人員進行操作時自動點亮液晶屏，長時間未檢測到信號時關閉液晶屏幕以節省能源。顯示單元集成了ZigBee無線通信模塊，是一種低成本、低功耗的近距離無線組網通訊技術，適合用于自動控制和遠程控制領域，ZigBee無線通信模塊接收無線測溫傳感器信息，可以測量開關觸頭等重要位置的溫度。顯示單元集成了藍牙無線通信模塊，藍牙是一種無線技術標準，實現固定設備、移動設備的短距離數據交換，顯示單元通過藍牙和手機連接，用手機APP讀取信息和控制操作。

圖3 主控單元和顯示單元網絡連接圖

3 應用設計方案

分體式繼電保護裝置的主控單元和顯示單元是兩個獨立的模塊，兩個模塊之間通過以太網線連接，基于標準以太網協議通信。主控單元和顯示單元的默認IP地址可以實現兩個模塊之間通信，通過以太網線直連接后，顯示單元發出UDP廣播報文，去鏈接主控單元，當主控單元收到UDP報文，發出TCP鏈接報文，去鏈接顯示單元，等主控單元和顯示單元TCP鏈接成功后，主控單元和顯示單元之間就可以進行可靠的數據傳輸。主控單元和顯示單元連接成功后，可以修改主控單元和顯示單元的IP地址，再次上電連接時，以新設置的IP地址進行通信。

圖4 顯示單元效果圖

單個主控單元和單個顯示單元可以直接通過以太網線相互連接，也可以將多個主控單元和多個顯示單元同時接入交換機，通過地址設定進行匹配，一個主控單元可以和一個顯示單元連接，也可以和多個顯示單元連接，在任一個顯示單元上進行操作，同一個主控單元連接的多個顯示單元同時刷顯示信息，見圖3所示。

顯示單元存儲裝置所有畫面圖片和控件信息，主控單元存儲所有畫面信息和控件信息，顯示單元畫面控制功能由主控單元實現，顯示單元將觸摸屏位置和按鍵信息通過以太網傳送給主控單元，主控單元根據當前畫面信息和顯示單元傳遞的信息，通過以太網對顯示單元進行畫面切換，刷新控件信息。顯示單元采用大屏幕彩色液晶，菜單風格操作界面，同時支持觸摸屏和按鍵操作，見圖4所示。

小結：分體式繼電保護裝置的主控單元和顯示單元相互獨立，顯示單元出現故障時不影響主控單元的正常運行，顯示單元界面通過上位機組態開發，開發周期快，穩定性高，升級方便。分體式繼電保護裝置顯示單元通過以太網和主控單元進行通信，多個主控單元和多個顯示單元同時接入交換機，一個主控單元可以和一個顯示單元連接，也可以和多個顯示單元連接，滿足一些特殊應用場景需求，比如應用于就地化保護技術，分體式設計給繼電保護裝置未來發展趨勢提供了一種新的思路。