基于DMA與中斷方式的變電站通信電源監控系統

劉曉玥

（國網江蘇省電力有限公司 鹽城供電分公司，江蘇 鹽城 224005）

0 引 言

通信電源是變電站通信體系中的基礎部分，若通信電源在運行過程中出現故障，則易造成通信系統異常，使得整個變電站處于癱瘓狀態。當前電力行業的發展隨著用電用戶的需求不斷加快，在實現電網大規模擴張的同時，通信結構也進行了一定程度上的改善。以往變電站采用人工監測的方式監測通信電源的運行狀態，由于通信電源排布相對分散，因此導致監測人員的工作量大，并且常常出現監測不及時的問題[1]。監控系統是一種計算機控制系統，內部集成了多種傳感器技術和現代計算機技術等，通過對各類通信電源進行監控，可充分掌握電源的運行狀態，并且能夠記錄和處理相關數據，及時偵測故障問題[2]。中斷法是一種常見的通信訪問方式，在實際應用中具有提高CPU性能和節省大量CPU資源的優勢，其與查詢法相比效率更高。基于此，本文提出基于直接存儲器訪問（Direct Memory Access，DMA）與中斷方式的變電站通信電源監控系統。

1 基于DMA與中斷方式的變電站通信電源監控系統硬件設計

在設計變電站通信電源監控系統時，引入中斷方式實現系統的訪問功能。但由于中斷法通常應用在數據定長的通信環境當中，因此在實際應用中會受到多字節數據收發通信的限制。針對這一問題，在通過中斷方式實現通信訪問時應增加對DMA的應用，利用DMA的串口通信，在有效防止CPU干預條件下，與監控系統相連接的其他外圍設備構成通信數據的傳輸通道，并在通信單元監控過程中采集數據，然后借助DMA控制器將其存儲至相應的存儲器[3]。變電站通信電源監控系統硬件結構示意如圖1所示。

結合圖1所示的監控系統硬件結構，本文針對DMA控制器和系統監控數據存儲器等硬件選型進行設計說明。

圖1 變電站通信電源監控系統硬件結構示意圖

1.1 DMA控制器選型

DMA控制器是本文監控系統的核心硬件結構，其運行質量直接決定著監控系統的運行效果。綜合監控系統中斷方式訪問的需要，選擇PIC32MX460F512型號DMA控制器，其技術指標和參數如表1所示。

表1 PIC32MX460F512型號DMA控制器技術指標和參數

在本文監控系統運行過程中，采用PIC32MX460F512型號DMA控制器，實現對CPU工作的協調，以此能夠有效降低CPU的工作量，從而為系統監控模塊提供便利條件，提高各類數據的交互速度。

1.2 系統監控數據存儲器選型

監控系統的主要運行目的是實現對變電站通信電源運行過程中各類參數信息的獲取，并針對數據的變化情況判斷其運行狀態。因此，在監控系統當中，數據存儲器也需要按照監控系統運行要求進行重新優化選型。由于通信電源的種類較多，加之監控系統還需要監控通信電源周圍環境的溫度、濕度以及煙霧等參數變化情況，因此本文選用西門子6ES7288-1CR40-0AA0型號數據存儲器。該型號數據存儲器的輸出頻率為24 kHz，工作電壓為24 V，存儲容量為512 kB，具有對數據的讀寫功能。通過CPU可對存儲器上各個引腳按照I2C協議規程控制模擬生成一個I2C主器件，以此實現對監控數據的讀寫操作[4]。針對本文監控系統中的監控單元，選用PCF559-210型號時鐘芯片。將該型號實時時鐘芯片應用到系統當中，可以有效降低系統運行功率消耗，實現總線400 kb/s的最大傳輸速度。另外在時鐘芯片中內置8位寄存器，用于記錄通信電源運行的各個時間。

2 基于DMA與中斷方式的變電站通信電源監控系統軟件設計

2.1 基于DMA與中斷方式的系統前置監控實時訪問

在監控系統中，采用匯編語言和C語言混合的方式為PIC32MX460F512型號DMA控制器制訂一套符合其運行特點的專用匯編語言指令集，以此方便通過中斷方式完成系統的前置監控實時訪問。

為了確保實時訪問功能達到預計效果，可從主界面通信入手，數據流在進行前置監控讀取數據時，節點可通過DMA控制器進行數據幀的接收與發送，但采用直接訪問的方式，信息錄入過程可能受阻，因此可通過中斷通信的方式進行控制，并在此過程中調節DMA與串口的橋接方式，確保信息錄入行為的流暢性以及對變電站通信信息的實時監控與訪問。

2.2 通信電源異常狀態監控報警

完成對前端監控信息的錄入后，系統將在采集的電源信息中設定一個安全閾值。此數值可以作為通信電源運行的警戒線，當錄入的信息值超出或低于設定閾值時，將自動觸發系統的預警，告警信息也會在此過程中通過多種方式通知系統后臺管理員。

通常情況下，系統通信電源的預警被劃分為一般危險報警、嚴重危險報警以及自定義危險報警3種[5]。其中，自定義危險報警是一種主動預警方式，主要是指系統后臺管理員根據通信電源運行環境的變化，對其設定全新預警數值。當觸發自定義報警時，不僅代表了通信電源在此時的運行存在異常，同時也代表此時的電源運行環境存在異常。

在完成對報警等級的劃分后，系統軟件中心平臺可根據電源信號的傳輸動態，對不同的告警信息進行錄入，錄入的數據應當以統一或標準的格式存儲。當技術人員進行報警信息的獲取時，可直接從軟件中心進行數據調用，以便于對后期異常現象的提示。

除此之外，當系統在運行過程中，主站中心與變電站存在信息交互異常現象，即信號傳輸中斷并觸發預警。通過此種多維度預警的方式，為電源設備在系統內的穩定運行提供一個相對安全的環境。綜上所述，完成系統功能的設計，可實現對系統結構與功能的集成。

3 實 驗

通過上述論述，從硬件和軟件兩方面設計變電站通信電源監控系統，為驗證本文設計監控系統在實際應用中更具優勢，將其與傳統基于PLC的監控系統進行對比。實驗時，兩種監控系統均按照通信電源充放電方案管理電源的充放電環節。實驗過程中涉及的設備包括FLUK16-410型號數字萬用表、48 V/（1 000 A·h）變電站通信電源組、6臺24 V/50 A整流模塊以及1臺24 V/50 A電阻負載等。分別在兩種監控系統中選擇通信電源電壓取樣通道和電流取樣通道，并將其分別與各個節點連接。在兩種監控系統運行過程中，對各個節點上的數據利用FLUK16-410型號數字萬用表進行采集。為了對比兩種監控系統的監控精度，計算其絕對誤差（絕對誤差=|直流源實際數值-監控系統母排電壓監控顯示數值|）并記錄，最終繪制成如表2所示的實驗結果對比表。

從表2得出的實驗結果可以看出，本文設計的基于DMA與中斷方式的變電站通信電源監控系統在實際應用中監控結果的絕對誤差均在0～0.02 V內，而傳統基于PLC的監控系統監控結果的絕對誤差最大超過了1.00 V，不符合變電站對通信電源提出的監控要求，說明傳統監控系統已經無法滿足當前變電站對通信電源精準監測和控制的需要。

表2 兩種監控系統監控絕對誤差對比表 單位：V

因此，結合上述實驗及實驗結果進一步驗證，本文提出的基于DMA與中斷方式的變電站通信電源監控系統在實際應用中具有良好的監控精度，提高了變電站整體通信安全性和穩定性。

4 結 論

通信電源是變電站通信結構當中的核心組成，其主要作用是為變電站通信提供直流電源。通過本文研究，在結合DMA與中斷方式的基礎上設計一種全新的通信電源監控系統，在實際應用中具有良好的監控精度，提高了變電站整體通信安全性和穩定性。