基于DMA與中斷方式的變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)

劉曉玥

（國網(wǎng)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(chǔ)部分，若通信電源在運行過程中出現(xiàn)故障，則易造成通信系統(tǒng)異常，使得整個變電站處于癱瘓狀態(tài)。當前電力行業(yè)的發(fā)展隨著用電用戶的需求不斷加快，在實現(xiàn)電網(wǎng)大規(guī)模擴張的同時，通信結(jié)構(gòu)也進行了一定程度上的改善。以往變電站采用人工監(jiān)測的方式監(jiān)測通信電源的運行狀態(tài)，由于通信電源排布相對分散，因此導(dǎo)致監(jiān)測人員的工作量大，并且常常出現(xiàn)監(jiān)測不及時的問題[1]。監(jiān)控系統(tǒng)是一種計算機控制系統(tǒng)，內(nèi)部集成了多種傳感器技術(shù)和現(xiàn)代計算機技術(shù)等，通過對各類通信電源進行監(jiān)控，可充分掌握電源的運行狀態(tài)，并且能夠記錄和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，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(yīng)用中具有提高CPU性能和節(jié)省大量CPU資源的優(yōu)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(jiān)控系統(tǒng)。

1 基于DMA與中斷方式的變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

在設(shè)計變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)時，引入中斷方式實現(xiàn)系統(tǒng)的訪問功能。但由于中斷法通常應(yīng)用在數(shù)據(jù)定長的通信環(huán)境當中，因此在實際應(yīng)用中會受到多字節(jié)數(shù)據(jù)收發(fā)通信的限制。針對這一問題，在通過中斷方式實現(xiàn)通信訪問時應(yīng)增加對DMA的應(yīng)用，利用DMA的串口通信，在有效防止CPU干預(yù)條件下，與監(jiān)控系統(tǒng)相連接的其他外圍設(shè)備構(gòu)成通信數(shù)據(jù)的傳輸通道，并在通信單元監(jiān)控過程中采集數(shù)據(jù)，然后借助DMA控制器將其存儲至相應(yīng)的存儲器[3]。變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

結(jié)合圖1所示的監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，本文針對DMA控制器和系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲器等硬件選型進行設(shè)計說明。

圖1 變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 DMA控制器選型

DMA控制器是本文監(jiān)控系統(tǒng)的核心硬件結(jié)構(gòu)，其運行質(zhì)量直接決定著監(jiān)控系統(tǒng)的運行效果。綜合監(jiān)控系統(tǒng)中斷方式訪問的需要，選擇PIC32MX460F512型號DMA控制器，其技術(shù)指標和參數(shù)如表1所示。

表1 PIC32MX460F512型號DMA控制器技術(shù)指標和參數(shù)

在本文監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中，采用PIC32MX460F512型號DMA控制器，實現(xiàn)對CPU工作的協(xié)調(diào)，以此能夠有效降低CPU的工作量，從而為系統(tǒng)監(jiān)控模塊提供便利條件，提高各類數(shù)據(jù)的交互速度。

1.2 系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲器選型

監(jiān)控系統(tǒng)的主要運行目的是實現(xiàn)對變電站通信電源運行過程中各類參數(shù)信息的獲取，并針對數(shù)據(jù)的變化情況判斷其運行狀態(tài)。因此，在監(jiān)控系統(tǒng)當中，數(shù)據(jù)存儲器也需要按照監(jiān)控系統(tǒng)運行要求進行重新優(yōu)化選型。由于通信電源的種類較多，加之監(jiān)控系統(tǒng)還需要監(jiān)控通信電源周圍環(huán)境的溫度、濕度以及煙霧等參數(shù)變化情況，因此本文選用西門子6ES7288-1CR40-0AA0型號數(shù)據(jù)存儲器。該型號數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的讀寫功能。通過CPU可對存儲器上各個引腳按照I2C協(xié)議規(guī)程控制模擬生成一個I2C主器件，以此實現(xiàn)對監(jiān)控數(shù)據(jù)的讀寫操作[4]。針對本文監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控單元，選用PCF559-210型號時鐘芯片。將該型號實時時鐘芯片應(yīng)用到系統(tǒng)當中，可以有效降低系統(tǒng)運行功率消耗，實現(xiàn)總線400 kb/s的最大傳輸速度。另外在時鐘芯片中內(nèi)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(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 基于DMA與中斷方式的系統(tǒng)前置監(jiān)控實時訪問

在監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)的前置監(jiān)控實時訪問。

為了確保實時訪問功能達到預(yù)計效果，可從主界面通信入手，數(shù)據(jù)流在進行前置監(jiān)控讀取數(shù)據(jù)時，節(jié)點可通過DMA控制器進行數(shù)據(jù)幀的接收與發(fā)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(diào)節(jié)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(jiān)控與訪問。

2.2 通信電源異常狀態(tài)監(jiān)控報警

完成對前端監(jiān)控信息的錄入后，系統(tǒng)將在采集的電源信息中設(shè)定一個安全閾值。此數(shù)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(shè)定閾值時，將自動觸發(fā)系統(tǒng)的預(yù)警，告警信息也會在此過程中通過多種方式通知系統(tǒng)后臺管理員。

通常情況下，系統(tǒng)通信電源的預(yù)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(yù)警方式，主要是指系統(tǒng)后臺管理員根據(jù)通信電源運行環(huán)境的變化，對其設(shè)定全新預(yù)警數(shù)值。當觸發(fā)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(huán)境存在異常。

在完成對報警等級的劃分后，系統(tǒng)軟件中心平臺可根據(jù)電源信號的傳輸動態(tài)，對不同的告警信息進行錄入，錄入的數(shù)據(jù)應(yīng)當以統(tǒng)一或標準的格式存儲。當技術(shù)人員進行報警信息的獲取時，可直接從軟件中心進行數(shù)據(jù)調(diào)用，以便于對后期異?，F(xiàn)象的提示。

除此之外，當系統(tǒng)在運行過程中，主站中心與變電站存在信息交互異?，F(xiàn)象，即信號傳輸中斷并觸發(fā)預(yù)警。通過此種多維度預(yù)警的方式，為電源設(shè)備在系統(tǒng)內(nèi)的穩(wěn)定運行提供一個相對安全的環(huán)境。綜上所述，完成系統(tǒng)功能的設(shè)計，可實現(xiàn)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shè)計變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)，為驗證本文設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)在實際應(yīng)用中更具優(yōu)勢，將其與傳統(tǒng)基于PLC的監(jiān)控系統(tǒng)進行對比。實驗時，兩種監(jiān)控系統(tǒng)均按照通信電源充放電方案管理電源的充放電環(huán)節(jié)。實驗過程中涉及的設(shè)備包括FLUK16-410型號數(shù)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(jiān)控系統(tǒng)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(jié)點連接。在兩種監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中，對各個節(jié)點上的數(shù)據(jù)利用FLUK16-410型號數(shù)字萬用表進行采集。為了對比兩種監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控精度，計算其絕對誤差（絕對誤差=|直流源實際數(shù)值-監(jiān)控系統(tǒng)母排電壓監(jiān)控顯示數(shù)值|）并記錄，最終繪制成如表2所示的實驗結(jié)果對比表。

從表2得出的實驗結(jié)果可以看出，本文設(shè)計的基于DMA與中斷方式的變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)在實際應(yīng)用中監(jiān)控結(jié)果的絕對誤差均在0～0.02 V內(nèi)，而傳統(tǒng)基于PLC的監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控結(jié)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(jiān)控要求，說明傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足當前變電站對通信電源精準監(jiān)測和控制的需要。

表2 兩種監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控絕對誤差對比表 單位：V

因此，結(jié)合上述實驗及實驗結(jié)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(jiān)控系統(tǒng)在實際應(yīng)用中具有良好的監(jiān)控精度，提高了變電站整體通信安全性和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

通信電源是變電站通信結(jié)構(gòu)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(jié)合DMA與中斷方式的基礎(chǔ)上設(shè)計一種全新的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中具有良好的監(jiān)控精度，提高了變電站整體通信安全性和穩(wěn)定性。