無人值守變電站設備電源遠控管理裝置的設計與實現

鄭劍波，朱鴻博，陳 煜，朱 陽，丁虹引

（國網浙江省電力有限公司臨海市供電公司，浙江 臨海 317000）

0 引言

隨著數字化、智能化、電力自動化技術的飛速發展，遠動技術逐漸走向成熟，智能電網技術深入推進，在這一背景下，220 kV 以下的變電站基本實現了無人值守的運行管理模式，但這同時給變電站設備的安全平穩可靠運行提出了更高要求。近年來，二次設備技術逐漸更新和完善，但在實際電網運行現場遠動機、在線監測儀、通信管理機、規約轉換設備等易出現系統崩潰、錯誤、死機、設備老化等故障缺陷，還存在根據調度需求強制硬復位的情況，而在電力系統行業管理規范下，傳統工序從調度員發現故障信息、工作人員制定處理方案、開票到實施現場作業許可整套工作流程較為繁瑣，期間耗費了大量人力物力財力，存在導致通信通道長期中斷的可能，極大地影響了電力設備的連續運轉，不利于電網安全平穩運行。而現有遠程重啟裝置穩定性較差且易出現卡死現象。因此，無人值守變電站設備電源遠控管理裝置的研發對電網電力設備的安全、高效、平穩、連續運行意義重大。

近年來，電源遠程重啟裝置不斷向適用性強、簡易、成本低、可靠性高等方向發展，而且該裝置在數字地震臺站、天氣雷達站、城市軌道交通信號設備等方面也得到廣泛應用。文獻［1］將遠程管理裝置作用于電能質量在線監測儀，有效地解決電能質量在線監測儀死機故障缺陷，采用STM32 單片機控制繼電器的通斷，利用無線（Wireless Fidelity，WIFI）模塊、4G無線路由器及手機應用程序（Application，APP）進行通信，提高了死機重啟速率，但在信號接收較弱的山區按照上述通信方式保證正常通信以及數據傳輸效率仍需進一步優化。文獻［2］針對無人值守地震臺站設備易出現通信、死機、供電等故障缺陷，設計了一種遠程電源監控系統，通過設計軟件TCP/IP協議，采用遠程指令控制繼電器的通斷，從而實現臺站儀器設備的斷電重啟功能，該系統在故障恢復及改善數據連續率方面仍有待進一步提高。文獻［3］研制了一套電源遠程控制重啟裝置，該裝置通過手機發送短信，全球通（Global System for Mobile Communications，GSM）卡接收器控制繼電器通斷，實現對通信設備電源遠程控制重啟，極大地減少了故障缺陷恢復時間，但該裝置僅適用于常溫干燥的環境下使用，無法應用于惡劣天氣環境下。文獻［4］構建了一套遠程重啟方案，利用用戶識別（Subscriber Identity Module，SIM）卡短信及WIFI 兩種方案作為通信方式，進一步優化配網安全平穩運行效率，但該方案受到一些垃圾短信的信息干擾，影響了配電網的恢復效率。文獻［5］建立了變電站智能三維實景無人值守感知系統，為變電站三維圖像實時監測提供了可靠經驗，然而，三維信息的數據傳輸精度和效率有待進一步優化。文獻［6］對智能巡檢機器人進行優化，利用聲音識別技術識別變壓器、互感器等設備中的異常情況，提高了設備巡檢效率，而聲音識別受各種外界環境的干擾，需對聲音信息進行濾波等處理。文獻［7］研制了地震觀測無人值守臺站信息智能化觀測系統，該系統保證了信號傳輸的效率，但該系統各個環節可能會出現相互干擾、冗余情況。文獻［8］針對各變電站分布較分散，工作人員輪流值守比較困難，研制了無人值守變電站遠程監控系統，該系統實現了各個系統間的交互功能，但系統交互容易引起數據采集冗余，數據信息處理效率低等問題。文獻［9］為提高遠程監控設備的安全維護，研制了一套基于STM32 程序遠程無線升級方案，改善了監控信號無線傳輸通信中易出現程序異常、報錯等故障缺陷。文獻［10］針對嵌入式系統遠程升級過程易出現無法升級等故障缺陷問題，開發了包含STM32F205VB 處理器的遠程升級系統，并對系統升級的抗掉電、抗誤碼等可靠性進行設計，而系統升級很容易出現兼容性、程序報錯等情況。文獻［11］開發了一套變電站遠動機遠程重啟裝置，該裝置以電網調度自動化技術為基礎，且未在遠動機設備上安裝器件設備，采用廠站特定規約與主站控制主機實現通信，且該網絡與和被控服務器分離開來，但該裝置的重啟效率并不高。文獻［12］進行了智能變電站監控系統的設計，采用S3C2416 控制器，深入研究了以太網及RS-485 通信接口電路，實現了對變電站運行情況的實時監控功能，而未實現電氣及輔助系統的交互功能。文獻［13］研制了嵌入式SIM 卡配電終端，嵌入式SIM 卡環境適應性強、有利于改善終端的在線率，但其管理維護工作量仍很大。文獻［14］研制了一套基于AT89S51 單片機的防漏水告警系統，當水流量達到給定閾值時，實現自動關閉閥門，通過短信告警控制器，進一步發送告警短信，保證了電站系統的安全平穩運行，但告警的準確度有待進一步優化。文獻［15］將聲音識別及機器人技術結合，進而判斷變電站設備的運行狀況，但未實現遠程控制，運維人員巡檢難度仍然很大。文獻［16］研制了一套可適用于智能變電站的電源在線監測系統，采用IEC61850 協議通信，該系統自動化、智能化水平較高，但在線監控完整度還有待進一步改善。文獻［17］針對電站遠動機易出現通信異常，研制了遠動機在線監測、遠程運維系統，提高了故障缺陷處理效率，但實時數據恢復效率仍需改善。文獻［18］針對鄉鎮臺站監控設備長期運行易出現死機故障缺陷這一問題，對傳統遠程監控系統進行改進，利用電源復位器與不間斷電源通信，進一步將光纖網絡傳回監控室，實現斷電重啟、實時監控的功能，但系統升級可能存在兼容性問題，以及臺站設備眾多數據傳輸效率及精度仍需完善。文獻［19］研究了關于油田的配電網故障缺陷在線監測技術，采用通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）通信模式實現主站與遠程通信模塊雙向通信，故障監測遠程控制單元識別短路等故障缺陷，發現利用數字故障指示器及數據采集器作為終端的配電模式更具可靠性，但部分監測單元存在運行異常情況，故障恢復效率還需完善。文獻［20］為改善城市軌道交通信號系統設備重啟效率，構建了一套針對城市軌道交通信號設備的遠程重啟控制系統的設計思路，采用可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC），利用控制中心集中控制，該方案降低了誤動作次數，但該系統故障恢復效率仍有待進一步改善。文獻［21］對智能電站數據通信網關進行研究，利用各協議間轉換機制，改善了通信可靠性，但在針對數據流較大、虛擬化的情形下可行性有待進一步研討。

針對現有研究存在問題，研制一套無人值守變電站設備電源遠控管理裝置，旨在實現通信管理機啟停智能化管理，規避一些遠控管理方案的局限性，進行系統整體架構設計、硬件設計、狀態判斷邏輯設計、下位機軟件設計及通信協議設計等，采用電力站內光纖專網進行通信，設計以太網、RS485 通信接口及人機交互的按鍵模塊，利用交換機及路由器實現數據精準傳輸，進一步利用ARM 單片機處理及繼電器控制等單元，實現遠程控制電源通斷重啟設備的功能。

1 系統架構設計

1.1 變電站故障設備處理流程

傳統變電站設備重啟流程，如圖1 所示，運行維護人員通過監控系統發現設備出現死機、卡死等故障缺陷，傳統處理方案是工作人員制定檢修處理方案，開具工作票、工作人員奔赴變電站（部分廠站地處高山地區、自然環境惡劣），到站后執行許可手續，現場通斷電源開關重啟設備，最后結束工作票，完成整套流程，整個工序費時費力，工作人員辦理手續及趕赴現場作業用時較長，而變電站設備電源重啟用時短，本文研究方案省去了開票、工作人員趕赴變電站、執行許可手續、結束工作票環節（步驟Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅳ），設計了一套變電站設備電源遠控管理裝置，實現了遠程電源通斷重啟設備的功能，極大地縮短了設備恢復時間，盡可能保證了變電站設備的安全平穩運行。

圖1 變電站故障設備處理流程

1.2 系統結構設計

系統設計結構思路，如圖2所示。

圖2 系統設計結構

圖2中連接傳輸方式如下：1）屏柜（電源）裝置通過遠動裝置電源線路與遠動通信裝置相連接；2）屏柜（電源）裝置與電源管理裝置110 V/220 V直流輸入端子連通；3）電源管理裝置110 V/220 V 直流輸出端子與遠動通信裝置連接；4）電源管理裝置與遠動通信裝置通過以太網口、RS485串口進行通信，利用交換機、路由器、加密裝置等設備，采用光纖專網進行通信。

2 設計與實現

根據系統架構設計思路，下位機端使用PLC 或者單片機來實現控制需求，但考慮到成本和功能要求，低成本的單片機方案無疑是比較好的選擇。下文將對單片機方案的具體實現進行敘述。

2.1 電源遠程復位裝置設計

電源遠程復位管理裝置原理如圖3所示。

圖3 電源遠程復位管理裝置原理

圖3 中組成包括：電源模塊、繼電器控制單元、通信處理單元、接線端子等硬件、ARM 處理單元、浪涌模塊、電源投切、嵌入式下位機軟件等。其中，通信接口包括以太網口和RS485 串口，電源投切由110 V和220 V 直流輸入兩個接口，110 V 或220 V 直流輸出接口，主要實現功能包括：遠程復位、狀態判斷等。實現對遠動裝置等被控電源設備的遠程復位管理。

2.2 電源管理裝置通信實現

系統運行邏輯，如圖4所示。

圖4 中按照“定時+問答+循環”的設計原則，采用“雙向認證握手”協議機制和“雙向問答”協議機制，圖4 中電源遠程復位管理裝置通過以太網（104規約）啟動第1 次“問答”1 號遠動裝置；若第1 次“握手成功”，則返回主機，通過RS485串口（101規約）啟動第2 次“問答”；若第2 次“握手成功”，則主機向主站系統進行“報文”，以“點表數據”的形式，將2 次“握手”成功形式報文給主站系統；2 次問答成功，以（IP，0，0）或其他形式表示。同樣的運行邏輯啟動對2號遠動裝置的“問答”和“握手”。如果在通信過程中“握手失敗”，微控制單元（Micro Control Unit，MCU）并請求延時60 s 之后進行下一次“握手”，直到與電腦（Personal Computer，PC）端主站建立起正常的通信網絡線路連接。

圖4 系統運行邏輯

2.3 電源管理裝置電路原理設計

整個裝置主要起到接收PC 端下行指令和設備監控數據的上傳，ARM 處理單元采用STM32F407，主頻率高達168 MHz，擁有512 kB Flash 存儲容量，可支持以太網、USART、SPI等常規接口功能，完全可以滿足整個系統的控制需求。

2.3.1 系統電源電路設計

系統電源電路，如圖5所示。

圖5 系統電源電路

圖5 中系統電源采用AC/DC220 V 轉5 V 隔離開關電源模塊提供，再通過TSP5430芯片將5 V 電源轉到3.3 V，從而為單片機提供工作電源。

2.3.2 RS485通信電路設計

RS485通信電路，如圖6所示。

圖6 中RS485 通信電路驅動芯片選用SP3485EN，與MCU 端通過串口通信，其收發模式選擇由MCU 下達指令進行切換，當RE（Recive Enable）引腳為邏輯低電平時為接收器，由從機向MCU 發送信息，RE 為邏輯高電平時為發送器。SP3485EN 由單個3.3 V 電源供電，支持低功耗半雙工通信，滿足RS-485 和RS-422 串行協議的規格，與Sipes SP481 引腳兼容，采用BicCMOS 工藝，允許低功率運行而不犧牲性能。在有負載的情況下，最高通信速率可達100 Mbit/s。RS485 通信方式的特點是傳輸速率快、通信傳輸距離長且可實現一臺計算機控制多臺控制器的通信。

圖6 RS485通信電路

2.3.3 RS232通信電路設計

RS232 通信電路驅動芯片選用SP3232ENN，滿足EIA/TIA-232-F 標準，供電電壓從+3.0 V 到+5.5 V電源，在3.3 V 操作下只需要0.1 μF 電容，支持帶負載情況下通信速率為250 kbit/s 全雙工通信，可外接兩路通道。RS232 通信方式的特點是通信速度慢、傳輸距離有限。RS232通信電路如圖7所示。

圖7 RS232通信電路

2.3.4 繼電器電路設計

RS232 通信電路驅動芯片選用SP3232ENN，滿足EIA/TIA-232-F 標準，供電電壓從+3.0 V 到+5.5 V電源，在3.3 V 操作下只需要0.1 μF 電容，支持帶負載情況下通信速率為250 kbit/s 全雙工通信，可外接兩路通道。RS232 通信方式的特點是通信速度慢、傳輸距離有限。繼電器電路設計如圖8所示。

圖8 繼電器電路

2.3.5 網絡通信電路設計

網絡通信電路如圖9 所示，其中以太網模塊電路結構如圖9（a）所示，單刀雙擲模擬開關電路如圖9（b）所示。

圖9 網絡通信電路

圖9 中網絡通信選用正點原子ATK-UART 模塊來實現，供電電壓支持3.3～5.0 V，其具備多種通信模式，支持用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）和TCP 通信協議，10/100 Mbit/s自適應以太網接口，與MCU 的串口通信波特率最高可以到921 600 bit/s。選用集成模塊開發的好處在于在保證基本功能的前提下，大大提高硬件開發效率，降低出錯率。

2.3.6 EEPROM芯片電路設計

EEPROM芯片選用AT24CXX芯片，通過IIC二線式串行通信方式，該芯片小巧、可靠性高，具有保護性能、速度高、安全穩定，因此在設計集成電路（Integrated Circuit，IC）卡等領域中得到了廣泛的應用。其中串行時鐘總線和串行數據總線引腳需要用4.7 kΩ 電阻提高3.3 V 的供電電壓，以提高線路通信的抗干擾性。EEPROM芯片電路如圖10所示。

圖10 EEPROM芯片電路

3 PCB板設計

PCB 板設計如圖11 所示，Altium Designer 軟件繪制PCB 板框布局如圖11（a）所示，PCB 板實物布局如圖11（b）所示。

PCB板框采用Altium Designer 軟件繪制，采用模塊集中化布局模式，將電源線和信號線盡量隔開，避免強電電磁對弱電信號的干擾，進行合理布線，最后制作PCB板實物。圖11中包括：以太網接口，與PC端網絡連接，實現數據接收；RS485 通信接口，當TCP握手不成功時，通過RS485 串口發送重新握手指令；ARM單片機，處理數據以及發出控制指令；DC 110 V電源輸出接口作為預留接口；光耦繼電器，實現控制開關通斷功能；AC/DC 220 V 電源輸入接口，為整個裝置提供電源；預留電源輸出接口，為其他外設裝置提供電源；RS232 通信接口，預留通信接口；調試按鍵，人機交互使用。其中具體接線端子定義，如表1所示。

表1 接線端子定義

圖11 PCB板設計

變電站設備電源遠控管理裝置實物，如圖12 所示，其中裝置背面接口如圖（a）所示，裝置正面信號指示燈如圖（b）所示。變電站通信管理機設備是主站系統與底層設備通信關鍵通道，一旦通信管理機出現宕機情況，主站系統與底層設備無法建立通信，需要人工去現場手動復位，效率低，時間長，本文設計裝置旨在實現通信管理機啟停智能化管理，提高電站設備安全平穩運行效率，降低電站設備恢復時長，所研制的電源遠控管理裝置目前已完成調試，測試目標對象為變電站通信管理機。本文設計的無人值守變電站設備電源遠控管理裝置相對于人工現場操作可節省90%以上的時間成本，通過調試驗證了裝置降低了人工操作成本、節省了設備恢復時間，保證了電站設備的通信連接的穩定性，保障了變電站設備運行的可靠性，進一步有效提高了電網實時監控能力。

圖12 裝置照片

4 結語

為提高無人值守變電站設備出現故障缺陷恢復效率，保證電網實時監控能力，研制一套變電站設備電源遠控管理裝置。采用電力站內光纖專網進行通信，構建了遠程電壓控制合位邏輯關系程序，實現電源遠控裝置與遠動通信裝置建立TCP 連接，按照TCP/IP 協議通信，該通信方式的特點是可通過光纖延長通信距離、且通信速度快，或者采用RS485 通信方式，采用“雙向認證握手”協議機制和“雙向問答”協議機制，按照“定時+問答+循環”的設計原則；利用ARM 單片機處理及繼電器控制等單元；下位機端使用單片機來實現控制需求，相比PLC控制方式，ARM單片機控制方式成本低且功能較齊全。主要實現了遠程復位、狀態判斷等功能，最終滿足設備遠程啟停或復位的需求。所研發電源遠控管理裝置，克服了傳統人工干預方式須趕赴現場作業耗時耗力的局限性，降低了人工操作成本，簡化了工作流程，節省了設備恢復時間，保證了電站設備的通信連接的穩定性，保障了變電站設備運行的可靠性，有效提高了電網實時監控能力。