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案例頻道1引言
近年來(lái)，在新建的110KV及以下變電站中，通常實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守或集控，220KV及以上變電站實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化；老的變電站也大多進(jìn)行了改造。上述技術(shù)升級(jí)和改造主要是針對(duì)變電站電氣二次部分進(jìn)行的，當(dāng)變電站一次設(shè)備出現(xiàn)故障或異常時(shí)會(huì)直接影響電能的傳輸、變換與分配等問(wèn)題。目前，對(duì)電氣設(shè)備的故障診斷主要依靠計(jì)劃?rùn)z修和平時(shí)巡檢，如果設(shè)備突然出現(xiàn)異常或存在潛伏性故障，事實(shí)上大多情況我們都不能及時(shí)處理，使電力系統(tǒng)供電可靠性降低。利用“在線監(jiān)測(cè)技術(shù)”能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，為迅速排除故障，節(jié)省檢修時(shí)間，提高電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。因此，大力發(fā)展“在線監(jiān)測(cè)技術(shù)”是電力系統(tǒng)的必然。
2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成及其監(jiān)測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介
圖 1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖
2.1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成
此變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分層分布嵌入式總線結(jié)構(gòu)，按照對(duì)象來(lái)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖中還標(biāo)明了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)保護(hù)、測(cè)控單元功能。
單元層（監(jiān)測(cè)設(shè)備附近）：有斷路器、變壓器、避雷器、容性設(shè)備、環(huán)境等在線監(jiān)測(cè)單元，還有變壓器、線路、母線等保護(hù)、測(cè)控單元。各單元在就地可對(duì)各高壓設(shè)備的特征參量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理，并將信息送往主控室。
變電站層（主控室）：包括工程師站、五防終端、遠(yuǎn)動(dòng)主站、在線監(jiān)測(cè)主站、監(jiān)控系統(tǒng)、GPS裝置等，各監(jiān)測(cè)單元的在線監(jiān)測(cè)信息通過(guò)總線實(shí)時(shí)送往監(jiān)測(cè)主站（主控室），監(jiān)測(cè)主站對(duì)收到的信息進(jìn)行處理，再將分析診斷結(jié)果送到生計(jì)、檢修部門(mén)或報(bào)警提醒各部門(mén)人員注意。
2.2 在線監(jiān)測(cè)單元功能
1）、變壓器在線監(jiān)測(cè)單元功能：主要完成變壓器油中氣體在線監(jiān)測(cè)、局部放電在線監(jiān)測(cè)、鐵心絕緣狀況在線監(jiān)測(cè)、變壓器套管絕緣狀況在線監(jiān)測(cè)。油中氣體氣相色譜分析和局部放電試驗(yàn)是目前對(duì)油浸絕緣狀態(tài)分析最靈敏的方法；局部放電是變壓器運(yùn)行中出現(xiàn)絕緣劣化的主要因數(shù)之一，通過(guò)局部放電試驗(yàn)可以找到絕緣放電發(fā)生的部位和強(qiáng)弱；而油中氣體色譜分析可知道變壓器絕緣放電能量的大小，放電點(diǎn)的溫度高低，是固體絕緣破壞還是液體絕緣破壞等信息。變壓器鐵心絕緣狀況通過(guò)在線監(jiān)測(cè)變壓器鐵心接地電流實(shí)現(xiàn)。套管絕緣狀況通過(guò)在線監(jiān)測(cè)介質(zhì)損耗tgδ、泄漏電流實(shí)現(xiàn)。
2）、斷路器在線監(jiān)測(cè)單元功能：包括在線監(jiān)測(cè)斷路器機(jī)械狀態(tài)和斷路器電壽命。在線監(jiān)測(cè)斷路器機(jī)械狀態(tài)是通過(guò)監(jiān)測(cè)斷路器動(dòng)觸頭速度和行程、分合閘線圈回路電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在線監(jiān)測(cè)斷路器電壽命是通過(guò)監(jiān)測(cè)介質(zhì)損耗tgδ、套管外泄漏電流實(shí)現(xiàn)的。
3）、隔離開(kāi)關(guān)在線監(jiān)測(cè)單元功能：戶外隔離開(kāi)關(guān)經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題是瓷瓶斷裂，操作失靈、導(dǎo)電回路過(guò)熱和銹蝕。其中導(dǎo)電回路過(guò)熱是主要問(wèn)題，因此，本監(jiān)測(cè)單元通過(guò)紅外在線監(jiān)測(cè)對(duì)某些隔離開(kāi)關(guān)的接觸部位進(jìn)行在線過(guò)熱監(jiān)測(cè)。
4）、絕緣子在線監(jiān)測(cè)單元功能：絕緣子在發(fā)生絕緣故障前，總會(huì)表現(xiàn)出一定的局部放電特征，這些放電包括污穢放電（可能擊穿）、電暈放電（不會(huì)擊穿）、內(nèi)部缺陷放電（可能擊穿）。本單元采用超聲波在線監(jiān)測(cè)和絕緣電阻在線監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)部分絕緣子的絕緣故障監(jiān)測(cè)。
5）、避雷器在線監(jiān)測(cè)單元功能：監(jiān)測(cè)避雷器全電流、阻性電流及其比例來(lái)判斷其是否有故障。
6）、容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)單元功能：通過(guò)監(jiān)測(cè)容性設(shè)備介質(zhì)損耗tgδ、電容量C、泄漏電流實(shí)現(xiàn)對(duì)容性設(shè)備的故障在線監(jiān)測(cè)。
7）、環(huán)境在線監(jiān)測(cè)單元功能：屬于公共信息監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)信息包括環(huán)境溫度、濕度、大氣壓等參數(shù)。
各單元都是由雙CPU組成的完整微機(jī)系統(tǒng)，完成信號(hào)采集處理、A/D轉(zhuǎn)換、I/O、運(yùn)算、故障判斷報(bào)警、對(duì)外通信、人機(jī)聯(lián)系等功能。
3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
單元層采用RS―485與CAN現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的雙總線通訊方式，各單元采用雙CPU結(jié)構(gòu)嵌入系統(tǒng)雙總線（RS―485和CAN總線）。變電站層采用雙以太網(wǎng)，單元層雙總線與變電站層雙以太網(wǎng)通過(guò)通訊管理機(jī)（網(wǎng)關(guān)）實(shí)現(xiàn)信息交換。在線監(jiān)測(cè)主站通過(guò)以太網(wǎng)可以向下遠(yuǎn)程管理各單元總線節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；向上可以將診斷結(jié)果和相關(guān)信息報(bào)告生計(jì)或檢修部門(mén)。通訊流程框圖如圖1所示
3.1 單元層采用雙CPU結(jié)構(gòu)
單元層雙CPU結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示
圖 2 雙CPU結(jié)構(gòu)框圖
1)CPU1模塊:采用IT公司的TMS320C2407A型 DSP,它具有16路ADC,41個(gè)I/O接口, 片內(nèi)有SARAM、DARAM、FLASH，有SPI、SCI、CAN三種通信接口。
CPU1模塊功能包括：數(shù)據(jù)采集和處理、計(jì)算、故障判斷和事件記錄、故障信息主動(dòng)上傳；同時(shí)響應(yīng)CPU2的通信請(qǐng)求，把各種計(jì)算結(jié)果和信息通過(guò)雙口RAM報(bào)告給CPU2模塊。
2）CPU2模塊：采用單片機(jī)80C196。
CPU2模塊功能包括：實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、對(duì)整個(gè)系統(tǒng)控制和管理，故障錄波、故障報(bào)警；同時(shí)需要數(shù)據(jù)時(shí)，向CPU1發(fā)出請(qǐng)求，獲取數(shù)據(jù)和信息。
3）CPU1 和CPU2的通信方式：采用簡(jiǎn)單高效雙口RAM實(shí)現(xiàn)兩CPU間的通信。
4）CPU1 和CPU2軟件設(shè)計(jì): CPU1 和CPU2兩模塊各負(fù)其責(zé)，采用搶占式任務(wù)調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn)CPU1 和CPU2各自子系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)用，同時(shí)通過(guò)雙口RAM在系統(tǒng)的管理下協(xié)調(diào)工作。搶占式任務(wù)調(diào)度機(jī)制是根據(jù)優(yōu)先級(jí)來(lái)執(zhí)行任務(wù)，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行，也具有中斷低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的權(quán)利。本程序設(shè)計(jì)中，CPU1子系統(tǒng)里機(jī)械中斷采集優(yōu)先級(jí)最高，絕緣計(jì)算優(yōu)先級(jí)最低；CPU2子系統(tǒng)里雙口RAM中斷優(yōu)先級(jí)最高，故障錄波優(yōu)先級(jí)最低。
3.2 單元層采用雙總線結(jié)構(gòu)
單元層雙總線是由RS―485和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成。
1）RS―485串行總線：RS―485串行總線只定義了物理層，使用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，沒(méi)有介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議，不能解決多機(jī)主動(dòng)上傳造成的介質(zhì)訪問(wèn)沖突問(wèn)題，優(yōu)點(diǎn)是具有傳送大批量數(shù)據(jù)的能力。因此，這里采用RS―485總線主要是提高通信中的信息傳輸能力。
2）CAN(Controller Area Network)現(xiàn)場(chǎng)總線：屬于多主總線，采用非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁，使得當(dāng)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問(wèn)總線時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)停發(fā)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)不受影響。它具有硬件防止介質(zhì)訪問(wèn)沖突功能及載波偵聽(tīng)能力，借助接收濾波可實(shí)現(xiàn)多地址的幀傳送。但CAN每一幀最多傳8個(gè)有效字節(jié)，傳輸較長(zhǎng)報(bào)文時(shí)，必須對(duì)該報(bào)文進(jìn)行分幀，多次發(fā)送，實(shí)時(shí)性沒(méi)有充分體現(xiàn)。CAN適用于低成本、中小網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、實(shí)時(shí)性較強(qiáng)且數(shù)據(jù)量不大的控制場(chǎng)合。
因此，根據(jù)系統(tǒng)從一次設(shè)備獲取的信息類型，可選擇接入RS―485總線或CAN總線。例如：突發(fā)數(shù)據(jù)(如故障報(bào)警數(shù)據(jù))可選用 CAN總線，避免總線沖突；大批量數(shù)據(jù)(如故障錄波) )可選用RS―485總線，提高了通信的可靠性。
3.3 單元層CAN現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)點(diǎn)
1、CAN節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
CAN節(jié)點(diǎn)的硬件電路圖，如圖3所示。該電路的三個(gè)核心器件是單片機(jī)ADμC812數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CAN總線控制器SJAl000和CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250。
SJAl000微控制器片外擴(kuò)展芯片，決定CAN控制器各寄存器的地址。SJAl000通過(guò)CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250連接在物理總線上。PCA82C250器件具有對(duì)總線發(fā)送和接受信息能力。
圖 3 CAN節(jié)點(diǎn)硬件電路原理圖
2、CAN節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)包括A／D轉(zhuǎn)換(ADC)、CAN控制器初始化、CAN總線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等。
CAN控制器初始化決定了CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)共同遵守的協(xié)議。對(duì)SJAl000的初始化是向其片內(nèi)的各個(gè)寄存器寫(xiě)入控制字的過(guò)程，其寄存器包括九個(gè)。其中：BTR0、BTRl寄存器內(nèi)容決定系統(tǒng)通信的波特率和CAN協(xié)議物理層中的同步跳轉(zhuǎn)寬度；OCR寄存器內(nèi)容用于決定CAN控制器的輸出方式；根據(jù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和報(bào)文標(biāo)志符決定寫(xiě)入ACR、AMR寄存器的內(nèi)容；根據(jù)狀態(tài)寄存器 STATUS的第4位的狀態(tài)，可判斷幀數(shù)據(jù)是否完全發(fā)送完畢；根據(jù)狀態(tài)寄存器STATUS的第1位的狀態(tài)，可知接收緩沖區(qū)(RXFIFO)中的可用信息。
ADC、CAN控制器初始化完成后，CAN控制器即可編寫(xiě)收、發(fā)程序，完成數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)。CAN總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流程，如圖4所示。
圖 4 CAN總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流程
4 總結(jié)
隨著變電站中在線監(jiān)測(cè)及其故障診斷技術(shù)的應(yīng)用，電力系統(tǒng)由計(jì)劃?rùn)z修過(guò)渡為狀態(tài)檢修將成為可能。由于在線監(jiān)測(cè)信息量大，技術(shù)含量高，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分層分布嵌入式雙總線冗余配置通訊方式，兩總線的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，避免了總線沖突，在數(shù)據(jù)傳輸性能上有很大的提高。單元層采用雙CPU結(jié)構(gòu)，滿足了在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的要求，系統(tǒng)功能多，任務(wù)分工明確，確保了系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。在軟件使用上采用了搶占式任務(wù)調(diào)度機(jī)制，使系統(tǒng)任務(wù)優(yōu)先級(jí)明確，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因此這項(xiàng)技術(shù)的開(kāi)展必將進(jìn)一步深化變電站綜合自動(dòng)化的內(nèi)涵，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
參考文獻(xiàn)：
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[2] 嚴(yán)璋. 電氣絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù) [M].― 北京：中國(guó)電力出版社，1995.
作者簡(jiǎn)介： 石開(kāi)明（1970-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特市，講師，研究生，從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化的教學(xué)與研究
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)