基于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的電力自動(dòng)化系統(tǒng)的研究

【 摘 要 】 針對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)無法實(shí)時(shí)控制電力設(shè)備的問題，論文設(shè)計(jì)出基于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的電力自動(dòng)化系統(tǒng)來解決。首先，通過分析選取現(xiàn)場總線和DSP作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制器的選擇；其次，對硬件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)；最后，給軟件部分的設(shè)計(jì)。論文對于電力工作者和軟硬件開發(fā)人員都具有一定的積極作用。

【 關(guān)鍵詞 】 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)；電力自動(dòng)化；現(xiàn)場總線

【 Abstract 】 Aiming at the problem that the traditional power system can not control the power equipment in real time， this paper designs a power automation system based on real time network to solve the problem. Firstly， select the field bus and DSP as the selection of the system network controller， and then design the hardware in detail， and finally give the design of the software. This paper has a positive effect on the power workers and software and hardware developers.

【 Keywords 】 real time network； electric power automation； field bus

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民生活質(zhì)量得到快速的提高，各類電氣設(shè)備走進(jìn)千家萬戶，居民對于電力的依賴性越來越強(qiáng)。用戶對于電壓質(zhì)量、供電可靠率等電力質(zhì)量指標(biāo)的要求越來越高，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)已經(jīng)不能保證這些電力指標(biāo)的高性能運(yùn)轉(zhuǎn)。依托于網(wǎng)絡(luò)和微處理器新型電力自動(dòng)化系統(tǒng)受到電力部門和用戶的歡迎。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和控制器選擇

2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用中，主要有無線通信、工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線三種方式。

（1）無線通信。無線網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)多、分布廣的特點(diǎn)，非常適合于區(qū)域內(nèi)大量節(jié)點(diǎn)的場所，如小區(qū)用戶的遠(yuǎn)程抄表管理，可以有效節(jié)省抄表人員的時(shí)間，提高工作效率。但是無線通信易受到周圍環(huán)境的干擾，出現(xiàn)信號失真或通信中斷的現(xiàn)象，對于實(shí)時(shí)管理和控制要求嚴(yán)格的系統(tǒng)就不太適合。

（2）工業(yè)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)是將以太網(wǎng)應(yīng)到到工業(yè)中，進(jìn)行局域管理和控制。TCP/IP協(xié)議的開放性使得以太網(wǎng)在工業(yè)通信中的優(yōu)勢比較明顯，并且易安裝，傳輸速度高的特點(diǎn)使得工業(yè)以太網(wǎng)更受歡迎。但由于以太網(wǎng)是局域網(wǎng)，傳輸?shù)姆秶邢?，?dāng)兩個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)共享傳輸介質(zhì)時(shí)，可能會造成兩個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息的沖突，這使得傳輸?shù)男蚀蟠蠼档?，對于?shí)時(shí)信息的要求無法得以滿足。

（3）現(xiàn)場總線。現(xiàn)場總線是基于最底層的總線型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，直接與終端設(shè)備相連，現(xiàn)場總線具有短幀結(jié)構(gòu)和多主站優(yōu)先權(quán)訪問的特征，這使得最關(guān)鍵和重要的數(shù)據(jù)信息具有較高的優(yōu)先級并且第一時(shí)間傳輸出去，具有高可靠性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。

通過上述分析，在電力自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)選擇上，采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。

2.2 微處理器選擇

應(yīng)用在電力系統(tǒng)的微處理器主要有ARM、DSP和單片機(jī)三種。

（1）單片機(jī)。單片機(jī)具有安裝簡便、易于操作、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，但是在性能上相對較差，且處理數(shù)據(jù)的速度較慢，一般應(yīng)用在任務(wù)簡單的控制系統(tǒng)中。

（2）ARM。ARM具有體積小、高性能、低成本、指令長度固定、大量使用寄存器的特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的事務(wù)管理功能，特別適用于電子消費(fèi)產(chǎn)品中。

（3）DSP。DSP具有的數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)和運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，但是功耗相對較大。電力自動(dòng)化系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)處理能力和運(yùn)算速度要求的比較高，對于功耗的要求不多。綜合分析，在微處理器的選擇上采用DSP。本文采用T1公司設(shè)計(jì)的DSP控制器作為系統(tǒng)開發(fā)的主控制器。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件總體設(shè)計(jì)

對于電力自動(dòng)化系統(tǒng)來說，主要是對兩類裝置進(jìn)行操作：一是保護(hù)和控制裝置，如穩(wěn)定控制裝置、線路保護(hù)裝置、線路差動(dòng)保護(hù)裝置等；二是自動(dòng)化裝置，如自動(dòng)重合閘裝置、備自投裝置等。這些裝置可以實(shí)現(xiàn)電力信息的測量、控制、保護(hù)、通信和人機(jī)交互等，電力自動(dòng)化系統(tǒng)有人機(jī)接口插件、交流輸入插件、通訊插件、電源插件和中央處理插件等組成。硬件的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

3.2 硬件模塊化設(shè)計(jì)

（1）中央處理插件。該插件是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要由DSP、CPLD（邏輯譯碼電路）、雙口RAM、SPI接口電路、通訊電路、看門狗電路、鐵電存儲器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和RAM組成。該插件可以直接或間接地控制電力系統(tǒng)中的一切裝置。

（2）交流輸入插件。在電力系統(tǒng)中，使用的是交流電，傳入自動(dòng)化裝置的是模擬信號，而DSP只能對數(shù)字信號進(jìn)行操作，所以通過交流輸入插件，將收集到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以便于DSP管理和控制。

（3）人機(jī)接口插件。為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可以通過鍵盤和顯示設(shè)備使人與設(shè)備之間進(jìn)行交流，顯示設(shè)備主要采用液晶顯示器，可以實(shí)現(xiàn)文本和圖像兩種模式的顯示。

（4）通信接口插件。電力自動(dòng)化系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，由于在DSP設(shè)備的內(nèi)部已經(jīng)包含了支持現(xiàn)場總線的協(xié)議，因此不需要另外安裝現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的控制器，只需要擴(kuò)展安裝相關(guān)的現(xiàn)場總線收發(fā)器即可。

（5）電源插件。電源插件的選擇取決于裝置的安裝位置，假如裝置附件有交流市電，則直接連接獲取電源，否則，則采用電壓或電流互感器取電。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件功能模塊。電力自動(dòng)化系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，主要完成數(shù)據(jù)處理、算法實(shí)現(xiàn)、故障判斷、上電自檢、信息輸出和數(shù)據(jù)存儲等功能。整個(gè)軟件主要由主程序和相關(guān)的功能程序函數(shù)組成。

主程序。主程序運(yùn)行后，首先開始硬件自檢，查看相關(guān)設(shè)備是否有報(bào)錯(cuò)，假如報(bào)錯(cuò)，則直接輸出報(bào)錯(cuò)信息并退出。沒有出錯(cuò)，則對所有相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行初始化操作，讀取上位機(jī)信息并通信，然后人機(jī)接口通信，完成相關(guān)操作后，對看門狗的計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，重新去讀取上位機(jī)的信息并通信，周而復(fù)始。具體如圖2所示。

硬件自檢模塊。微機(jī)的繼電保護(hù)裝置在運(yùn)行之前，首先必須進(jìn)行自檢，其目的是為了確保電力自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性。

與上位機(jī)通信模塊。與上位機(jī)通信首先是讀取緩沖區(qū)，查看是否有數(shù)據(jù)，假如該數(shù)據(jù)是遙控命令，則執(zhí)行遙控命令，否則填充同步字，創(chuàng)建發(fā)送幀，查看是否需要插入信息，生成完整的數(shù)據(jù)幀，計(jì)算校驗(yàn)和，將數(shù)據(jù)幀打包發(fā)送。

與人機(jī)接口通信模塊。人機(jī)接口模塊是首先初始化主界面，掃描是否有鍵盤的鍵按下，根據(jù)按鍵判斷是何種操作，并將操作信息發(fā)送給DSP，通過顯示設(shè)備顯示出相關(guān)的操作。

5 結(jié)束語

隨著社會的發(fā)展，對電力系統(tǒng)的要求越來越高，本文從硬件和軟件兩方面設(shè)計(jì)出實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的電力自動(dòng)化系統(tǒng)，可以有效地管理和控制電力系統(tǒng)。本文由于篇幅所限，在硬件設(shè)計(jì)上，沒有給出具體的電路設(shè)計(jì)，對此感興趣的讀者，可以根據(jù)自身選取的設(shè)備型號，有針對性地進(jìn)一步地設(shè)計(jì)和完善。

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作者簡介：

高常德（1963-），男，山東濟(jì)南人，技工；主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)。