基于DSP的變電站自動化監控系統的研究

戎宏娜，尹育新

(1.石家莊信息工程職業學院，河北石家莊050035；2.河北省國土資源廳，河北石家莊050051)

基于DSP的變電站自動化監控系統的研究

戎宏娜1，尹育新2

(1.石家莊信息工程職業學院，河北石家莊050035；2.河北省國土資源廳，河北石家莊050051)

利用數字信號處理器(DSP)和現場總線(CAN)設計了變電站監控系統。該系統選用DSP2407為系統微處理器，SA9904B作為電量的測量芯片，形成了底層變電站測量模塊。該模塊響應速度快、可靠性強。該系統還可通過通信系統實現遠程控制功能，提高了系統的可用性。

變電站；測控單元；DSP；SA9904B

變電站是電力系統的重要組成部分，其可靠運行是電力系統正常工作的保障。因此，對變電站進行有效地監測和控制是電網控制系統的基礎。隨著計算機、網絡通信等技術的快速發展，變電站的自動化程度也日益提高。因此，利用先進的控制技術對變電站底層測控單元進行設計是變電站實現綜合自動化系統的主要方法。

近幾年來，數字信號處理器(DSP)技術發展迅速。DSP以運行速度快、功耗低和集成度高在軍事、航天、自動控制等領域得到了長足發展。與單片機相比，DSP采用改進的哈佛結構、高速的硬件乘法器及多級流水線使DSP具有了很強的處理能力[1]。本文利用DSP芯片設計了變電站自動化系統測量模塊，并利用現場總線(CAN)實現底層通信，改善了監控系統的性能；利用公共通信網絡和相應的軟件開發了遠程終端系統，實現了監控一體化。

1 系統結構

變電站是電力線路的連接點，主要功能是對電壓和功率進行變換，對電能進行分配。常規變電站由一次設備和二次設備組成。一次設備是指變壓器中的主變壓器及其附屬設備，GIS設備、開關柜設備、動態無功補償裝置、隔離開關、避雷器、零序電流互感器等；二次設備主要的作用是對一次設備起保護作用。二次設備主要有三部分，分別為綜合自動化設備、電源系統和通信設備。綜合自動化設備包括線路保護測控柜，主變壓器保護測控柜，電能計量屏，頻率電壓緊急控制裝置，電能質量監測柜，安防設備等。電源系統主要指直流電源成套裝置和交流不間斷電源(UPS)。通信設備主要是指通信網關等設備。

依據不同的設備，本系統主要由三個部分組成，第一部分是數據采集及自動控制層，這一部分處于變電站的間隔層，主要是利用測控設備對一次設備的模擬量和開關量進行采集和上傳，并接受來自上層的控制命令，利用繼電保護系統實現對一次設備的分布式保護。第二部分是通信層，利用二次設備中的通信設備對各個單元的測控數據進行上傳，并將控制命令通過該層下達，形成自下而上的數據流和自上而下的控制流。第三部分是變電站的監控與管理系統，收集全站的信息并實時存入數據庫，并通過友好的人機界面和強大的數據處理能力實現變電站內就地監視和控制功能，是系統與運行人員之間的接口。

第一部分采集系統的下位機硬件電路的設計是整個系統的基礎，本系統采取TMS320LF2407作為核心控制器，可以充分利用DSP高性能和內部資源豐富的優點。具體結構如圖1所示。

如圖1所示，在變電站中，整個底層采集系統的核心是TMS320LF2407，變電站中的電流及電壓等信號依靠電流互感器和電壓互感器采集后，通過信號調整電路輸入至SA9904B，再由SA9904B輸送至TMS320LF2407芯片。在本設計中，電壓互感器選用PT03C-2/2，電流互感器選用CT03-5/2.5，這兩個互感器采集信號的域值范圍大于SA9904B的接收范圍，所以在電流和電壓互感器前增加信號調理電路，一方面把采集信號轉化為SA9904B芯片可以接收的范圍；另一方面信號調理電路還應該實現對兩種互感器所采集信號的濾波。這些相電壓、相電流等信號，經調理后傳送至SA9904B，經過SA9904B芯片內部的轉換模塊對電流和電壓進行模/數變換和數字運算，得到有功電能、無功電能和頻率等值，再通過SPI接口將這些電氣量值傳送至芯片TMS320LF2407，從而得到最終的測量值。

圖1 底層硬件結構圖

變電站內的其他信號，如溫度信號也由相應的傳感器采集后，由DSP芯片的GPIO引腳傳輸至存儲器，系統的一些開關量也通過GPIO輸入。同時，上層傳送來的控制命令由GPIO口輸出至繼電器。

本變電站采取繼電保護措施，對系統實行過流保護、過壓保護、過負荷保護或差動速斷保護。保護的依據是上層發送的控制命令。一部分控制命令是上層服務器依據數據庫中存放的數據和下層上傳的數據進行對比分析。如果上傳數據出了閾值范圍，則產生繼電器保護動作；另一部分是保護實時性要求較高的部分，直接在DSP芯片中燒制相應的信號判斷程序，用于實現即時控制。目前，用于繼電保護的DSP算法較多，其中，以快速傅里葉變換(FFT)算法應用最為廣泛。

2 系統通信模塊設計

在變電站監控系統中，數據的通信是一個重要的環節，其功能主要體現在兩方面。一方面是完成變電站內部各子系統或各功能模塊間的信息傳遞。變電站內部設備眾多，設備之間又相互關聯，各種采集數據需要通過某種傳輸方式相互傳遞，同時這些數據還需要通過該通信方式傳送至底層監控中心。這一部分的通信要求是數據傳輸準確、實時性強，在本設計中，采用CAN總線形式；另一方面是完成變電站底層采集系統與控制中心的通信任務。為了完成遠程通信，底層數據經DSP簡單處理后，需要通過公共通信網絡，如因特網或3G、4G網，上傳至遠程控制中心。這些信息包括采集到的測量信息、斷路器和隔離開關的狀態信息、繼電保護的動作信息等。同時控制中心下達的各種操作和調控命令也通過相應的通信網絡下傳至底層。在這一部分中，最重要的是網關設計，在本系統中，采用嵌入式系統擔任網關，底層控制中心與網關之間采用串口相連。

本監控系統的底層通信采用基于CAN總線的分布式模塊化結構。CAN是一種控制器局域網絡，作為現場總線的一種，具有高性能、高可靠性、易開發和低成本的優點，是一種串行數據通信協議，而且可以構成多主系統，相應的通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，同時，CAN采用了非破壞性仲裁技術支持優先級處理，獨特的短幀結構可以大大提高通信速率和增強抗干擾能力，因此在許多工業控制場合得到了廣泛應用[2]。底層通信管理模塊結構如圖2所示。

圖2 CAN通信控制器的硬件電路結構框圖

整個通信系統分為2個支路，一條支路是底層通信系統，以CAN為核心，由于TMS320LF2407芯片中內部已集成了CAN接口芯片，輸出接口外接光電隔離電路后與CAN收發器相連，最后傳輸至CAN總線。CAN收發器選用PHILIPS公司生產的PCA82C250差動驅動器用為總線接口。為了提高抗干擾性，還需在通信線路的兩端并聯相應的匹配電阻。

另一條支路是通過RS232端口將綜合采集模塊采集到的電參量和開關狀態量上傳到遠程控制中心，或者將遠程控制命令下達至底層的DSP中心。為了實現以上功能，DSP系統利用RS232串行口與網關相連。嵌入式網關采用ARM芯片S3C6410。串行口將數據傳送給網關，網關的作用是進行底層通信協議和上層通信協議的轉換。底層采用CAN通信協議，上層采用TCP/IP協議。網關中采Linux操作系統及Socket套接字來實現相應的功能，具體串口連接程序(JAVA)為：

3 結論

本文利用TMS320LF2407精度高、體積小、可靠性強等優點，采用CAN總線及嵌入式網關，設計了智能變電站遠程監控系統。經測試證明，該系統結構簡單、成本低、操作方便，能夠及時準確地測量變電站各電氣量的變化，具有廣泛的應用前景。

[1]汪萍.基于DSP的變電站網絡監控系統的設計[D].淮南：安徽理工大學，2007：36-39.

[2]曲延濱，王建平.基于CAN總線和DSP的變電站監控系統[J].電力系統自動化，2003(12)：86-88.

Research of substation automation monitoring system based on DSP

The substation monitoring and control system was designed using digital signal processor(DSP)and field bus(CAN).The DSP2407 and SA9904B were selected as microprocessor and measurement chip for system.So the underlying substation measurement module was formed.This module has fast response speed and good reliability. The system can realize remote control function through the communication system and improve the usability of the system.

substation;measurement and control unit;DSP;SA9904B

TM 41

A

1002-087 X(2016)04-0910-02

2015-09-16

戎宏娜(1980—)，女，河北省人，講師，主要研究方向為電子信息與計算機軟件。