變電站在線操作無線控制器的設計與開發

黃建林 王靖暉

摘要

本文簡單介紹了一種無線控制器的硬件及軟件的設計與開發。與傳統的在線式微機防誤系統相比，應用無線控制器的微機防誤系統摒棄了鋪設大量電源及信號線纜的缺點，降低了系統的運維成本，保留了系統實時性的優點。

【關鍵詞】無線控制器 變電站 實時性 防誤

1 概述

變電站微機防誤系統的廣泛運用，為電網、設備及人身安全穩定運行提供了技術保障。然而目前市場上的在線式微機防誤閉鎖系統中，大量鎖具的電源、信號線纜使得系統成本居高不下，大大降低了性價比;同時，由于鎖具線纜的存在，現場的施工非常復雜，甚至有變電站受限于客觀因素根本無法進行電纜溝的二次施工，并且鎖具處于離線狀態，其解閉狀態無法得到保證，存在忘記閉鎖的風險。

為減少現場施工難度，降低微機防誤系統的運營成本，在保證現場操作實時性要求的前提下，本文開發了一款無線控制器。該控制器通過無線網絡與微機防誤主機實時通訊，實時將鎖具的狀態反饋給防誤主機，防誤主機結合鎖具狀態及設備狀態進行實時的防誤判斷，有效避免了變電站倒閘操作過程中誤操作的發生。下面將從硬件及嵌軟方面簡述該無線控制器的設計與開發。

2 硬件設計

為滿足在線微機防誤系統的實時性設計要求，無線控制器通過無線網絡與防誤主機通訊，通過信號線與在線鎖具直接連接，采用移動電源供電方式。無線控制器主要包括主控板及與主控板連接的通信模塊、地址存儲模塊、鎖具狀態采集模塊、電源模塊及鎖具供電控制模塊。其具體的模塊結構圖如圖1所示。

2.1 主控板

主控板是整個系統的核心，采用德州儀器MSP430超低功耗微控制器系列MSP430F21221PW，該芯片屬于超低功耗微控制器，具有一個基于RISC的16位CPU寄存器，帶有兩個內置的16位定時器，一個通用串行通信接口，具有集成基準和數據傳輸控制器（DTC）的10位A/D控制，以及多達24個I/O引腳。

主控板采用HART方式與通訊模塊通訊，通過嵌入式軟件的主程序控制各模塊工作。

2.2 通訊模塊

通訊模塊采用近距離、低功耗、低傳輸速率的Zigbee通訊芯片ZICM2410P2-1C-SN，該芯片遵從ZigBee規范和IEEE802.15.4標準，它由一個含有基帶modem的射頻收發器、硬連線的MAC和內嵌8051內核的微控制器（帶有內部Flash存儲器）組成，包括多個通用I/O引腳、定時器、UART、SPI等，高度集成的設計縮減了元件數量及功率消耗。

2410與主控板通過RS232串行通信接口進行數據的傳輸，再通過組建具有冗余鏈路和自愈能力的網狀網進行數據上下行傳輸。該模塊通電后與防誤主機進行實時信息交互，向防誤主機發送無線控制器的地址信息，實時獲取防誤主機下發的操作指令及回傳鎖具狀態信息。

3 嵌軟設計

無線控制器的軟件設計是主控板的靈魂，用來控制與協調各模塊間的工作。

首先啟動系統，初始化系統及FLASH，再開啟通訊模塊;接著初始化本機地址即本機身份，為上報本機地址做準備;然后系統通過通訊模塊上報本機地址，再進入模式配置狀態，系統可進入1低功耗、2發送解鎖請求并等待應答、3等待解鎖并匯報、4等待閉鎖并匯報等狀態，系統默認處于1低功耗狀態。具體主程序控制流程如圖2所示。

系統通過定時器AO中斷程序控制狀態，當鎖具狀態采集模塊檢測到按鍵喚醒操作時，主程序進入狀態2發送解鎖請求并等待應答狀態，接收到允許解鎖應答后，主程序啟動鎖具供電控制模塊給鎖具供電，同時進入3等待解鎖并匯報狀態;當鎖具狀態采集模塊檢測到按鍵解鎖操作時，主程序接收到解鎖信息后進入4等待閉鎖并匯報狀態;當接收到閉鎖信息后，主程序停止給鎖具供電，并進入1低功耗狀態。定時器AO中斷控制流程如圖3所示。

系統UARTO中斷服務流程如圖4所示。

4 應用

無線控制器通過無線方式實時將現場設備狀態反饋給防誤主機，免去了信號線纜的鋪設，降低了變電站微機防誤系統安裝中的施工難度，以及運維成本。采用無線控制器進行操作的步驟如下：

（1）啟動無線控制器：通過預留接口接入移動電源后即可啟動無線控制器;

（2）發送地址信息，進行操作位置確認：無線控制器通過無線網絡向防誤主機發送地址信息，防誤主機判斷當前操作地址是否正確，正確則下發允許解鎖指令至無線控制器，若當前操作設備地址信息不正確，則無線控制器指示燈閃爍三次并熄滅，同時防誤主機給出提示信息;

（3）啟動鎖具供電：無線控制器接收到防誤主機下發的允許解鎖指令后，電源給鎖具供電，鎖具指示燈亮起，鎖具可解鎖;

（4）采集鎖具狀態：鎖具供電后，鎖具可進行解鎖操作，無線控制器實時的采集鎖具狀態并反饋給防誤主機，接收到鎖具解鎖成功信息后，鎖具指示燈保持常亮狀態，等待鎖具閉鎖;

（5）操作人員操作設備后，再閉鎖鎖具，無線控制器采集到鎖具的閉鎖狀態并發出閉鎖狀態指示信號，斷開鎖具供電并發出斷電指示信號;

（6）移除移動電源，無線控制器復位并發出復位指示信號。

5 結束語

與傳統的變電站在線式微機防誤系統相比，應用無線控制器的微機防誤系統摒棄了鋪設大量電源及信號線纜的缺點，降低了系統的運維成本，保留了系統實時性的優點，做到真正的實時防誤，并且通過無線控制器實時采集鎖具狀態，鎖具未閉鎖時給出警示，可避免因忘記閉鎖鎖具而誤操作設備的風險，為現有變電站的防誤升級改造提供了技術保障，從而有效的保障電網的安全穩定運行。

參考文獻

[1]孔英會，傅向苑，陳智雄等.基于RFID和ZigBee的接地線在線監測系統設計[J].電測與儀表，2015，52（16）：1-5.

[2]黃建林，劉國勇，張慶輝等.一種嵌入式配電網防誤方案研究[J].供用電，2015，32（04）：68-71.

[3]胡巨，陳宏輝.一種新型的變電站在線式五防系統的實現[J].電力系統保護與控制，2010，38（19）：118-121.

[4]蔣宏圖，袁越，程偉.智能變電站站控層在線防誤的設計與實現[J].電力系統自動化，2013，33（08）：147-151.