基于工業以太網的高壓輸電測控系統研究*

李建輝 馬軍

(1.佳木斯大學,黑龍江佳木斯 154007;2.中建材佳星玻璃(黑龍江)有限公司,黑龍江佳木斯 154005)

1 概述

1.1 工業以太網應用概述

工業以太網技術在電力系統變電站、發電廠監控運行中已應用多年,它也是電力部門較早的局域網技術。工業以太網技術電力系統調度、管理部門與發電廠、變電站的運行、監控等現場管理部門之間建立了良好的通信連接。為電力系統服務的各可編程邏輯控制器和集散控制系統廠商都支持工業以太網的現場控制技術,在發電廠、變電站的現場數據采集、數據處理、故障分析、控制數據的傳輸得到了完美的應用。工業以太網控制技術的不斷完善和改進對比總線控制技術在電力系統中的應用優勢越來越明顯。工業以太網控制技術是控制界的未來著力點,在工業智能化、網絡化的過程中會承擔更重要的角色[1]。

由于我國幅員遼闊、電力生產能源分布的不均衡,我國電力系統網絡建設需要以高壓供配電系統為主。十三五規劃后已建成三縱三橫的大互連電力高壓,網絡我國特高壓交直流輸電和配電網構成的分層、分區、結構清晰的現代化大電網。我國現在作為一個在裝機容量和年發電量居世界第一位國家,在電力系統運行參數測控方面有更多的需求[2]。

1.2 高壓測量的難點

在高壓輸電測控系統中,當前因為輸變電系統中的電壓幅值高和電流數值大,所以高壓輸電測控系統仍需研究以下幾個主要問題[3]。

(1)在高壓測控系統中的設備、裝置和線路中存在電暈放電現象,電暈放電帶來的系統傳輸能量損失、污染大氣環境、對弱電通信線路的電磁擾動及電暈局部擊穿產生的噪聲等。隨著高電壓工程電壓等級的逐步提高,電暈放電對高壓測控系統中的設備、裝置和線路絕緣結構及絕緣設計帶來了新的挑戰。

(2)在高壓測控系統中的設備、裝置和線路的電磁兼容問題在故障測量參數的動態過渡過程中仍然是不易解決的難題。目前我國電力設計、施工部門基本采用光纖構成光電耦合的信號傳導介質,采用對重點設備、裝置進行金屬罩和金屬網屏蔽措施,電信號傳導通道采用整流器、低通濾波器、信號隔離變壓器等有效方法解決電磁問題。

(3)在高壓測控系統中的傳輸回路和二次回路中存在電參數振蕩,現場控制目前采用加裝阻尼電阻元件、對二次回路的信號電纜出線端進行線路補償來防止信號反射,從而降低了信號振蕩的產生。

(4)電力系統多機聯動及動態過程參數測量需要控制信號的一致,同步觸發器就是關鍵設備。計算機組成的數字錄波器、示波器的應用,為高壓動態測量的準確提供了技術上的保證。

1.3 高壓輸電測控系統性能要求

高壓輸電測控系統的控制器系統主要實現現場輸入、輸出接口完成運行參數數據的上傳、下裝,對數據的邏輯和算術計算及對各總線的控制功能。根據軟件設置方式和硬件組成元件的差異,組建了參數過程控制系統站、參數邏輯控制系統站。數據采集、監視、控制站分別通過不同軟硬件組態,便捷的是了電力系統各電氣參數的采集。測量、顯示、調節、報警、控制回路可以采用一下簡單控制算法,由現場控制器完成各項基本功能,現場控制器課通過以太網、串口、CAN 總線等形式與外部設備連接,完成高壓測控系統的軟硬件功能,并可實訓實時修改程序內容等工作[4]。

2 高壓輸電測控系統硬件設計

通過對工業以太網控制技術的深入學習,高壓輸電測控系統選用國產GRT-220ET以太網芯片,完成發電廠、變電站與電力管理部門的網絡通信。通過該系統可以遠程完成對現場的各種高電壓參數的測量。現場控制站中采用ARM+DSP 的雙CPU 結構,ARM 處理器作為主CPU,主要用于與變電站及主控中心進行網絡通信,符合IEC61850體系的變電站自動化系統的設計思想,嵌入式操作系統使用的網絡協議族是內嵌在高效多任務調度和中斷管理的操作系統,ARM 架構的以太網通信模式打破了在工業控制領域的諸多應用限制。DSP利用自身運算速度快擅長數字信號處理的優點進行高壓電量采集、計算、邏輯判斷,有效地保證了測控系統的實時性、速動性和可靠性,并在系統發生故障時進行錄波,記錄故障時的各種電量數據以供后臺計算機系統分析。圖1 所示為采用ARM+DSP 的電量測控系統的硬件系統結構圖[5]。

圖1 ARM+DSP 的電量測控系統的硬件系統結構圖Fig.1 Hardware system structure diagram of the power measurement and control system based on ARM+DSP

2.1 系統總體構成

圖1中,ARM處理器選用32位的MC68332作為主機模塊,完成對整個高壓測控系統中各項任務的管理和調度,負責人機接口、網絡通信、故障判斷、歷史數據負責高壓電量采集、計算、邏輯判斷和實時顯示功能。MC68332和TMS320LF2407A之間通過雙口RAM進行數據交換。DSP總啟動元件與DSP測控顯示數據采集系統的電子電路完全獨立,只有在總啟動元件動作才能開放顯示出口電路的電源,從而真正保證了任一器件損壞不至于引起系統保護的誤動作。

2.2 數據采集過程

(1)高壓供電線路測控系統的數據采集系統采用比較式數據采集系統,待測量的一次2設備的電氣量經過電壓互感器(TV)和電流互感器(TA)轉換為二次電壓和電流。數據采集系統的功能就是將由TV、TA輸入至測控系統的電壓、電流模擬量精確的轉換為CPU系統所需的數字量。比較式數據采集系統主要由電壓形成、模擬濾波、采樣保持、多路轉換以及模數轉換構成。

(2)測控系統從電力線路或設備上取得電流、電壓等信息,雖然有電流、電壓互感器的變換,數值仍然較大,計算機不能處理,需要再次經電壓形成回路降低和變換。通常變換為正負2.5伏、正負5伏和正負10伏的信號,具體取決于所用模數轉換器的要求。電壓形成回路主要包括電流變換器和電壓變換器。電壓形成回路可以起到隔離和屏蔽作用,能減小高壓設備對微機測控系統的干擾。

2.3 人機交互構成

人機接口模塊采用MCS51系列的DS80320芯片,負責人機接口和通信管理,完成與主機模塊的通信,從主機活動實時計算的供電網絡的運行參數,并通過大屏幕液晶顯示器顯示,以及項主模塊下達操作命令[6]。

3 高壓輸電測控系統軟件設計

微機測控裝置接通電源或測控系統復位時,CPU響應復位中斷,進入主程序入口[7]。主程序框圖如圖2所示,主要部分功能說明如下:

圖2 主程序框圖Fig.2 Main block diagram

3.1 主程序初始化內容

初始化一主要是對微處理器CPU 及其擴展芯片的初始化及測量系統輸出的開關量出口初始化,賦以正常初值,保證輸出繼電器均不動作。初始化一是運行與監控程序都需要用到的初始化程序。工作人員可以通過人機接口選擇調試進入監控狀態,選擇運行則進入初始化二程序。初始化二的內容包括采樣定時器、RAM區的軟件計數器及各種標志位清零。

3.2 系統全面自檢過程

全面自檢,初始化二后進入全面自檢程序,自檢內容包括RAM、EPROM、開關量回路等。全面自檢通過進入數據采集初始化、開中斷模數轉換。主程序進入相應的主循環程序。包括自檢循環和故障處理程序。

在自檢程序中,如果檢測到故障啟動標志,則進入故障處理程序。故障處理程序完成保護跳閘和重合閘等全部處理任務,清除所有臨時標志,收回各種操作命令。

3.3 采樣中斷服務程序

采樣中斷服務程序主要包括采樣計算,TV、TA 斷線自檢及故障保護啟動元件3個部分。同時還可以根據不同故障的特點,增加一些檢測被保護狀態的程序。

3.4 故障處理程序

故障處理程序包括保護軟壓板的投切檢查、各種保護的動作判據計算及定值比較、邏輯判斷等部分。

4 結語

高電壓測試技術隨著現代工業技術的網絡化、集成化、智能化的發展,現代科技的發展,測量系統的各項性能指標達到了一個新的高度。在電力系統設備的測試試驗研究方面,實現了高精確度、響應迅速、多變量耦合、強輻射干擾下電氣測量信號的獲得以及檢測自動化等方向發展;在電力現場工程應用上,在發電廠、變電站和供配電線路,正向著現場控制測量、電氣參數實時監測、系統智能診斷的專家系統方向發展。