基于DMA與中斷方式的變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)

劉曉玥

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 鹽城供電分公司，江蘇 鹽城 224005）

0 引 言

通信電源是變電站通信體系中的基礎(chǔ)部分，若通信電源在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障，則易造成通信系統(tǒng)異常，使得整個(gè)變電站處于癱瘓狀態(tài)。當(dāng)前電力行業(yè)的發(fā)展隨著用電用戶(hù)的需求不斷加快，在實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)大規(guī)模擴(kuò)張的同時(shí)，通信結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了一定程度上的改善。以往變電站采用人工監(jiān)測(cè)的方式監(jiān)測(cè)通信電源的運(yùn)行狀態(tài)，由于通信電源排布相對(duì)分散，因此導(dǎo)致監(jiān)測(cè)人員的工作量大，并且常常出現(xiàn)監(jiān)測(cè)不及時(shí)的問(wèn)題[1]。監(jiān)控系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，內(nèi)部集成了多種傳感器技術(shù)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)等，通過(guò)對(duì)各類(lèi)通信電源進(jìn)行監(jiān)控，可充分掌握電源的運(yùn)行狀態(tài)，并且能夠記錄和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，及時(shí)偵測(cè)故障問(wèn)題[2]。中斷法是一種常見(jiàn)的通信訪問(wèn)方式，在實(shí)際應(yīng)用中具有提高CPU性能和節(jié)省大量CPU資源的優(yōu)勢(shì)，其與查詢(xún)法相比效率更高。基于此，本文提出基于直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（Direct Memory Access，DMA）與中斷方式的變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)。

1 基于DMA與中斷方式的變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，引入中斷方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的訪問(wèn)功能。但由于中斷法通常應(yīng)用在數(shù)據(jù)定長(zhǎng)的通信環(huán)境當(dāng)中，因此在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到多字節(jié)數(shù)據(jù)收發(fā)通信的限制。針對(duì)這一問(wèn)題，在通過(guò)中斷方式實(shí)現(xiàn)通信訪問(wèn)時(shí)應(yīng)增加對(duì)DMA的應(yīng)用，利用DMA的串口通信，在有效防止CPU干預(yù)條件下，與監(jiān)控系統(tǒng)相連接的其他外圍設(shè)備構(gòu)成通信數(shù)據(jù)的傳輸通道，并在通信單元監(jiān)控過(guò)程中采集數(shù)據(jù)，然后借助DMA控制器將其存儲(chǔ)至相應(yīng)的存儲(chǔ)器[3]。變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

結(jié)合圖1所示的監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，本文針對(duì)DMA控制器和系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器等硬件選型進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明。

圖1 變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 DMA控制器選型

DMA控制器是本文監(jiān)控系統(tǒng)的核心硬件結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行質(zhì)量直接決定著監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行效果。綜合監(jiān)控系統(tǒng)中斷方式訪問(wèn)的需要，選擇PIC32MX460F512型號(hào)DMA控制器，其技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)如表1所示。

表1 PIC32MX460F512型號(hào)DMA控制器技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)

在本文監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，采用PIC32MX460F512型號(hào)DMA控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU工作的協(xié)調(diào)，以此能夠有效降低CPU的工作量，從而為系統(tǒng)監(jiān)控模塊提供便利條件，提高各類(lèi)數(shù)據(jù)的交互速度。

1.2 系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器選型

監(jiān)控系統(tǒng)的主要運(yùn)行目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站通信電源運(yùn)行過(guò)程中各類(lèi)參數(shù)信息的獲取，并針對(duì)數(shù)據(jù)的變化情況判斷其運(yùn)行狀態(tài)。因此，在監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也需要按照監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行要求進(jìn)行重新優(yōu)化選型。由于通信電源的種類(lèi)較多，加之監(jiān)控系統(tǒng)還需要監(jiān)控通信電源周?chē)h(huán)境的溫度、濕度以及煙霧等參數(shù)變化情況，因此本文選用西門(mén)子6ES7288-1CR40-0AA0型號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該型號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的輸出頻率為24 kHz，工作電壓為24 V，存儲(chǔ)容量為512 kB，具有對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)功能。通過(guò)CPU可對(duì)存儲(chǔ)器上各個(gè)引腳按照I2C協(xié)議規(guī)程控制模擬生成一個(gè)I2C主器件，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作[4]。針對(duì)本文監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控單元，選用PCF559-210型號(hào)時(shí)鐘芯片。將該型號(hào)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片應(yīng)用到系統(tǒng)當(dāng)中，可以有效降低系統(tǒng)運(yùn)行功率消耗，實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)400 kb/s的最大傳輸速度。另外在時(shí)鐘芯片中內(nèi)置8位寄存器，用于記錄通信電源運(yùn)行的各個(gè)時(shí)間。

2 基于DMA與中斷方式的變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于DMA與中斷方式的系統(tǒng)前置監(jiān)控實(shí)時(shí)訪問(wèn)

在監(jiān)控系統(tǒng)中，采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合的方式為PIC32MX460F512型號(hào)DMA控制器制訂一套符合其運(yùn)行特點(diǎn)的專(zhuān)用匯編語(yǔ)言指令集，以此方便通過(guò)中斷方式完成系統(tǒng)的前置監(jiān)控實(shí)時(shí)訪問(wèn)。

為了確保實(shí)時(shí)訪問(wèn)功能達(dá)到預(yù)計(jì)效果，可從主界面通信入手，數(shù)據(jù)流在進(jìn)行前置監(jiān)控讀取數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)可通過(guò)DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的接收與發(fā)送，但采用直接訪問(wèn)的方式，信息錄入過(guò)程可能受阻，因此可通過(guò)中斷通信的方式進(jìn)行控制，并在此過(guò)程中調(diào)節(jié)DMA與串口的橋接方式，確保信息錄入行為的流暢性以及對(duì)變電站通信信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控與訪問(wèn)。

2.2 通信電源異常狀態(tài)監(jiān)控報(bào)警

完成對(duì)前端監(jiān)控信息的錄入后，系統(tǒng)將在采集的電源信息中設(shè)定一個(gè)安全閾值。此數(shù)值可以作為通信電源運(yùn)行的警戒線(xiàn)，當(dāng)錄入的信息值超出或低于設(shè)定閾值時(shí)，將自動(dòng)觸發(fā)系統(tǒng)的預(yù)警，告警信息也會(huì)在此過(guò)程中通過(guò)多種方式通知系統(tǒng)后臺(tái)管理員。

通常情況下，系統(tǒng)通信電源的預(yù)警被劃分為一般危險(xiǎn)報(bào)警、嚴(yán)重危險(xiǎn)報(bào)警以及自定義危險(xiǎn)報(bào)警3種[5]。其中，自定義危險(xiǎn)報(bào)警是一種主動(dòng)預(yù)警方式，主要是指系統(tǒng)后臺(tái)管理員根據(jù)通信電源運(yùn)行環(huán)境的變化，對(duì)其設(shè)定全新預(yù)警數(shù)值。當(dāng)觸發(fā)自定義報(bào)警時(shí)，不僅代表了通信電源在此時(shí)的運(yùn)行存在異常，同時(shí)也代表此時(shí)的電源運(yùn)行環(huán)境存在異常。

在完成對(duì)報(bào)警等級(jí)的劃分后，系統(tǒng)軟件中心平臺(tái)可根據(jù)電源信號(hào)的傳輸動(dòng)態(tài)，對(duì)不同的告警信息進(jìn)行錄入，錄入的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)以統(tǒng)一或標(biāo)準(zhǔn)的格式存儲(chǔ)。當(dāng)技術(shù)人員進(jìn)行報(bào)警信息的獲取時(shí)，可直接從軟件中心進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用，以便于對(duì)后期異常現(xiàn)象的提示。

除此之外，當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，主站中心與變電站存在信息交互異常現(xiàn)象，即信號(hào)傳輸中斷并觸發(fā)預(yù)警。通過(guò)此種多維度預(yù)警的方式，為電源設(shè)備在系統(tǒng)內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行提供一個(gè)相對(duì)安全的環(huán)境。綜上所述，完成系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的集成。

3 實(shí) 驗(yàn)

通過(guò)上述論述，從硬件和軟件兩方面設(shè)計(jì)變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)，為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)，將其與傳統(tǒng)基于PLC的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩種監(jiān)控系統(tǒng)均按照通信電源充放電方案管理電源的充放電環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及的設(shè)備包括FLUK16-410型號(hào)數(shù)字萬(wàn)用表、48 V/（1 000 A·h）變電站通信電源組、6臺(tái)24 V/50 A整流模塊以及1臺(tái)24 V/50 A電阻負(fù)載等。分別在兩種監(jiān)控系統(tǒng)中選擇通信電源電壓取樣通道和電流取樣通道，并將其分別與各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接。在兩種監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)利用FLUK16-410型號(hào)數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行采集。為了對(duì)比兩種監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控精度，計(jì)算其絕對(duì)誤差（絕對(duì)誤差=|直流源實(shí)際數(shù)值-監(jiān)控系統(tǒng)母排電壓監(jiān)控顯示數(shù)值|）并記錄，最終繪制成如表2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表。

從表2得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的基于DMA與中斷方式的變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中監(jiān)控結(jié)果的絕對(duì)誤差均在0～0.02 V內(nèi)，而傳統(tǒng)基于PLC的監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控結(jié)果的絕對(duì)誤差最大超過(guò)了1.00 V，不符合變電站對(duì)通信電源提出的監(jiān)控要求，說(shuō)明傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前變電站對(duì)通信電源精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和控制的需要。

表2 兩種監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控絕對(duì)誤差對(duì)比表 單位：V

因此，結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證，本文提出的基于DMA與中斷方式的變電站通信電源監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的監(jiān)控精度，提高了變電站整體通信安全性和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

通信電源是變電站通信結(jié)構(gòu)當(dāng)中的核心組成，其主要作用是為變電站通信提供直流電源。通過(guò)本文研究，在結(jié)合DMA與中斷方式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種全新的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的監(jiān)控精度，提高了變電站整體通信安全性和穩(wěn)定性。