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案例頻道1引言
近年來，在新建的110KV及以下變電站中，通常實現(xiàn)無人值守或集控，220KV及以上變電站實現(xiàn)綜合自動化；老的變電站也大多進行了改造。上述技術升級和改造主要是針對變電站電氣二次部分進行的，當變電站一次設備出現(xiàn)故障或異常時會直接影響電能的傳輸、變換與分配等問題。目前，對電氣設備的故障診斷主要依靠計劃檢修和平時巡檢，如果設備突然出現(xiàn)異常或存在潛伏性故障，事實上大多情況我們都不能及時處理，使電力系統(tǒng)供電可靠性降低。利用“在線監(jiān)測技術”能夠及時發(fā)現(xiàn)設備隱患，為迅速排除故障，節(jié)省檢修時間，提高電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。因此，大力發(fā)展“在線監(jiān)測技術”是電力系統(tǒng)的必然。
2 在線監(jiān)測系統(tǒng)組成及其監(jiān)測技術簡介
圖 1 在線監(jiān)測系統(tǒng)框圖
2.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)組成
此變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)采用分層分布嵌入式總線結構，按照對象來設計。系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖中還標明了綜合自動化系統(tǒng)保護、測控單元功能。
單元層（監(jiān)測設備附近）：有斷路器、變壓器、避雷器、容性設備、環(huán)境等在線監(jiān)測單元，還有變壓器、線路、母線等保護、測控單元。各單元在就地可對各高壓設備的特征參量進行實時采集處理，并將信息送往主控室。
變電站層（主控室）：包括工程師站、五防終端、遠動主站、在線監(jiān)測主站、監(jiān)控系統(tǒng)、GPS裝置等，各監(jiān)測單元的在線監(jiān)測信息通過總線實時送往監(jiān)測主站（主控室），監(jiān)測主站對收到的信息進行處理，再將分析診斷結果送到生計、檢修部門或報警提醒各部門人員注意。
2.2 在線監(jiān)測單元功能
1）、變壓器在線監(jiān)測單元功能：主要完成變壓器油中氣體在線監(jiān)測、局部放電在線監(jiān)測、鐵心絕緣狀況在線監(jiān)測、變壓器套管絕緣狀況在線監(jiān)測。油中氣體氣相色譜分析和局部放電試驗是目前對油浸絕緣狀態(tài)分析最靈敏的方法；局部放電是變壓器運行中出現(xiàn)絕緣劣化的主要因數(shù)之一，通過局部放電試驗可以找到絕緣放電發(fā)生的部位和強弱；而油中氣體色譜分析可知道變壓器絕緣放電能量的大小，放電點的溫度高低，是固體絕緣破壞還是液體絕緣破壞等信息。變壓器鐵心絕緣狀況通過在線監(jiān)測變壓器鐵心接地電流實現(xiàn)。套管絕緣狀況通過在線監(jiān)測介質損耗tgδ、泄漏電流實現(xiàn)。
2）、斷路器在線監(jiān)測單元功能：包括在線監(jiān)測斷路器機械狀態(tài)和斷路器電壽命。在線監(jiān)測斷路器機械狀態(tài)是通過監(jiān)測斷路器動觸頭速度和行程、分合閘線圈回路電流、儲能電機電流來實現(xiàn)的。在線監(jiān)測斷路器電壽命是通過監(jiān)測介質損耗tgδ、套管外泄漏電流實現(xiàn)的。
3）、隔離開關在線監(jiān)測單元功能：戶外隔離開關經(jīng)常出現(xiàn)的問題是瓷瓶斷裂，操作失靈、導電回路過熱和銹蝕。其中導電回路過熱是主要問題，因此，本監(jiān)測單元通過紅外在線監(jiān)測對某些隔離開關的接觸部位進行在線過熱監(jiān)測。
4）、絕緣子在線監(jiān)測單元功能：絕緣子在發(fā)生絕緣故障前，總會表現(xiàn)出一定的局部放電特征，這些放電包括污穢放電（可能擊穿）、電暈放電（不會擊穿）、內部缺陷放電（可能擊穿）。本單元采用超聲波在線監(jiān)測和絕緣電阻在線監(jiān)測實現(xiàn)對部分絕緣子的絕緣故障監(jiān)測。
5）、避雷器在線監(jiān)測單元功能：監(jiān)測避雷器全電流、阻性電流及其比例來判斷其是否有故障。
6）、容性設備在線監(jiān)測單元功能：通過監(jiān)測容性設備介質損耗tgδ、電容量C、泄漏電流實現(xiàn)對容性設備的故障在線監(jiān)測。
7）、環(huán)境在線監(jiān)測單元功能：屬于公共信息監(jiān)測，監(jiān)測信息包括環(huán)境溫度、濕度、大氣壓等參數(shù)。
各單元都是由雙CPU組成的完整微機系統(tǒng)，完成信號采集處理、A/D轉換、I/O、運算、故障判斷報警、對外通信、人機聯(lián)系等功能。
3 在線監(jiān)測系統(tǒng)結構特點
單元層采用RS―485與CAN現(xiàn)場總線構成的雙總線通訊方式，各單元采用雙CPU結構嵌入系統(tǒng)雙總線（RS―485和CAN總線）。變電站層采用雙以太網(wǎng)，單元層雙總線與變電站層雙以太網(wǎng)通過通訊管理機（網(wǎng)關）實現(xiàn)信息交換。在線監(jiān)測主站通過以太網(wǎng)可以向下遠程管理各單元總線節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；向上可以將診斷結果和相關信息報告生計或檢修部門。通訊流程框圖如圖1所示
3.1 單元層采用雙CPU結構
單元層雙CPU結構框圖，如圖2所示
圖 2 雙CPU結構框圖
1)CPU1模塊:采用IT公司的TMS320C2407A型 DSP,它具有16路ADC,41個I/O接口, 片內有SARAM、DARAM、FLASH，有SPI、SCI、CAN三種通信接口。
CPU1模塊功能包括：數(shù)據(jù)采集和處理、計算、故障判斷和事件記錄、故障信息主動上傳；同時響應CPU2的通信請求，把各種計算結果和信息通過雙口RAM報告給CPU2模塊。
2）CPU2模塊：采用單片機80C196。
CPU2模塊功能包括：實現(xiàn)人機交互、對整個系統(tǒng)控制和管理，故障錄波、故障報警；同時需要數(shù)據(jù)時，向CPU1發(fā)出請求，獲取數(shù)據(jù)和信息。
3）CPU1 和CPU2的通信方式：采用簡單高效雙口RAM實現(xiàn)兩CPU間的通信。
4）CPU1 和CPU2軟件設計: CPU1 和CPU2兩模塊各負其責，采用搶占式任務調度機制實現(xiàn)CPU1 和CPU2各自子系統(tǒng)的任務調用，同時通過雙口RAM在系統(tǒng)的管理下協(xié)調工作。搶占式任務調度機制是根據(jù)優(yōu)先級來執(zhí)行任務，高優(yōu)先級任務優(yōu)先執(zhí)行，也具有中斷低優(yōu)先級任務的權利。本程序設計中，CPU1子系統(tǒng)里機械中斷采集優(yōu)先級最高，絕緣計算優(yōu)先級最低；CPU2子系統(tǒng)里雙口RAM中斷優(yōu)先級最高，故障錄波優(yōu)先級最低。
3.2 單元層采用雙總線結構
單元層雙總線是由RS―485和CAN現(xiàn)場總線構成。
1）RS―485串行總線：RS―485串行總線只定義了物理層，使用總線型拓撲結構，沒有介質訪問控制協(xié)議，不能解決多機主動上傳造成的介質訪問沖突問題，優(yōu)點是具有傳送大批量數(shù)據(jù)的能力。因此，這里采用RS―485總線主要是提高通信中的信息傳輸能力。
2）CAN(Controller Area Network)現(xiàn)場總線：屬于多主總線，采用非破壞性的基于優(yōu)先權的總線仲裁，使得當幾個節(jié)點同時訪問總線時，優(yōu)先級低的節(jié)點停發(fā)，優(yōu)先級高的節(jié)點不受影響。它具有硬件防止介質訪問沖突功能及載波偵聽能力，借助接收濾波可實現(xiàn)多地址的幀傳送。但CAN每一幀最多傳8個有效字節(jié)，傳輸較長報文時，必須對該報文進行分幀，多次發(fā)送，實時性沒有充分體現(xiàn)。CAN適用于低成本、中小網(wǎng)絡規(guī)模、實時性較強且數(shù)據(jù)量不大的控制場合。
因此，根據(jù)系統(tǒng)從一次設備獲取的信息類型，可選擇接入RS―485總線或CAN總線。例如：突發(fā)數(shù)據(jù)(如故障報警數(shù)據(jù))可選用 CAN總線，避免總線沖突；大批量數(shù)據(jù)(如故障錄波) )可選用RS―485總線，提高了通信的可靠性。
3.3 單元層CAN現(xiàn)場總線節(jié)點
1、CAN節(jié)點的硬件設計
CAN節(jié)點的硬件電路圖，如圖3所示。該電路的三個核心器件是單片機ADμC812數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CAN總線控制器SJAl000和CAN總線驅動器PCA82C250。
SJAl000微控制器片外擴展芯片，決定CAN控制器各寄存器的地址。SJAl000通過CAN總線驅動器PCA82C250連接在物理總線上。PCA82C250器件具有對總線發(fā)送和接受信息能力。
圖 3 CAN節(jié)點硬件電路原理圖
2、CAN節(jié)點的軟件設計
軟件設計包括A／D轉換(ADC)、CAN控制器初始化、CAN總線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等。
CAN控制器初始化決定了CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)各節(jié)點共同遵守的協(xié)議。對SJAl000的初始化是向其片內的各個寄存器寫入控制字的過程，其寄存器包括九個。其中：BTR0、BTRl寄存器內容決定系統(tǒng)通信的波特率和CAN協(xié)議物理層中的同步跳轉寬度；OCR寄存器內容用于決定CAN控制器的輸出方式；根據(jù)實際的網(wǎng)絡系統(tǒng)和報文標志符決定寫入ACR、AMR寄存器的內容；根據(jù)狀態(tài)寄存器 STATUS的第4位的狀態(tài)，可判斷幀數(shù)據(jù)是否完全發(fā)送完畢；根據(jù)狀態(tài)寄存器STATUS的第1位的狀態(tài)，可知接收緩沖區(qū)(RXFIFO)中的可用信息。
ADC、CAN控制器初始化完成后，CAN控制器即可編寫收、發(fā)程序，完成數(shù)據(jù)收發(fā)任務。CAN總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流程，如圖4所示。
圖 4 CAN總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流程
4 總結
隨著變電站中在線監(jiān)測及其故障診斷技術的應用，電力系統(tǒng)由計劃檢修過渡為狀態(tài)檢修將成為可能。由于在線監(jiān)測信息量大，技術含量高，因此本系統(tǒng)設計采用分層分布嵌入式雙總線冗余配置通訊方式，兩總線的優(yōu)勢互補，避免了總線沖突，在數(shù)據(jù)傳輸性能上有很大的提高。單元層采用雙CPU結構，滿足了在線監(jiān)測技術的要求，系統(tǒng)功能多，任務分工明確，確保了系統(tǒng)通信的實時性和可靠性。在軟件使用上采用了搶占式任務調度機制，使系統(tǒng)任務優(yōu)先級明確，提高了系統(tǒng)的實時性。因此這項技術的開展必將進一步深化變電站綜合自動化的內涵，提高電力系統(tǒng)運行可靠性和經(jīng)濟性。
參考文獻：
[1] 張惠剛.變電站綜合自動化原理 [M]．― 北京：中國電力出版社，2004.
[2] 嚴璋. 電氣絕緣在線監(jiān)測技術 [M].― 北京：中國電力出版社，1995.
作者簡介： 石開明（1970-），男，內蒙古呼和浩特市，講師，研究生，從事電力系統(tǒng)及其自動化的教學與研究
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號