一种变电站分布式网络型远动智能终端

陈敬锋 范三龙 孙金华 包素丽

（南京国电南自轨道交通工程有限公司，南京 210000）

随着电气化铁路建设的迅速发展及生产自动化程度的提高，随着以太网通信技术和高性能单片机的广泛应用，数字技术的应用及数字化趋势越来越明显；标准化的通信协议被普遍支持；高级语言的软件开发使系统的性能和可靠性得到极大的提高。社会对铁路自动化设备的要求越来越高，牵引供电的实时性、可靠性、连续性已经成为整个社会关心的重要问题之一，另外，随着通信网络技术的发展和电力监控终端数据采集、处理能力的增强，铁路电力用户对供电质量的要求越来越高，供电部门除了要对供电网络故障工况时的电量数据准确把握以外，迫切需要在现有变配电站监控系统和电力远动终端基础上，对正常和故障运行工况下的电压、电流量进行高精度的实时监测记录，要求记录数据的时标基于系统精确时钟且故障时刻的时间分辨率达到毫秒级。在电力监控终端的常规设计中，受限于通信网络带宽的限制，测量量一般以1s的最小时间分辨率越阀值上送，在负荷平稳阶段则以20～60s的间隔循环上送，测量量数据时间分辨率低且不带时标。常规的电力SCADA系统或变电站监控系统中，在主站或监控系统计算机的曲线历史数据保存过程中，由于采用固定时间分辨率，受限于数据库的容量和处理能力，数据的保存间隔一般只能达到1min。最终记录的历史数据分辨率低，时间精度差，不能满足上述的用户新要求，本智能终端利用网络和高性能单片机技术打破实时监控系统中的信息流通瓶颈，从而从根本上提高系统的实时性。另外软硬件设计拟采用标准化开放式思想，这样系统的功能扩展和冗余备份都容易得到实现，并且软件的可靠性和可移植性也将得到保证。概括起来，进行本项目的开发，有以下三个目的[1]。

1）随着牵引供电、城市轨道交通、电力工业自动化的发展，供电自动化方面的需求越来越高，现有的测控终端设备在总体结构、性能指标、测控容量等方面已不能满足部分高级用户的需要。

2）目前牵引供电自动化领域的测控终端多为传统单CPU测控装置单网络通信模式，以时下流行的32位单片机MC68332ACFC20为主CPU实现的负荷曲线时间分辨率最高只能为20ms，且负荷曲线录制方式单一，同时，CPU处理能力，响应速度等已不再能满足用户需求。

3）目前国外技术水平上接近本智能终端预定目标的部分产品已大举涌入中国市场，国内同行也都在进行类似的开发工作，我们作为电力自动化的中坚企业，自然不能放弃这个前景广阔的市场。也就是说，激烈的市场竞争使本智能终端具有紧迫性。

本方案产品从系统结构设计上，倾向于功能模块独立，便于根据需求组态的灵活运用，且模块间耦合最大程度降低，便于扩充。同时，大大提高了装置处理能力，为无人值班牵引变电站提供了完善的综合自动化解决方案。

1 方案实施

该微机远动智能终端是一种多功能测控装置，针对牵引供电系统和铁路配电系统的电压、电流、功率等电量的实时监控而设计。它选用高性能MCU为通信主CPU，DSP为交流采样CPU，具有交流采样测量、开关量输入、脉冲量输入、控制输出及网络通信等功能。

该微机远动智能终端由机箱、交直流输入及采样模件、CPU模件、DSP模件、开入模件、开出模件、开关电源模件、母板、液晶监控面板组成。

采样及测量数据处理硬件框图如图1所示。

图1 智能终端采样及测量数据处理框图

其中DSP是实时负荷曲线形成的核心，由其进行突变、越阀值、循环三种模式的数据抽样处理及数字滤波，而 MCU主要负责数据队列缓存、发送及数据记录文件本地存储。

下面结合附图对该智能终端从硬件组成、模件设计、软件设计、功能实现等进行描述。

1.1 硬件组成、模件设计

该智能终端整机结构框图如图2所示。

图2 智能终端整机功能框图

主要模件硬件设计：

1）交直流输入及采样模件：该模件提供18个电压输入和电流输入回路，供保护和测量用，交流量经变换后通过低通滤波、采样保持、多路转换送到DSP模件。智能终端采样及测量数据处理参见图2。装置最多可配置 4块交流/采样模件，每块模件都可根据工程需求灵活配置。

2）CPU模件（即主控CPU模块）：主控模块是本装置的核心模块，它由单片机系统、以太网部件、CAN网络通信管理部件、串口通信管理部件以及终端维护部件所组成。主控模块由 POWERPC 主CPU、128M的SDRAM、288M的FLASH、以太网通信接口、CAN通信接口、串口、GPS接口构成。高性能的微处理器 CPU（POWERPC），大容量的FALSH（288Mbyte）、SDRAM（128M byte）使得该CPU具有极强的数据处理能力，可以实现各种复杂的故障处理功能。POWERPC 主CPU是此模块的核心，负责处理整个数据处理与控制。另外，串口通信管理部件采用双100M以太网接口+双1M的内部专用CAN网络设计，装置内部通信采用无破坏优先级仲裁的 CAN-BUS网络作为模块间的通信网络，实现主控模块与各个子模块的数据交换，完成遥测、遥信、遥控、遥调、遥脉、录波、GPS对时等功能。CAN网络采用多主方式工作，任一子模块均可主动发起信息传输，以此来保证重要事件信息传输的实时性和可靠性。本模件通过网络可接入变电站自动化系统或远方调度系统；也可连接 PC机，可以借助 PC机上安装的专用调试软件包对装置进行各种远程测试、远程调试、远程升级等。

3）开入模件、开出模件：装置可最多配置8块开入开出模件，开入/开出模件配置可灵活选择。开入模件为24V开入模式，每块开入模件可接32路开入。每块开出模件可提供 12组开关的分合（即24路开出）。

4）监控 MMI面板：该模件由 CPU、RAM、ROM、Flash Memory、串行EEPROM和硬件时钟构成，负责键盘处理、液晶显示、保护报文存储及和变电站自动化系统的通信等，1Mbyte容量的 Flash Memory可记录含录波数据的故障报告及开入变位事件，这些信息在装置直流电源消失时不丢失。

5）电源模件：提供五组稳压电源供装置其他模件使用。

6）DSP模件：本模件采用DSP芯片技术，对交流模件转换来的模拟信号进行采样、计算、分析、判断。目前，一个DSP模件可最多接入4块交流模件，可同时采集最多72路模拟量，每路模拟量每周波采集32点，5ms一次基波有效值计算，20ms一次谐波有效值计算。

7）机箱模件：采用标准6U结构机箱。而可灵活的运用于各种场合。具有较强扩展性和灵活性。

1.2 软件设计

1）采用无破坏优先级仲裁的 CAN网络作为内部通信网[2]，采用多主非平衡方式运行，各I/O节点均可主动发起信息传输，以此来保证开关变位等重要信息传输的实时性。内部网络在接口及总线上可配置成主从热备份方式工作以提高可靠性。利用中断服务程序实现接受数据中断、接受任务分析和发送数据任务。当主模块向从模块发送请求数据命令时，从模块即产生数据中断。进入中服务程序后先保护现场，然后CPU独处接受缓冲区的命令内容进行任务分析，根据任务分析的结果确定数据发送任务，并向主模块发送数据，最后回复现场，中断返回。

2）内部网络通信协议上进行分层，在传输层提供不面向连接的数据报服务以提高效率，在必要时在应用层上对部分信息采用确认和重传机制以保证可靠性。

3）为了实现网络环境下复杂的管理并方便编程，所有节点将配备实时多任务操作系统软件，所有网络接口软件将进行标准化的统一编制。

4）装置对外部可采用10M以太网TCP/IP协议通信，也提供可扩充的多串口多规约对外通信的功能。

1.3 功能实现

该智能终端的软件设计采用实时多任务操作系统，用于实现各个采集控制等任务的调度管理[3]，不仅提高了软件的运行可靠性，也具有更好的扩展性。软件走标准化、可重用化的道路。主要实现功能有：

1）越限录波。装置测量各回路的三相交流有效值。将有效值与用户对各回路的定值进行比较，当达到设置定值且满足延时条件后将发生越限时刻点前后各100个点（点与点的间隔为20ms）的本回路相关的三相电压和电流有效值数据进行记录，并能以文件的方式上传给主站系统，同时支持当地读取。越限判断包括：过压、欠压、过流。各个条件分别设有两个整定值，各个整定值均有相对应的延时值。对于所有的整定值和延时值都支持远方或当地读取、修改。越限判断功能可在当地和调度进行允许和禁止。

2）故障录波。故障录波功能包括手动录波和故障录波。手动录波可录正常波，故障录波仅针对电流回路，提供过流、速断录波以及斜率录波判断功能，其中电流斜率录波是一种1/4周波（5ms）算法，能够反映正确动作电流。事件记录会将触发的时刻、事件类型、相关参数一并记录存储，并记录触发点前5周波，以及后5周波的采样值波形记录下来，每个周波采集32个点，以文件的方式上传调度，录波功能可在当地和调度进行允许和禁止。可以将开关动作、参数越限设定为触发条件，一旦某一个条件成立，将会触发事件记录或波形记录。

3）负荷曲线。负荷曲线功能用以记录线路24h内的电压、电流有效值曲线。曲线的时间分辨率最高为5ms。装置用带时标的遥测量描述24h负荷曲线。在负荷平稳的时间段，每30s记录一个采样点，负荷变化超过额定值的 2%（阀值可设定）时，每1s记录一个采样点，当检测到电压或电流突变时，以5ms为时间分辨率，实时记录突变前5点，后10点的有效值。本装置具有最高256M字节固态存储，可以记录最少24h的曲线数据。曲线数据可以本地保存，离线分析，也可以实时上送到监控或调度主站，由主站形成24h曲线数据。

4）进线核相功能。装置具有电压相序错（正序/负序反）告警及两回路电压不同期（异相）告警功能。当回路是电压回路，且三相电压有效值均大于60%Un时，若按正序（或负序）计算，却显示负序（或正序）的角度差，延时后报警并生成事件记录；在两回路均满足上述相同的条件下，计算出两回路任一个对应线电压的角度差，若角度差超过-30°～30°范围，延时后报警并生成两回路电压不同期（异相）告警事件记录。

5）配合主站进行线路故障自动判断。通过遥测值，判断并发出故障信号，快速上报至调度主站，与主站配合完成线路故障自动判断功能，为有效地进行故障隔离提供必要条件。

6）远程及当地维护。装置提供了功能强大的维护分析系统软件，安装了该的软件的便携式机可以通过以太网接口和装置相连，可以实现装置定值、参数的修改、固化等操作、可以读取开入状态、实现开关遥控操作、读取装置故障和录波报告、读取装置日志文件。

2 本方案的有益效果

本方案智能终端在电气化铁路、轨道交通及变电站综合自动化领域里的综合测控终端上进行了大容量高性能、分布式、网络型等多种创新，改变了传统单CPU测控装置的设计思想，真正实现了装置模块化设计、分布式、总线控制网络型多CPU测控终端设计。与时下主流几大综自厂家的通信管理装置相比有明显优点：本智能终端主控模块采用高性能的微处理器CPU（POWERPC），大容量的FALSH（288Mbyte）、SDRAM（128Mbyte）使得该 CPU具有极强的数据处理能力，可以实现各种复杂的故障处理功能；处理能力领先同类产品，保证系统稳定可靠运行；商用嵌入式操作系统，负荷曲线时间分辨率可达到 5ms，也更能满足用户对实时性的高标准需求。本方案采用了新的实时负荷曲线构造方法，实现了对供电网络正常和故障工况下电压、电流的实时监测和记录，数据记录时标基于装置时钟，变化时刻时间分辨率达到5～20ms级，数据记录采用动态时间分辨率，采用突变量检测局部录波替代传统的数据压缩算法，具有计算量小、数据量小、适应性、通用性强等优点。所形成负荷历史记录数据可以本地保存，离线分析，或结合支持此功能的监控计算机或 SCADA主站，可以实现负荷曲线的实时记录，满足用户负荷监视和故障分析的要求。

装置具备良好的移植性和维护性；软硬件模块化结构，根据不同应用需求灵活定制，便于工程实施及维护和升级，为无人值班牵引变电站提供了完善的综合自动化解决方案。本方案产品作为公司新一代供电自动化系统产品的重要组成部分，已通过省部级鉴定，鉴定结论为：设计合理、功能齐全，整体技性能达到国际先进水平。本智能终端创造已经已经成功应用在广西沿海铁路扩能改造工程站后四电集成项目中，是公司目前在牵引供电自动化系统中主推的产品，具有广阔的应用前景。

3 结论

本智能终端硬件上选用高性能 MCU为通信主CPU，DSP为交流采样CPU。软件设计上创新采用新的负荷曲线录制方法（该方法已申报了发明专利，并获得受理 201110295343.1），满足了负荷记录实时性要求，提高了故障时刻的时间分辨率，同时降低数据传输和保存量，该装置可广泛应用于电气化铁路牵引变电站及各种电压等级电力变电站、配电所、户外箱变、柱上开关等。已成功应用于广西沿海工程及渝利线等项目中，在目前牵引及地铁项目大力发展这一背景下，本产品必将创造良好的经济效益。

[1] 贾利民,张锡第,蔡秀生,等.铁路运输自动化——现状,问题与挑战[C].1994年中国控制会议论文集,1994.

[2] 邬宽明.CAN 总线原理和应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社,1996.

[3] 于海生,等.微型计算机控制技术[M].北京：清华大学出版社,1999.