电力自动化系统智能保护测控设备的设计与开发方法

敖丽华

(江西冶金职业技术学院，江西新余 338000)

0 引言

随着我国经济水平的快速发展，人们对用电需求越来越多，电网安全已经成为了企业和社会关注的重要问题，特别是当电网在高负荷的情况下，如果发生安全事故就会给人们的生产生活带来严重的影响，甚至威胁到我国的经济发展。因此，对电力自动化系统智能保护测控设备的设计与开发工作得到了许多学者的重点关注，通过把电网的保护、测量、控制以及通讯等功能相结合，共用在一个测控设备当中，能够极大的提升电网运行的安全、稳定性。

1 电力自动化系统智能保护测控设备整体方案设计

1.1 基本功能

(1)保护功能。就是指利用继电保护实现保护设备的安全运行，一旦电网设备发生短路故障问题或者过压等现象时，能够及时的做出反应，并且执行跳闸命令，把问题切除同时发生报警，这样能够在最大程度上避免电气设备的损坏以及停电范围过大等问题，从而促进电气系统的稳定运行。(2)测量功能。通过测量设备对电力节点进行有效的测量，如果控制中心或者终端发出测量指令时，设备可以及时的做出反应将电量数据传输到中心，从而给电力资源的调度提供有力的依据。(3)通讯功能。此功能为电力自动化系统与智能保护测控设备之间的纽带，该功能主要是把电能测量数据以及保护信息等内容传输到控制中心里，在这一过程中，要保证与国际电力自动化标准相一致，并且按照系统的需求进行通讯。(4)控制功能。此功能主要是以其他的功能为基础，通过遥测、遥控、遥信以及遥调等技术，实现对相关设备的控制与管理。通过分析可知，电力自动化系统智能保护测控设备必须具备上述的四个基本功能，从而促进电力系统的自动化[1]。

1.2 整体结构

电力自动化系统智能保护测控设备的设计主要利用了模块化结构，不仅能够使得设备更加的灵活、易操作，有利于拓展新的功能和资源，而且也给系统的升级工作带来了极大的便利性。按照发挥功效的不同，电力自动化系统智能保护测控设备主要由主控模块、电量转换模块、人机对话、开入开出模块以及通讯模块等几个部分构成。各个模块之间全部为单独的插件，并且通过母版的连接完成电气的联系。

1.3 方案设计

按照电力自动化系统智能保护测控设备的性能需求，方案设计应该遵循以下原则，首先，技术可靠性原则。根据以往系统设计中的成功经验，采先进、成熟的技术方式完成设备的开发工作，从而提高设备的安全程度；其次，通用性原则。智能保护测控设备的硬件平台要具有一定的通用性，在这一平台中可以由相同的硬件实现不同的操作功能，那么在改进设备性能这一方面上，只需要对其软件进行完善即可，这就在一定程度上增加了智能保护测控设备的使用时间，降低了设计成本。

2 设备的硬件设计

电力自动化系统智能保护测控设备不仅要保证配置灵活，而且要符合功能拓展以及系统升级的需求，所以可以使用模块化结构设计方式。电力自动化系统智能保护测控设备主要包括：

2.1 主控模块

作为电力自动化系统智能保护测控设备的核心，主控模块主要包括ADC(模拟数字转换器)、保护和测量CPU以及EEPROM等。主控模块主要完成对电量转换模块传送过来的电流、电压等进行AD采样，从而获得原始数据，同时通过数据处理功能实现对数据的处理，将参数存储在寄存器当中。其中，主控模块CPU不仅能够实现对数据的处理和存储等过程，另外，当CPU对原始数据处理过后，可以和参考值进行对比与分析，及时的了解电力自动化系统智能保护测控设备的运行状况，如果保护设备出现故障问题，也就是说已经达到了设置的动作值，那么就可以执行相应的保护命令，并且将这一命令传输到开入开出模块。除此之外，主控模块不仅可以进行数据的处理、存储以及命令的发布等工作，还必须保证能够实现良好的通讯功能以及人机对话功能等。当主控模块接收到通讯模块传送到的消息时，CPU能够对其进行实时的处理与分析，然后把相关的数据信息传送到通讯模块，从而保证电力自动化系统智能保护测控设备能够完成通讯功能。当主控模块接收到人机对话模块传送到的数据信息时，CPU对其进行分析，保证按键能够有效的实现用户的选择，或者是根据要求设置阈值以及查询记录等，同时将数据信息进行及时的传输[2]。

2.2 电量转换模块

电量转换模块主要由电流互感器、电器互感器以及滤波电路构成，能够对通过智能保护测控设备的电流和电压进行采集，然后转化成为可进行数据处理的模拟量，传输到主控模块当中，从而完成数据处理、计算以及保护运算等功能。此外，电量转换模块与安全控制过程有着紧密的联系，数据测量的准确程度直接影响到了系统的稳定性，所以要确保数据采集的正确性。在电力自动化系统智能保护测控设备中，对于采集到的系统中的电量信号而言，不仅可以进行保护判断，而且能够进行电量测量工作，但是保护部分与测量部分对精度有着不同的要求，所以可以利用不同型号的互感器构成其相应的输入通道。在电量转换模块当中，一共有12个互感器，三个电压部分和电流部分的互感器能够保护三相电量信号，而其余的三个电压互感器以及电流互感器能够用于转换电量测量的三相电量信号，并且把信号传输到电能计量芯片当中实现模数转换。此外，电压转换可以使用电流型电压互感器，而电流转换可以使用电流互感器。

2.3 人机对话模块

对于电力自动化系统智能保护测控设备而言，人机对话模块是重要的组成部分，主要由液晶显示、键盘和LED指示灯等三个部分组成，其中，液晶显示以及键盘是完成人机对话的重要部分。在此模块工作的过程中，利用键盘把操作人员的相关指令输送到电脑里面，然后由主控模块按照信息返回液晶控制以及数据信息，而液晶显示则一般被设置为显示出检测到的电量信息、保护动作信息以及报警信息等，同时也能够显示出各种各样的菜单选项，其中有保护配置、历史记录以及保护定值等内容。当主控模块发出保护动作或者指示电源等信息命令时，LED指示灯就会做出显示，做出亮或者灭等指令。

2.4 开入开出模块

开入开出模块主要包括开关量输入以及开关量输出等两个部分。其中，开关量输入主要完成电力自动化系统智能保护测控设备的“遥信”控制功能，能够对现场的状态量进行实时的采集，比如开关的分合以及储能开关的储能状态等，同时把已经采集好的状态量传输到主控模块当中。而开关的输出部分则能够完成电力自动化系统智能保护测控设备的“遥控”控制功能，主要是把主控模块发出的主控命令传输到终端控制器的跳合闸回路当中，实现对线路开关的控制功能。此外，开关量输出的接口方式主要包括TTL直接电平接口以及光电隔离型等，在实际的设计过程中，主要采用光电隔离型的输入方式，不仅具有较强的抗干扰能力，隔离性能好，而且响应速度快，可靠性强[3]。

2.5 通讯模块

通讯模块能够很好的解决现场总线接口这一问题，数据的通信功能主要表现在两个部分，一方面，实现电力自动化系统之间的信息传输和交换功能；另一方面，实现设备和控制中心之间的通信过程。由于设备间的信息传输较多，且智能保护测控设备的通信复杂，所以对其可靠性有着较高的要求，需要使用统一化的通信标准来约束。现阶段，现场中应用较为广泛的是RS485总线接口，有着标准化、规范化、操作便捷等诸多优势，因此可以被应用在电力自动化系统智能保护测控设备的设计与开发当中，从而保证电网自动化的协调运行。

此外，通讯协议可以使用MODBUS通信协议，利用这一协议，能够实现控制器之间、控制器和网络之间以及与各个设备之间的通信，可以被广泛的应用在电力自动化系统当中。

3 设备的软件设计及算法

3.1 软件开发环境

由于AVR单片机支持C语言编程，因此在电力自动化系统智能保护测控设备中可以使用Atmega128。C语言不仅可以对低级存储器进行简单的处理，而且可以对底层设计进行加工处理。此外，C语言在各个方面比汇编语言更具优势，主要表现在系统消耗、严密性、表达方式、代码质量等方面。在设计过程中，应用AVR GCC编译器，此款编译器不仅免费，而且源代码是公开的，是一款自由化的软件。此外，AVR Studio具有调试功能全面(包括自动同步、存储器观察、处理器状态观察等)、支持JTAG ICE等一系列的优势。

3.2 软件设计流程及框架

单片机程序编写的过程中，主要包括分析问题、建立正确的数据模型、画出程序框图、有效分配系统资源、编写指令、程序调试以及程序优化等几个过程。在电力自动化系统智能保护测控设备的设计过程中，所有的硬件功能都是通过软件部分完成的，因此软件的运行效率对整个系统的工作效率起到了重要的影响作用。在设备软件设计的过程中，既要完成键盘的指令，实现人机对话等功能，而且还要具有实时处理功能，可以按照控制过程指令，完成申请中断过程，实现测控、通讯以及控制等作用。所以，软件设计部分可以使用模块化设计，将系统分为几个部分，通过中断对各个模块进行控制，这样也在一定程度上提高了软件系统的运行效率和正确性[4]。

(1)主程序模块。首先，设备进行初始化，主程序的初始化分为单片机初始化以及外设初始化等两个部分，当单片机进行中断操作后程序进入循环状态等待中断过程，然后开始对中断进行判决，按照判断的结构调用相关的子程序，其中包括RS484通讯子程序、人机对话以及数据处理等，完成相应的操作之后，再返回到测控保护主程序当中。此外，为了在最大程度上确保智能保护测控设备运行的安全性，可以在程序当中加入自检部分，一旦设备出现问题，立刻停止，启动报警装置。(2)子程序模块。子程序模块主要包括采样定时中断服务子程序、键盘中断服务子程序、保护外部中断服务子程序，通讯串口中断服务子程序以及开关量输入中断服务子程序等。其中，采样定时中断主要针对主程序操作，在时钟的控制下完成对ADC的采样工作；键盘中断服务可以按照键盘的不同进行相应的操作，可以利用中断法对其进行设计；保护外部中断主要完成继电保护功能。当对程序的编译出现错误时，不需要修改全部的程序，只需对子程序进行检查修改即可。

4 结语

总之，随着电力资源的迅速发展，使得电网安全运行问题成为了电力企业发展过程中需要解决的重点内容，而电力自动化系统智能保护测控设备的设计与开发能够很好的解决这一问题。本文主要从智能保护测控设备的硬件设计以及软件设计等方面进行叙述，说明了各个模块的组成及功能，以及软件开发环境和流程，从而为电力自动化系统智能保护测控设备的设计工作提供一定的参考价值。