基于工业以太网的高压输电测控系统研究*

李建辉 马军

(1.佳木斯大学,黑龙江佳木斯 154007;2.中建材佳星玻璃(黑龙江)有限公司,黑龙江佳木斯 154005)

1 概述

1.1 工业以太网应用概述

工业以太网技术在电力系统变电站、发电厂监控运行中已应用多年,它也是电力部门较早的局域网技术。工业以太网技术电力系统调度、管理部门与发电厂、变电站的运行、监控等现场管理部门之间建立了良好的通信连接。为电力系统服务的各可编程逻辑控制器和集散控制系统厂商都支持工业以太网的现场控制技术,在发电厂、变电站的现场数据采集、数据处理、故障分析、控制数据的传输得到了完美的应用。工业以太网控制技术的不断完善和改进对比总线控制技术在电力系统中的应用优势越来越明显。工业以太网控制技术是控制界的未来着力点,在工业智能化、网络化的过程中会承担更重要的角色[1]。

由于我国幅员辽阔、电力生产能源分布的不均衡,我国电力系统网络建设需要以高压供配电系统为主。十三五规划后已建成三纵三横的大互连电力高压,网络我国特高压交直流输电和配电网构成的分层、分区、结构清晰的现代化大电网。我国现在作为一个在装机容量和年发电量居世界第一位国家,在电力系统运行参数测控方面有更多的需求[2]。

1.2 高压测量的难点

在高压输电测控系统中,当前因为输变电系统中的电压幅值高和电流数值大,所以高压输电测控系统仍需研究以下几个主要问题[3]。

(1)在高压测控系统中的设备、装置和线路中存在电晕放电现象,电晕放电带来的系统传输能量损失、污染大气环境、对弱电通信线路的电磁扰动及电晕局部击穿产生的噪声等。随着高电压工程电压等级的逐步提高,电晕放电对高压测控系统中的设备、装置和线路绝缘结构及绝缘设计带来了新的挑战。

(2)在高压测控系统中的设备、装置和线路的电磁兼容问题在故障测量参数的动态过渡过程中仍然是不易解决的难题。目前我国电力设计、施工部门基本采用光纤构成光电耦合的信号传导介质,采用对重点设备、装置进行金属罩和金属网屏蔽措施,电信号传导通道采用整流器、低通滤波器、信号隔离变压器等有效方法解决电磁问题。

(3)在高压测控系统中的传输回路和二次回路中存在电参数振荡,现场控制目前采用加装阻尼电阻元件、对二次回路的信号电缆出线端进行线路补偿来防止信号反射,从而降低了信号振荡的产生。

(4)电力系统多机联动及动态过程参数测量需要控制信号的一致,同步触发器就是关键设备。计算机组成的数字录波器、示波器的应用,为高压动态测量的准确提供了技术上的保证。

1.3 高压输电测控系统性能要求

高压输电测控系统的控制器系统主要实现现场输入、输出接口完成运行参数数据的上传、下装,对数据的逻辑和算术计算及对各总线的控制功能。根据软件设置方式和硬件组成元件的差异,组建了参数过程控制系统站、参数逻辑控制系统站。数据采集、监视、控制站分别通过不同软硬件组态,便捷的是了电力系统各电气参数的采集。测量、显示、调节、报警、控制回路可以采用一下简单控制算法,由现场控制器完成各项基本功能,现场控制器课通过以太网、串口、CAN 总线等形式与外部设备连接,完成高压测控系统的软硬件功能,并可实训实时修改程序内容等工作[4]。

2 高压输电测控系统硬件设计

通过对工业以太网控制技术的深入学习,高压输电测控系统选用国产GRT-220ET以太网芯片,完成发电厂、变电站与电力管理部门的网络通信。通过该系统可以远程完成对现场的各种高电压参数的测量。现场控制站中采用ARM+DSP 的双CPU 结构,ARM 处理器作为主CPU,主要用于与变电站及主控中心进行网络通信,符合IEC61850体系的变电站自动化系统的设计思想,嵌入式操作系统使用的网络协议族是内嵌在高效多任务调度和中断管理的操作系统,ARM 架构的以太网通信模式打破了在工业控制领域的诸多应用限制。DSP利用自身运算速度快擅长数字信号处理的优点进行高压电量采集、计算、逻辑判断,有效地保证了测控系统的实时性、速动性和可靠性,并在系统发生故障时进行录波,记录故障时的各种电量数据以供后台计算机系统分析。图1 所示为采用ARM+DSP 的电量测控系统的硬件系统结构图[5]。

图1 ARM+DSP 的电量测控系统的硬件系统结构图Fig.1 Hardware system structure diagram of the power measurement and control system based on ARM+DSP

2.1 系统总体构成

图1中,ARM处理器选用32位的MC68332作为主机模块,完成对整个高压测控系统中各项任务的管理和调度,负责人机接口、网络通信、故障判断、历史数据负责高压电量采集、计算、逻辑判断和实时显示功能。MC68332和TMS320LF2407A之间通过双口RAM进行数据交换。DSP总启动元件与DSP测控显示数据采集系统的电子电路完全独立,只有在总启动元件动作才能开放显示出口电路的电源,从而真正保证了任一器件损坏不至于引起系统保护的误动作。

2.2 数据采集过程

(1)高压供电线路测控系统的数据采集系统采用比较式数据采集系统,待测量的一次2设备的电气量经过电压互感器(TV)和电流互感器(TA)转换为二次电压和电流。数据采集系统的功能就是将由TV、TA输入至测控系统的电压、电流模拟量精确的转换为CPU系统所需的数字量。比较式数据采集系统主要由电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模数转换构成。

(2)测控系统从电力线路或设备上取得电流、电压等信息,虽然有电流、电压互感器的变换,数值仍然较大,计算机不能处理,需要再次经电压形成回路降低和变换。通常变换为正负2.5伏、正负5伏和正负10伏的信号,具体取决于所用模数转换器的要求。电压形成回路主要包括电流变换器和电压变换器。电压形成回路可以起到隔离和屏蔽作用,能减小高压设备对微机测控系统的干扰。

2.3 人机交互构成

人机接口模块采用MCS51系列的DS80320芯片,负责人机接口和通信管理,完成与主机模块的通信,从主机活动实时计算的供电网络的运行参数,并通过大屏幕液晶显示器显示,以及项主模块下达操作命令[6]。

3 高压输电测控系统软件设计

微机测控装置接通电源或测控系统复位时,CPU响应复位中断,进入主程序入口[7]。主程序框图如图2所示,主要部分功能说明如下:

图2 主程序框图Fig.2 Main block diagram

3.1 主程序初始化内容

初始化一主要是对微处理器CPU 及其扩展芯片的初始化及测量系统输出的开关量出口初始化,赋以正常初值,保证输出继电器均不动作。初始化一是运行与监控程序都需要用到的初始化程序。工作人员可以通过人机接口选择调试进入监控状态,选择运行则进入初始化二程序。初始化二的内容包括采样定时器、RAM区的软件计数器及各种标志位清零。

3.2 系统全面自检过程

全面自检,初始化二后进入全面自检程序,自检内容包括RAM、EPROM、开关量回路等。全面自检通过进入数据采集初始化、开中断模数转换。主程序进入相应的主循环程序。包括自检循环和故障处理程序。

在自检程序中,如果检测到故障启动标志,则进入故障处理程序。故障处理程序完成保护跳闸和重合闸等全部处理任务,清除所有临时标志,收回各种操作命令。

3.3 采样中断服务程序

采样中断服务程序主要包括采样计算,TV、TA 断线自检及故障保护启动元件3个部分。同时还可以根据不同故障的特点,增加一些检测被保护状态的程序。

3.4 故障处理程序

故障处理程序包括保护软压板的投切检查、各种保护的动作判据计算及定值比较、逻辑判断等部分。

4 结语

高电压测试技术随着现代工业技术的网络化、集成化、智能化的发展,现代科技的发展,测量系统的各项性能指标达到了一个新的高度。在电力系统设备的测试试验研究方面,实现了高精确度、响应迅速、多变量耦合、强辐射干扰下电气测量信号的获得以及检测自动化等方向发展;在电力现场工程应用上,在发电厂、变电站和供配电线路,正向着现场控制测量、电气参数实时监测、系统智能诊断的专家系统方向发展。