论文部分内容阅读
【摘 要】随着我国经济社会的不断发展，对电力的要求也越来越高，对智能化电网的建设也不断深入发展。智能变电站作为我国智能化电网建设的过程中的重要组成部分，对我国变电站的智能化和自动化具有极其深远的意义，而智能断路器在变电站中的地位十分重要，关系到变电站的整个电力系统的控制，因此在状态检测系统中重点是把握断路器的检测，重视断路器的作用。本文首先简要地介绍了智能变电站的状态检测系统，其次重点介绍断路器状态检测系统，阐述了断路器状态检测的智能电子设备即IED的设计内容。
【关键词】智能变电站；断路器；智能电子设备设计；IEC61850
作为智能变电站的重要组成部分，断路器的运行对于整个智能变电站运作的安全性和稳定性具有重要意义。因此，利用智能变电站的设备状态检测系统对断路器的运行进行在线监测就显得尤为重要且必须，断路器状态检测系统可以通过持续的、稳定的、实时的检测，对断路器的运行状态进行监控，有利于促进变电站的断路器安全稳定的运行，从而促进整个变电站的安全运营。
1.智能变电站的状态检测系统概述
1.1状态检测系统的功能
（1）通过对变电站进行监控，及时发现智能变电站诸多设备的缺陷和故障以及可能存在的异常情况，并及时进行预警。变电站的系统十分庞大复杂，如没有对其运行的每一个层次都进行智能化的检测，就无法发现变电站中存在的问题，状态检测系统旨在实现的一个重要功能就是为了防患于未然，减少可以避免的故障，提高变电站内设备运行的安全性和可靠性。
（2）综合分析状态检测系统检测出的数据，实行变电站运行状态评估，为变电站的设备进行状态检修和变电站维修工作人员的控制决策提供重要依据和有效指导，从而减少变电站的人力物力的浪费，降低对变电站进行维修的费用。
1.2 状态检测系统的构成
智能变电站的状态检测主要是通过使用传感器、计算机和通信网络技术的方式来进行的，以此及时获得整个变电站所运行的设备的参数，并运用相应技术对所获得的综合参数进行分析处理，最终获得对设备实时安全性和可靠性的检测数据。状态检测系统主要通过以下三个程序来进行系统检测工作：一是数据信号采集，二是数据传输，最后则是数据的分析处理与诊断。其中在信号检测及采集过程中，主要是针对断路器的不同故障和异常情况所产生的不同的气体进行检测。状态检测主要有两种方式，即在线检测和离线检测，本文所研究的主要是智能变电站断路器的状态在线检测IED的设计。
2.断路器状态在线检测系统的具体设计
2.1整体结构设计
本文的设计将断路器状态在线检测系统主要分为三大板块来进行工作，即过程层、间隔层和站控层。接下来介绍断路器状态在线检测系统的具体工作流程设计。
2.1.1 断路器在线监测装置，即过程层
在本装置中对断路器的运行状态参数进行实时的采集，通过传感器所传输的信号，将所接收的信号进行直接或间接的数据运算处理，来得到需要进行检测的断路器状态的参数，进而通过所掌握的参数来诊断断路器运行状态。
2.1.2断路器状态检测IED，即间隔层
本设计中的断路器状态检测IED可以定时接受监控中心发出的数据采集指令，对收到的采集指令进行相应的解析之后，通过CAN总线向各个断路器在线检测装置发送相应的采集命令。过程层将采集的状态参数上传到断路器状态检测IED，IED遵循IEC 61850标准将断电器状态运行的参数发送到状态检测系统的监控中心。
2.1.3监控中心，即站控层
监控中心一方面接受多个断路器状态检测IED传送的各类检测数据，并对其进行分析、诊断和预警，另一方面通过IEC61850标准将数据传输到智能变电站一体化的信息平台。
2.2断路器状态检测IED的硬件设计
本设计为了更好的实现断路器状态检测IED的数据采集和信号处理功能，以及为了满足IED与IEC 61850标准的更好的结合，我采用了DSP芯片和ARM芯片相结合的结构来设计断路器状态检测IED，以此来提高IED的传输速度和数据处理能力。IED的主处理单元是ARM芯片，附加外围的光纤等硬件设备，嵌入符合IEC 61850标准的ICD文件，来解析站控层的监控中心发出的名利，并将断路器状态的参数按IEC 61850标准发送给站控层。将DSP芯片作为从处理单元，以利用它的高速运算能力来进行断路器状态参数的采集和数据运算处理工作。
2.2.1 IRIG-B 码对时
为了使断路器对各种参数的计算更加精确，需要实现过程层对各种信号的同步采集，这一点对时间同步系统的精确度要求更高了。将时钟信号通过IRIG-B码的方式传送到间隔层即断路器状态检测IED，IED才用RS-485总线将IRIG-B码对时信号传送给过程层。此处用到的IRIG-B码是每秒一帧的时间串码，有着传送信息量大以及高分辨率的特点，因此应用十分广泛。
2.2.2 SPI通信
本设计运用高速同步的SPI来完成IED中两大芯片之间的通信要求，其传输速度最快可达到1 Mbit/s，这将对整个系统的运行速度和性能有很大的提高。SPI通信连接共包括4根信号线，有设备选择先、时钟线、串行输出数据线、串行输入数据线。这样一来，两个芯片就能够同时进行发送数据和接收数据了。
2.2.3 CAN总线
IED主要需要通过采集各种信号的波形文件，来计算断路器运行时的各种机械特性参数。因此，在本设计中利用了有着传输速度快、通信的可靠性高等特点的CAN总线。IED所采用的DSP芯片自带有CAN可以直接作为CAN控制器，能使DSP芯片方便地接入到CAN总线中，不需要另外再加CAN控制器，即可实现CAN与DSP芯片的对接。 2.3断路器状态检测IED的软件设计
整个系统的软件设计分为两大板块，即ARM软件和DSP软件。在ARM软件的设计上，应该着重注意根据IEC 61850标准来设计，并重视系统的稳定性。为了方便更好的运用和适应IEC 61850标准，以及实现光纤和SPI通信的功能，本设计在ARM芯片上加进了Linux操作系统。同时在DSP软件的设计上，应该使整个软件系统和通信设计的实时性和高速性达到较高水平。
2.3.1 ARM芯片的软件设计流程
首先应对配置文件进行读取，接着设置轮询的间隔和因此而产生的轮询函数，如果到了轮询时间，就通过SPI发送采集信号的命令。再SPI已将信号送达DSP芯片之后，查询SPI的状态，如数据已传回，就将其再上传。
2.3.2 DSP芯片的软件设计流程
首先最重要的是要先初始化DSP程序，如果ARM芯片已经通过SPI发送采集信号的命令，且是断路器信号的采集命令，则DSP芯片就对命令进行解析，解析完之后将其放松给对应的断路器检测装置，之后在由断路器设备对命令所传送的数据进行筛选和运算处理，再通过SPI传输给ARM芯片。
3.IEC61850标准在断路器状态检测IED中的实现
（1）IEC61850标准是目前为止的变电站通信网络、整体系统的构造分层与系统标准中最完善的一种，它能够实现来自制造商的IED之间的良好的互操作性。
（2）断路器状态检测IED还将所采集得到的数据按照IEC 61850标准进行描述，通过运用结构化控制语言即SCL语言的形式将IED的各项功能参数保存成ICD文件。这样就能使IED不需要经过大量繁杂的中央处理单元、通信单元或协议转换单元等环节，可以直接实现IED与监控中心进行连接。
（3）断路器状态检测IED还根据IEC 61850标准，将同一个功能对象的相关数据以及数据的属性进行建模，了解了那些检测数据需要通信以及如何进行数据通信。对IED进行建模。首先要对IED做出完整的功能描述，把每一个不同的断路器描述为一个IED对象，将最小功能单元建模成一个逻辑节点的对象。
4.总结
总之，通过本设计的IED设计，可以实现断路器状态检测，使监控中心的人员远程实时的监测着变电站断路器的运行状态，对整个变电站进行状态检测具有重要的现实意义，从而实现对整个变电站的运作进行更好的监控，提高变电站的智能化和自动化程度，保证变电站安全、稳定的运作，这对我国整个国家的电网建设具有极其深远且重大的意义，能够实现电网的智能化建设，使我国的供电事业蒸蒸日上。 [科]
【参考文献】
[1]黄新波，王霄宽，方寿贤，贺霞，肖渊.智能变电站断路器状态监测IED设计[J].电力系统自动化，2012，22：95-99.
[2]李刚，王晓锋，周水斌，张克元.一种智能变电站断路器状态监测方案[J].电力系统保护与控制，2010，14：140-143.
[3]贺霞.智能变电站断路器在线监测装置设计[D].西安工程大学，2012.
【关键词】智能变电站；断路器；智能电子设备设计；IEC61850
作为智能变电站的重要组成部分，断路器的运行对于整个智能变电站运作的安全性和稳定性具有重要意义。因此，利用智能变电站的设备状态检测系统对断路器的运行进行在线监测就显得尤为重要且必须，断路器状态检测系统可以通过持续的、稳定的、实时的检测，对断路器的运行状态进行监控，有利于促进变电站的断路器安全稳定的运行，从而促进整个变电站的安全运营。
1.智能变电站的状态检测系统概述
1.1状态检测系统的功能
（1）通过对变电站进行监控，及时发现智能变电站诸多设备的缺陷和故障以及可能存在的异常情况，并及时进行预警。变电站的系统十分庞大复杂，如没有对其运行的每一个层次都进行智能化的检测，就无法发现变电站中存在的问题，状态检测系统旨在实现的一个重要功能就是为了防患于未然，减少可以避免的故障，提高变电站内设备运行的安全性和可靠性。
（2）综合分析状态检测系统检测出的数据，实行变电站运行状态评估，为变电站的设备进行状态检修和变电站维修工作人员的控制决策提供重要依据和有效指导，从而减少变电站的人力物力的浪费，降低对变电站进行维修的费用。
1.2 状态检测系统的构成
智能变电站的状态检测主要是通过使用传感器、计算机和通信网络技术的方式来进行的，以此及时获得整个变电站所运行的设备的参数，并运用相应技术对所获得的综合参数进行分析处理，最终获得对设备实时安全性和可靠性的检测数据。状态检测系统主要通过以下三个程序来进行系统检测工作：一是数据信号采集，二是数据传输，最后则是数据的分析处理与诊断。其中在信号检测及采集过程中，主要是针对断路器的不同故障和异常情况所产生的不同的气体进行检测。状态检测主要有两种方式，即在线检测和离线检测，本文所研究的主要是智能变电站断路器的状态在线检测IED的设计。
2.断路器状态在线检测系统的具体设计
2.1整体结构设计
本文的设计将断路器状态在线检测系统主要分为三大板块来进行工作，即过程层、间隔层和站控层。接下来介绍断路器状态在线检测系统的具体工作流程设计。
2.1.1 断路器在线监测装置，即过程层
在本装置中对断路器的运行状态参数进行实时的采集，通过传感器所传输的信号，将所接收的信号进行直接或间接的数据运算处理，来得到需要进行检测的断路器状态的参数，进而通过所掌握的参数来诊断断路器运行状态。
2.1.2断路器状态检测IED，即间隔层
本设计中的断路器状态检测IED可以定时接受监控中心发出的数据采集指令，对收到的采集指令进行相应的解析之后，通过CAN总线向各个断路器在线检测装置发送相应的采集命令。过程层将采集的状态参数上传到断路器状态检测IED，IED遵循IEC 61850标准将断电器状态运行的参数发送到状态检测系统的监控中心。
2.1.3监控中心，即站控层
监控中心一方面接受多个断路器状态检测IED传送的各类检测数据，并对其进行分析、诊断和预警，另一方面通过IEC61850标准将数据传输到智能变电站一体化的信息平台。
2.2断路器状态检测IED的硬件设计
本设计为了更好的实现断路器状态检测IED的数据采集和信号处理功能，以及为了满足IED与IEC 61850标准的更好的结合，我采用了DSP芯片和ARM芯片相结合的结构来设计断路器状态检测IED，以此来提高IED的传输速度和数据处理能力。IED的主处理单元是ARM芯片，附加外围的光纤等硬件设备，嵌入符合IEC 61850标准的ICD文件，来解析站控层的监控中心发出的名利，并将断路器状态的参数按IEC 61850标准发送给站控层。将DSP芯片作为从处理单元，以利用它的高速运算能力来进行断路器状态参数的采集和数据运算处理工作。
2.2.1 IRIG-B 码对时
为了使断路器对各种参数的计算更加精确，需要实现过程层对各种信号的同步采集，这一点对时间同步系统的精确度要求更高了。将时钟信号通过IRIG-B码的方式传送到间隔层即断路器状态检测IED，IED才用RS-485总线将IRIG-B码对时信号传送给过程层。此处用到的IRIG-B码是每秒一帧的时间串码，有着传送信息量大以及高分辨率的特点，因此应用十分广泛。
2.2.2 SPI通信
本设计运用高速同步的SPI来完成IED中两大芯片之间的通信要求，其传输速度最快可达到1 Mbit/s，这将对整个系统的运行速度和性能有很大的提高。SPI通信连接共包括4根信号线，有设备选择先、时钟线、串行输出数据线、串行输入数据线。这样一来，两个芯片就能够同时进行发送数据和接收数据了。
2.2.3 CAN总线
IED主要需要通过采集各种信号的波形文件，来计算断路器运行时的各种机械特性参数。因此，在本设计中利用了有着传输速度快、通信的可靠性高等特点的CAN总线。IED所采用的DSP芯片自带有CAN可以直接作为CAN控制器，能使DSP芯片方便地接入到CAN总线中，不需要另外再加CAN控制器，即可实现CAN与DSP芯片的对接。 2.3断路器状态检测IED的软件设计
整个系统的软件设计分为两大板块，即ARM软件和DSP软件。在ARM软件的设计上，应该着重注意根据IEC 61850标准来设计，并重视系统的稳定性。为了方便更好的运用和适应IEC 61850标准，以及实现光纤和SPI通信的功能，本设计在ARM芯片上加进了Linux操作系统。同时在DSP软件的设计上，应该使整个软件系统和通信设计的实时性和高速性达到较高水平。
2.3.1 ARM芯片的软件设计流程
首先应对配置文件进行读取，接着设置轮询的间隔和因此而产生的轮询函数，如果到了轮询时间，就通过SPI发送采集信号的命令。再SPI已将信号送达DSP芯片之后，查询SPI的状态，如数据已传回，就将其再上传。
2.3.2 DSP芯片的软件设计流程
首先最重要的是要先初始化DSP程序，如果ARM芯片已经通过SPI发送采集信号的命令，且是断路器信号的采集命令，则DSP芯片就对命令进行解析，解析完之后将其放松给对应的断路器检测装置，之后在由断路器设备对命令所传送的数据进行筛选和运算处理，再通过SPI传输给ARM芯片。
3.IEC61850标准在断路器状态检测IED中的实现
（1）IEC61850标准是目前为止的变电站通信网络、整体系统的构造分层与系统标准中最完善的一种，它能够实现来自制造商的IED之间的良好的互操作性。
（2）断路器状态检测IED还将所采集得到的数据按照IEC 61850标准进行描述，通过运用结构化控制语言即SCL语言的形式将IED的各项功能参数保存成ICD文件。这样就能使IED不需要经过大量繁杂的中央处理单元、通信单元或协议转换单元等环节，可以直接实现IED与监控中心进行连接。
（3）断路器状态检测IED还根据IEC 61850标准，将同一个功能对象的相关数据以及数据的属性进行建模，了解了那些检测数据需要通信以及如何进行数据通信。对IED进行建模。首先要对IED做出完整的功能描述，把每一个不同的断路器描述为一个IED对象，将最小功能单元建模成一个逻辑节点的对象。
4.总结
总之，通过本设计的IED设计，可以实现断路器状态检测，使监控中心的人员远程实时的监测着变电站断路器的运行状态，对整个变电站进行状态检测具有重要的现实意义，从而实现对整个变电站的运作进行更好的监控，提高变电站的智能化和自动化程度，保证变电站安全、稳定的运作，这对我国整个国家的电网建设具有极其深远且重大的意义，能够实现电网的智能化建设，使我国的供电事业蒸蒸日上。 [科]
【参考文献】
[1]黄新波，王霄宽，方寿贤，贺霞，肖渊.智能变电站断路器状态监测IED设计[J].电力系统自动化，2012，22：95-99.
[2]李刚，王晓锋，周水斌，张克元.一种智能变电站断路器状态监测方案[J].电力系统保护与控制，2010，14：140-143.
[3]贺霞.智能变电站断路器在线监测装置设计[D].西安工程大学，2012.