文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182596
中文引用格式： 張翠，高新勤，李楠. 基于ARM與DSP的箱式變電站智能遠程監控系統[J].電子技術應用，2019，45(3)：104-107，112.
英文引用格式： Zhang Cui，Gao Xinqin，Li Nan. Intelligent and remote monitoring system of box-type substation based on ARM and DSP[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(3)：104-107，112.
0 引言
箱式變電站（簡稱“箱變”）具有體積小、移動方便等優點，已大量應用于我國的供輸電系統[1]。然而，傳統的箱式變電站智能化程度還很低，存在數據采集滯后、監控功能單一、無法做到事前預警等問題[2]。因此，實現箱變的智能化遠程監控具有重要的意義[3-4]。
黃新波等基于雙核理念設計了一種箱變監測裝置，對電壓、電流、功率、頻率等電力參數和溫度進行監測[5]。黃紹平等設計了一種基于AT89S52單芯片的箱變監控裝置，對溫濕度和凝露進行監控[6]。馮利民等設計了一種基于Intel單片機的箱變監測終端系統，實現對溫度、電流、電壓等參數的實時監控[7]。郭文敏等設計了基于單片機80C196KC的箱變監控系統，可監測各相電流、電壓、功率因數、電能等[8]。但總的來說，目前箱變監控系統還存在監測參量不全面、功能單一等問題，且多數為單核系統，沒有統一的通信接口，處理大數據的實時性差[9-10]。因此，設計一種監測參量全面、功能豐富、實時性和可靠性高且具有統一通信接口和協議的箱變智能遠程監控系統勢在必行[11]。
本文采用ARM+DSP雙核技術和GPRS無線通信方式，設計了一種能夠對溫濕度、凝露、煙感等環境參量，電壓、電流、功率、頻率、諧波、負載等電氣參量以及開關量同時進行監測的智能化遠程箱變監控系統，實現了數據查詢、故障預警、能效分析等功能。
1 智能遠程監控系統硬件設計
如圖1所示，基于模塊化設計思想，箱變智能遠程監控系統的硬件模塊主要有電源模塊、CPU模塊、DSP模塊、模擬量采集模塊、開關量輸入/輸出模塊、通信模塊、人機接口模塊等。
下面結合圖2所示的硬件工作原理圖，對箱變智能遠程監控系統的主要硬件模塊進行介紹。
1.1 ARM與DSP接口
箱式變電站的監控參量眾多，數據量大，實時性要求高，所以主處理器ARM 選用S3C2410，內核為ARM920T，基于ARMv4架構，能夠達到ARM7處理器兩倍以上的處理能力。從處理器DSP選用TMS320C5420，擁有兩個DSP核，速度達到200 MIPS，具有強大的數據處理能力。雙端口RAM選用IDT70261，具有數據存取速度快、正確性高、可擴展等優點，特別適用于需要大批量數據處理的箱變智能遠程監控場合。
ARM與DSP之間的高速數據傳輸通過雙端口RAM 來實現，具有實時性好、傳輸數據量大等特點[12]。在硬件連接中，雙端口RAM的左端連接ARM，右端連接DSP，如圖3所示。
1.2 箱變電源模塊
電源模塊的持續供電是箱變智能遠程監控系統正常運行的基礎。箱變智能遠程監控系統的電源模塊包括交流電源和直流電源兩部分。交流電源220 V主要給電源管理模塊供電，直流電源5 V、3.3 V、1.8 V等分別給CPU、DSP、Flash、ADC等裝置供電。
箱變智能遠程監控系統的電源供電原理如圖4所示。為提高電源模塊供電的可靠性，采用雙交流電源為電源管理模塊供電。當一路交流電源出現故障時，可迅速切換到另一路交流電源。同時，采用蓄電池作為后備電池，當交流電源正常工作時，電源管理模塊給蓄電池充電；當交流電源失電時，蓄電池立即投入工作，從而有效保障了箱變智能遠程監控系統連續運行。
1.3 模擬量采集模塊
如圖5所示，從電壓互感器PT、電流互感器CT獲取的電壓、電流信號是不能直接輸入到DSP進行數據處理的，必須經過信號調理電路和A/D轉換電路。信號調理是將PT、CT中得到的u、i模擬信號經放大電路、低通濾波、采樣保持，轉換到ADC要求的電壓范圍。A/D轉換器再將模擬量轉化為數字量，之后傳送到DSP進行電量參數的計算和處理，得到u、i的有效值、有功功率、無功功率、功率因數和諧波等各種電氣參量。
與此同時，箱變智能遠程監控系統還需要對溫濕度、凝露、煙感等環境參量進行監測。在環境參量采集中，傳感器采集到的環境參數也要經過信號調理電路和A/D轉換電路處理，然后輸入到ARM中。
1.4 開關量輸入輸出模塊
開關量輸入模塊的作用是實現箱變監控系統的遙信量采集，即通過監測箱變內開關設備的輔助常開、常閉觸點，從而識別負荷開關、斷路器、電容器和風機等電力裝置的開關狀態。遙信量采集易受到電磁干擾，因此在箱變的開關量輸入模塊中加入低通濾波電路和光電隔離器。
開關量輸出模塊的作用是實現箱變監控系統的遙信量控制，即控制箱變內電力裝置開關的分合。為有效抵抗干擾，開關量輸出信號首先鎖存到控制緩沖器，再經光電隔離和功率放大后驅動繼電器，由繼電器控制電力裝置開關的分合。為進一步提高開關量輸出的可靠性，在繼電器輔助觸點處增加一個開關量反饋輸入，以監測繼電器的實際動作情況。
1.5 箱變通信模塊
箱變監控終端與監控中心之間的實時通信是開發箱變智能遠程監控系統的關鍵技術，直接影響箱變監控系統的實時可靠性。GPRS無線通信技術具有傳輸速率高、永遠在線、通信費用低、供電維護方便、覆蓋范圍廣等特點[13-14]。本文選用MG323，通過RS232接口與主CPU相連，并在CPU的控制下進行GPRS網絡連接，實現與監控中心的數據互傳。MG232模塊具有體積小巧、性價比高、性能穩定、傳輸速率高等優點，能夠滿足箱變智能監控系統遠程傳輸數據的高實時性和準確性要求。
1.6 人機接口模塊
監控系統的硬件部分安裝在箱變內部，各種裝置的運行情況及其監測數據需要通過良好的人機界面顯示。本文開發的箱變智能遠程監控系統的人機接口模塊包括LED顯示和鍵盤兩部分。點陣液晶屏HJ12864ZWG具有功耗低、操作方便、功能豐富、體積小巧等優點，能夠滿足箱變內部結構緊湊的要求。
2 智能遠程監控系統軟件設計
智能遠程監控系統對箱變的環境參數、電力參數、開關信號等進行實時采集和處理，將故障數據上報監控中心，并及時執行監控中心下達的指令，實現遙測、遙控、遙信和遙調的“四遙”功能。
如圖6所示，在軟件的主程序流程中，系統首先初始化，啟動開中斷，然后進行數據采集和存儲。當發現故障時上報故障并執行監控中心的指令，再對故障事件進行記錄，最后將數據上傳至監控中心。
2.1 模擬量采集流程
2.1.1 電氣參量采集流程
電氣參量采集模塊的主要任務是采集交流電壓、電流信號，準確而快速地計算有功功率、無功功率、諧波等參量。為提高數據采集的實時性，將每個周期采樣點設為64個，通過中斷控制器和定時器定時采樣。當A/D完成一個周期采樣后，立即送入DSP進行參數的計算和處理。電氣參量采集與處理的流程如圖7所示。
2.1.2 環境參量采集流程
與電氣參量不同，環境參量的采集經過A/D轉換后，不用經過DSP，而是直接寫入ARM，具體采集流程如圖8所示。
2.2 開關量輸入輸出流程
開關量輸入輸出模塊的作用是監測箱變內部電力裝置的開關狀態，并通過GPRS通信技術及時將狀態信息發送給遠程監控中心，同時接收監控中心的遙控指令，通過控制相應繼電器控制開關的閉合。開關量輸入輸出的具體序流程如圖9和圖10所示。
2.3 GPRS通信流程
GPRS模塊的主要功能是實現箱變監控系統與監控中心的遠程通信。首先初始化數據緩存區和標志信息，當GPRS模塊接收到ARM的AT指令后，完成啟動，然后向監控中心的IP地址發起網絡連接，連接成功后按照設計的數據格式向監控中心傳輸數據。GPRS通信流程如圖11所示。
2.4 軟件功能模塊及其實現
為方便工作人員監控箱變的運行狀態，實現“四遙”功能，并進行數據查詢、故障預警、能效分析等操作，箱變智能遠程監控系統配有上位機監控軟件。該軟件采用JavaScript和HTML設計前端界面，用C#開發后臺處理程序，實現了實時監控、統計分析、用戶管理等功能。軟件功能、系統主界面如圖12和圖13所示。
3 結論
本文針對箱式變電站監控系統實時性差、功能不健全等問題，基于雙核技術和GPRS無線通信方式，給出了模擬量采集、開關量輸入輸出等模塊的硬件工作原理圖和軟件實現流程圖，研發了一種基于ARM與DSP的箱式變電站智能遠程監控系統。該系統用DSP采集和處理數據，用ARM完成通信接口、人機接口和I/O控制等外圍工作，充分發揮DSP和ARM的優點，解決了數據采集和處理時滯性等問題。同時，該系統能夠對溫濕度、凝露、煙感等環境參量，電壓、電流、功率、頻率、諧波、負載等電氣參量以及開關量同時進行智能化遠程監測和控制，還實現了數據查詢、故障預警、能效分析等功能?？偟膩碚f，本文研發的箱變智能遠程監控系統，實時性高，功能全面，性能優越，運行穩定，對實施防御性維護、提高供電質量以及節能降耗等都具有重要意義。
參考文獻
[1] 張瑞霞.淺析箱式變電站的發展前景[J].科技與創新，2016(3)：29-30.
[2] 趙永生，劉海峰，梁文武，等.智能變電站同步整組試驗方法[J].中國電力，2015，48(5)：156-160.
[3] 于建軍.箱式變電站的特點及應用探討[J].變壓器，2017，54(8)：37-39.
[4] HU Y，MENG Q K，ZHANG Y L，et al.Construction of intelligent power distribution system in box-type substation based on field-bus technology[C].IEEE 18th International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management，2011：580-583.
[5] 黃新波，吳孟魁，朱永燦，等.箱式變電站智能監測裝置設計[J].中國電力，2016，49(5)：116-122.
[6] 黃紹平，李玲，聶渝磊.基于單芯片傳感器的箱式變電站溫濕度監控裝置的研制[J].高壓電器，2009，45(5)：133-135，140.
[7] 馮利民，莫易，張巖.箱式變電站智能綜合管理終端的設計[J].電力自動化設備，2003(5)：36-38.
[8] 郭文敏，徐曉紅，張群.箱式變電站監控系統[J].電測與儀表，2003(1)：54-57.
[9] WIESLAW G，WLODZIMIERZ G，PRZEMYSLAW W.The expert transformer monitoring system in substation structure[C].International Conference on High Voltage Engineering and Application，2010：524-527.
[10] KHRUSLOV L，ROSTOVIKOV M，SHISHOV V.Web-based power quality monitoring system of smart transformer substation RTP-34 MPEI for engineering education[C].8th International Scientific Symposium on Electrical Power Engineering，2015：388-391.
[11] SPACK H，SCHUPFERLING B，RIEMENSCHNEIDER J，et al.Intelligent transformer substations in modern medium voltage networks as part of “smart grid”[C].7th Mediterranean Conference and Exhibition on Power Generation，Transmission，Distribution and Energy Conversion，2010：1-7.
[12] 劉大偉，王蘇洲.基于ARM+DSP+FPGA的機器人多軸運動控制器的設計與研究[J].制造技術與機床，2017(7)：100-104，108.
[13] 郭耀華.基于ZigBee和GPRS網絡的智能變電站設備溫度無線監測系統[J].儀表技術與傳感器，2014(1)：79-82.
[14] 何碧漪，周國平，丁健強，等.一種基于WSN和GPRS的箱式變電站監控系統設計[J].現代電子技術，2016，39(17)：35-38.
作者信息:
張 翠，高新勤，李 楠
（西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，陜西 西安710048）