基于无线传输技术的高压开关柜操控系统的研究与设计

侯春光 刘为 高有华

【摘要】提出了一种基于GPRS/GSM通讯网与近距离无线模块的高压开关柜无线组网方式，并在IEC61850标准框架内设计了高压开关柜无线操控装置，可将高压开关柜的状态信息实时上传到远程数据服务器，并通过上位机和手机实现对其进行远程/本地无线操控。

【关键词】高压开关柜;GPRS/GSM;无线操控;组网方式

1.引言

传统开关柜智能操控装置一般采用有线的方式与远程上位机进行通讯，而无线传输技术在高压开关柜上的应用并不多见。由于配电系统变电站布局分散，采用有线数据传输对于较偏远地区的变电站来说会增加通讯电缆铺设的成本，加之复杂的地理环境会导致有线传输的不稳定性。在移动互联网快速发展的今天，将无线传输技术在IEC61850标准的框架下应用到电力系统智能电网建设中具有广阔的发展前景[1]。

2.高压开关柜无线操控系统

2.1 IEC61850标准

IEC61850是面向对象的电力系统无缝通信体系标准。IEC61850标准强调未来变电站自动化系统的开放性、互操作性以及技术发展和功能应用的可扩展性，强调设备数据模型标准、完整、规范，可实现间隔层设备和站级设备对过程层信息的共享[2]。

图1 系统架构示意图

2.2 基于IEC61850标准的高压开关柜无线操控系统架构描述

高压开关柜无线操装置主要应用在变电站间隔层和过程层之间，如图1所示。在过程层，无线操控装置开关量采集端节点附属在电气设备上，采集现场开关量信号并通过电缆传输至间隔层IED，同时该节点还可以接收来自间隔层的控制信息。在间隔层，无线传输节点附属在IED上，用来收集开关量信号供IED对其做出分析和判断，并对下层发送参数设置及操控指令，对上层发送开关的状态信息[3]。

无线操控装置实时监听整个过程层现场开关设备的运行状况，在间隔层和变电站层之间则采用成熟的GSM/GPRS通讯技术，通过GSM/GPRS网络把数据送往调度主站或维护人员的手机端，并从主站或手机端查看开关状态及接收、下发控制命令。间隔层间的IED则通过近距离无线传输模块nRF24L01实现[4]。

2.3 无线操控系统的实现方法

系统结构如图2所示，具体实现方法是：无线操控装置由主控制器和若干从控制器组成，并分别安装在所控制开关柜内。主控制器A中装有进行远程通讯的GSM/GPRS无线通讯模块和与本地进行通讯的蓝牙无线模块以及与各从控制器进行通讯的nRF24L01本地近距离无线通讯模块。从控制器B1、B2…Bn中仅装有与主控制器进行通讯的nRF24L01模块，其与手机/上位机通过主控制器A进行通讯。上位机通过Internet连接远程数据服务器，手机通过GSM/GPRS网络-基站连接远程数据服务器并均可与主控制器A进行通讯连接，手机在配电站本地也可通过蓝牙与主控制器A进行连接。通过以上方式与主控制器A进行验证连接后，通过发送相应指令，就可以对开关柜C实施远程/本地无线操控，对从控制器的操控是通过主控制器A转发操控指令给各从控制器实现的，以完成对开关柜C1、C2…Cn的操控。

图3 硬件结构示意图

3.系统的硬件设计

3.1 硬件组成及工作原理

开关柜无线操控装置的硬件组成见图3。整机电路由主控MCU、开关量采集电路、控制量输出电路及各无线通讯模块组成。

3.2 主控模块

主控模块的核心MCU采用STC12C5A60S2低功耗单片机[5]。通过STC12C5A60S2的输入引脚完成对开关量的采集，并将采集的开关量状态信息存储并转发给上位机。对于由上位机发来的控制指令，通过输出引脚经继电器接入合、分闸等控制回路，完成对开关的操控。设nRF24L01状态查询引脚，当无线模块收到本地控制器发来的信息之后通过该引脚给MCU产生一个高电平，MCU通过查询的方式判断此高电平之后进行下一步处理;MCU的中断引脚分别接蓝牙模块与GSM/GPRS模块的信号状态引脚，当收到信号后，这两个模块会通过该引脚产生中断服务，系统进入中断服务子程序以进行下一步操作。

3.3 无线通讯模块的设计

本装置采用GSM/GPRS模块与远程控制端进行通讯连接，采用蓝牙模块与本地手机控制端通讯连接，采用nRF24L01近距离传输模块完成控制器之间通讯，其各模块电路图如图4所示[8]。

图4 蓝牙、nRF24L01、GPRS/GSM模块电路图

图5 SIM900A供电电路

3.3.1 GSM/GPRS无线模块

如图4所示，GSM/GPRS模块通过RXD、TXD端与MCU采用串口通讯;SIM900A核心采用单电源供电，VBAT的电压输入范围从3.2V到4.8V[7]。由于模块发射的突发会导致电压跌落，这时电流的峰值最高会达到2A。因此，电源的供流能力不能小于2A，否则模块不能正常使用。采用Micrel公司的基于LDO-MIC29302BT的电源电路，实现由5～4V的压降处理给SIM900A供电，其供电电路如图5所示。

3.3.2 蓝牙无线模块

为实现通过手机本地无线连接控制器，以达到无线操控功能，本装置采用CSR核心芯片的HC-04工业级主从一体蓝牙模块，支持蓝牙V2.0协议标准，模块供电电压为3.3V～3.6V，空旷条件下通讯距离10M。模块引脚如图4所示，其11脚接模块复位电路，12脚接3.3V供电，1、2脚通过CON1端子接MCU的RXD、TXD进行串口连接。当蓝牙模块收到蓝牙连接请求后，通过24脚产生高电平送给MCU的P3.2口，作为其外部中断触发中断子程序。

3.3.3 nRF24L01无线模块

由于本装置采用主-从控制器模式，上位机对从控制器的操控是通过主控制器来中转的，故采用nRF24L01以实现从控制器与主控制器间的通讯。nRF24L01采用FSK调制，内部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst协议，可以实现点对点或是1对6的无线通信[6]。无线通信速度可以达到2Mbps，其电路如图4所示。nRF24L01的IRQ接MCU的中断引脚，当控制器接收到来自其他控制器的请求指令后，通过其IRQ引脚对MCU产生高电平，使MCU进入中断服务器子程序，完成相应的操控指令。

3.4 输入输出电路

装置设有8路开关量输入及4路控制量输出电路，其中开光量输入电路采用滤波电容的延迟作用消除高频干扰的响应。利用电容上的电压不能突变，使电压不会随触点闭合或断开时的抖动而急剧变化，消除了抖动干扰。采用光电耦合电路，将信号输入部分与MCU控制部分完全隔离。

4.控制终端的软件设计

操控终端的软件部分在Keil μVision IED开发平台下设计完成。当系统开机重启后，系统先给各单元初始化。然后判断GSM/GPRS模块是否有新的控制指令下达，如果有则会与请求端进行连接;如果没有则会等一段时间后系统进入低功耗状态，软件流程见图6所示。

5.实验研究

以10kV的VS1-12高压断路器作为实验对象搭建了无线操控系统实验平台，系统启动后，各模块进入监听状态。当对断路器做合闸操作后，指示灯闪烁，上位机软件即刻动态显示出开关状态为“合闸”;当上位机软件下达“分闸”指令后，断路器即刻产生分闸动作。实验结果达到预期效果，实现了通过远程上位机操控系统发送控制指令，并可将断路器的合、分闸状况实时上传至上位机进行记录、查询。

6.结论

随着无线传输技术与移动互联网技术的发展，基于IEC61850的数字变电站无线通讯网络的组建，促进了智能电网的进一部发展。笔者在IEC61850的标准框架下，分析了无线操控系统的整体架构，将低复杂度、低功耗、低成本的GSM/GPRS网络与nRF24L01双向无线通信技术应用于高压开关柜无线操控系统，最后通过现场实验验证了方案的可行性，满足了数字化电网就地获取信息、快速做出反应、同远程通信技术配合的要求。同时还克服了布线麻烦，维护不方便等困难。提高了系统应用的灵活性，实现了监测、操控的最优协调。

参考文献

[1]孙兴丽，刘曙光.一种开关柜智能操控装置的设计与实现[J].高压电器，2009（1）：76-80.

[2]吴在军，胡敏强.基于IEC61850标准的变电站自动化系统研究[J].电网技术，2003，10（10）：62-65.

[3]樊陈，倪益民，窦仁辉，等.智能变电站过程层组网方案分析[J].电力系统自动化，2011（18）：67-71.

[4]何杏宇，贾振堂，杨桂松，等.基于ZigBee和IEC61850的变电站监测系统[J].电力系统通信，2009，4（198）：25-29.

[5]秦相林，张海兵，张盈盈.基于STC12C5A60S2的无线温度采集系统设计[J].哈尔滨商业大学学报（自然科学版），2011，12（6）：837-840.

[6]刘志平，赵国良.基于nRF24L01的近距离无线数据传输 [J].应用科技，2008，3（3）：55-58.

[7]严雪萍，成立，韩庆福，等.基于GPRS的远程数据采集系统设计[J].微计算机信息，2008（2）：29-123+122.