电网故障录波装置定值远程操作平台的设计

王建勋，马丽红，刘大鹏，吴奎忠，崔运海，郭明宇，黄勇

（吉林电力调度控制中心，吉林吉林　430000）



电网故障录波装置定值远程操作平台的设计

王建勋，马丽红，刘大鹏，吴奎忠，崔运海，郭明宇，黄勇

（吉林电力调度控制中心，吉林吉林430000）

摘要：为了使电网故障录波装置定值操作更加方便，设计并实现了一种电网故障录波装置定值远程操作平台，远程操作人员经互联网通过登录嵌入式服务器的网站实现电网故障录波装置定值的远程操作。将主控制模块作为整个电网故障录波装置定值远程操作平台的核心，通过Atmegal28L单片机对采集到的电网故障录波装置信息进行定值处理，向执行模块发送操作指令。利用无线通信模块实现嵌入式服务器和电网故障录波装置现场各模块之间的信息交换。通过信号采集模块获取电网故障录波装置的数据，对图像传感器采集波形图进行预处理，完成数据的传递。利用执行操作完成电网故障录波装置的定值操作。软件设计过程中，对电网故障录波装置定值远程操作平台进行了详细的分析，给出了定值操作的程序代码，仿真实验结果表明，所提系统具有很高的可行性及实用性。

关键词：电网故障录波装置；定值；远程操作

Project supported by National Natural Science Foundation of China（65148569）；The Science and Technology Projects of State Grid Corporation of China（SGJL000DLCJS1500210）.

随着科技的逐渐发展，现代电力网络向大电网、超高压发展已经成为必然趋势[1-2]。随着电力体制的改革和电力系统规模的逐渐扩大，现代电力系统对故障录波装置准确性、实时性等方面的要求也越来越高[3-4]。落后的数据传输技术已无法满足电力系统的要求。因此，设计一种电网故障录波装置定值远程操作平台具有重要意义，已经成为相关学者研究的重点课题，受到了越来越广泛的关注[5-6]。

目前，有关电网故障录波装置定值远程操作平台的研究有很多，其中，文献[7]主要分析了电网故障录波装置的电源及通信方面，所实现的操作功能较少；文献[8]只分析了电网故障录波装置的电压监测系统，研究内容较为详细，然而串口通信实现非常复杂，不适用于实际应用；文献[9]设计了远程控操作系统，和单片机实现信息交换，但没有实现和电网故障录波装置的通信问题；文献[10]在C++环境下，设计了电网故障录波装置定值远程操作系统，完成了基本操作，但耗费的时间和能耗均较多。

针对上述研究的弊端，设计并实现了一种电网故障录波装置定值远程操作平台，给出了平台的总体设计和各模块的硬件结构。对电网故障录波装置定值远程操作平台进行了详细的分析，给出了定值操作的程序代码，仿真实验结果表明，所提系统具有很高的可行性及实用性。

1　平台总体设计方案

电网故障录波装置定值远程操作平台采用C/S（客户机/服务器）模式结构，服务器采用嵌入式服务器，将现场控制系统作为客户机实现对电网故障录波装置的定值操作，将采集到的信息传输至嵌入式服务器，远程操作人员经互联网通过登录服务器的网站实现电网故障录播装置定值的远程操作。

系统主要由嵌入式服务器、主控制模块、无线通信模块、信号采集模块和定值远程操作模块构成，详细结构用图1进行描述。

图1　系统总体结构Fig. 1 System overall structure

2　平台硬件设计

2.1嵌入式服务器

远程操作人员经互联网通过登录嵌入式服务器的网站可实现电网故障录波装置定值的远程操作。嵌入式服务器的硬件结构主要由核心处理器、开发板、以太网接口、扩展芯片、电源模块等构成，详细结构如图2所示。

嵌入式服务器的核心处理器S3C2440采用韩国三星公司生产的基于ARM920T内核的嵌入式微处理器。该微处理器采用飞凌公司生产的TE2440开发板。高模块的以太网接入网络将CS8900芯片作为网络接口扩展芯片的Bank6。电源模块采用+5 V的直流稳压电源和DC-DC电源芯片AS1117。

图2　嵌入式服务器Fig. 2 Embedded server

2.2主控制模块

主控制模块为整个电网故障录波装置定值远程操作平台的核心，该模块通过核心处理器对采集到的电网故障录波装置信息进行定值处理，同时向执行模块发送操作指令。主控制模块主要包括核心处理器、无线通信模块、用户手动控制键盘、时钟模块、扩展接口和电源模块组成，详细硬件结构用图3进行描述。

图3　主控制模块硬件结构Fig. 3 The hardware structure of the main control module

主控制模块的核心处理器需具备体积小、集成度高、成本和功耗低等特点，因此，系统采用ATMEL公司的Atmegal28L单片机作为核心处理器。Atmega128L利用I/O端口实现nRF905无线通信模块的状态接口、模式接口和SPI接口。电源模块采用稳压芯片74LVC4245保证无线通信模块正常工作。主控制模块中的时钟模块选用时钟芯片DS1302完成计时，以减少Atmega128L的工作压力。主控制模块通过Atmega128L的PA0～PA3引脚形成控制键盘的行线，使用户能够手动控制键盘。

2.3无线通信模块

无线通信模块主要用于嵌入式服务器和电网故障录波装置现场各模块之间的信息交换。

平台采用nRF905芯片作为无线通信模块的核心，nRF905芯片是目前集成度最高的无线通信产品。

nRF905的工作模式主要依据PWR_UP、TRX_CE和TX_EN 3个引脚的设置实现，无线通信模块的配置字均可通过SPI接口传输至nRF905。通过nRF905的特点及工作模式对无线通信模块的硬件结构进行设计，nRF905无线通信模块电路图如图4所示。

图4　nRF905无线通信模块电路图Fig. 4 The circuit diagram of nRF905 wireless communication module

2.4信号采集模块

信号采集模块主要用于获取电网故障录波装置的数据，对图像传感器采集波形图进行预处理，同时完成数据的传递。信号采集模块主要包括核心处理器、无线通信模块、电源模块和图像传感器等，详细结构用图5进行描述。

图5　信号采集模块Fig. 5 Signal acquisition module

将ATMEL公司AVR系列的Atmega16单片机作为本模块的核心处理器。图像传感器采用Aptina公司的MT9P031型号传感器，该传感器能耗低，动态性能好，适用于电网故障录波装置信息的采集。信号采集模块的无线通信模块接口等和主控制模块相似。

2.5执行操作模块

执行操作模块主要负责实现电网故障录波装置的定值操作。该模块由Atmega16单片机、SPI通信接口、无线通信模块、大电流驱动器和电源模块组成，详细结构用图6进行描述。

图6　执行操作模块硬件结构Fig. 6 The hardware structure of the execution module

将Atmega16单片机作为执行操作模块核心，其能够获取较宽频率的脉冲波，形成高精度的波形，适用于定值操作。执行操作模块通过ULN2003A驱动芯片提高执行设备的执行能力。

3　软件设计

3.1软件设计流程图

本文设计的电网故障录波装置定值远程操作平台的软件，在Windouws 7.0运行环境下，利用Visual C++ 6.0实现，详细的软件程序设计流程用图7进行描述。

图7　软件设计流程图Fig. 7 Software design flow chart

3.2代码设计

具体实现代码如下：

4　仿真实验分析

为了验证本文设计的电网故障录波装置定值远程操作平台的有效性，需要进行相关的实验分析。实验将传统基于计算机视觉的定值远程操作平台作为对比进行比较分析。

分别采用本文系统和传统基于计算机视觉系统进行电网故障录波装置定值远程操作，对两种系统所需的处理时间进行比较，得到的结果用图8进行描述。

图8　2种系统处理速度比较结果Fig. 8 Speed comparisons of the two processing systems

分析图8可以看出，采用本文系统所需的处理速度一直低于传统计算机视觉系统，这是因为本文系统采用无线通信，能够实时进行远程操作。

采用本文系统和计算机系统得到的误检率比较结果用图9进行描述。

图9　2种系统误检率比较结果Fig. 9 Results of the error detection rate comparison of two kinds of systems

分析图9可以看出，和计算机视觉系统相比，采用本文方法获取的系统的误检率明显降低，同时一直低于计算机视觉系统，说明本文系统的正确性更高。

5　结语

设计并实现了一种电网故障录波装置定值远程操作平台，远程操作人员经互联网通过登录嵌入式服务器的网站实现电网故障录波装置定值的远程操作。将主控制模块作为整个电网故障录波装置定值远程操作平台的核心，通过Atmegal28L单片机对采集到的电网故障录波装置信息进行定值处理，向执行模块发送操作指令。利用无线通信模块实现嵌入式服务器和电网故障录波装置现场各模块之间的信息交换。通过信号采集模块获取电网故障录波装置的数据，对图像传感器采集波形图进行预处理，完成数据的传递。利用执行操作完成电网故障录波装置的定值操作。软件设计过程中，对电网故障录波装置定值远程操作平台行了详细的分析，给出了定值操作的程序代码，仿真实验结果表明，所提系统具有很高的可行性及实用性。

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王建勋（1965—），男，硕士，研究员，研究方向为电力系统继电保护；

马丽红（1964—），女，硕士研究生，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护。

（编辑徐花荣）

Design of the Set-Value Remote Operation Platform of the Grid Fault Wave Record Device

WANG Jianxun，MA Lihong，LIU Dapeng，WU Kuizhong，CUI Yunhai，GUO Mingyu，HUANG Yong
（Jilin Electric Power Dispatching and Control Center，Jilin 430000，Jilin，China）

ABSTRACT：To make the set-value operation of the grid fault wave recording more convenient，the paper designs and implements a remote operation for the device by which the remote operation personnel can realize the remote operation of the grid fault wave recording device through the embedded server website via the Internet. The main control module is taken as the core of the set-value remote operation platform of the whole grid fault wave recording device and the set-value treatment is performed by Atmegal28L for the information collected and operation orders are sent to the executable module. The wireless communication module is used to realize the information exchange between the embedded server and all the on-site modules of the grid fault wave recording device. Data of the grid wave fault recording device is obtained through the signal acquisition module and pre-processing is done on the waveform image of the image sensor and the data transmission is accomplished. The execution operation is used to complete the whole set-value operation. The detailed analysis is done on the remote operation platform in the design and the program code is given to the set-value operation. The simulation results show that the system proposed in this paper is highly feasible and practical.

KEY WORDS：power grid fault wave record device；fixed value；remote operation

作者简介：

收稿日期：2015-10-13。

基金项目：国家自然科学基金（65148569）；国家电网公司科技项目:故障录波装置定值远方控制研究（SGJL000DLCJS1500210）。

文章编号：1674- 3814（2016）03- 0062- 06

中图分类号：TP273

文献标志码：A