变电站在线操作无线控制器的设计与开发

黄建林 王靖晖

摘要

本文简单介绍了一种无线控制器的硬件及软件的设计与开发。与传统的在线式微机防误系统相比，应用无线控制器的微机防误系统摒弃了铺设大量电源及信号线缆的缺点，降低了系统的运维成本，保留了系统实时性的优点。

【关键词】无线控制器 变电站 实时性 防误

1 概述

变电站微机防误系统的广泛运用，为电网、设备及人身安全稳定运行提供了技术保障。然而目前市场上的在线式微机防误闭锁系统中，大量锁具的电源、信号线缆使得系统成本居高不下，大大降低了性价比;同时，由于锁具线缆的存在，现场的施工非常复杂，甚至有变电站受限于客观因素根本无法进行电缆沟的二次施工，并且锁具处于离线状态，其解闭状态无法得到保证，存在忘记闭锁的风险。

为减少现场施工难度，降低微机防误系统的运营成本，在保证现场操作实时性要求的前提下，本文开发了一款无线控制器。该控制器通过无线网络与微机防误主机实时通讯，实时将锁具的状态反馈给防误主机，防误主机结合锁具状态及设备状态进行实时的防误判断，有效避免了变电站倒闸操作过程中误操作的发生。下面将从硬件及嵌软方面简述该无线控制器的设计与开发。

2 硬件设计

为满足在线微机防误系统的实时性设计要求，无线控制器通过无线网络与防误主机通讯，通过信号线与在线锁具直接连接，采用移动电源供电方式。无线控制器主要包括主控板及与主控板连接的通信模块、地址存储模块、锁具状态采集模块、电源模块及锁具供电控制模块。其具体的模块结构图如图1所示。

2.1 主控板

主控板是整个系统的核心，采用德州仪器MSP430超低功耗微控制器系列MSP430F21221PW，该芯片属于超低功耗微控制器，具有一个基于RISC的16位CPU寄存器，带有两个内置的16位定时器，一个通用串行通信接口，具有集成基准和数据传输控制器（DTC）的10位A/D控制，以及多达24个I/O引脚。

主控板采用HART方式与通讯模块通讯，通过嵌入式软件的主程序控制各模块工作。

2.2 通讯模块

通讯模块采用近距离、低功耗、低传输速率的Zigbee通讯芯片ZICM2410P2-1C-SN，该芯片遵从ZigBee规范和IEEE802.15.4标准，它由一个含有基带modem的射频收发器、硬连线的MAC和内嵌8051内核的微控制器（带有内部Flash存储器）组成，包括多个通用I/O引脚、定时器、UART、SPI等，高度集成的设计缩减了元件数量及功率消耗。

2410与主控板通过RS232串行通信接口进行数据的传输，再通过组建具有冗余链路和自愈能力的网状网进行数据上下行传输。该模块通电后与防误主机进行实时信息交互，向防误主机发送无线控制器的地址信息，实时获取防误主机下发的操作指令及回传锁具状态信息。

3 嵌软设计

无线控制器的软件设计是主控板的灵魂，用来控制与协调各模块间的工作。

首先启动系统，初始化系统及FLASH，再开启通讯模块;接着初始化本机地址即本机身份，为上报本机地址做准备;然后系统通过通讯模块上报本机地址，再进入模式配置状态，系统可进入1低功耗、2发送解锁请求并等待应答、3等待解锁并汇报、4等待闭锁并汇报等状态，系统默认处于1低功耗状态。具体主程序控制流程如图2所示。

系统通过定时器AO中断程序控制状态，當锁具状态采集模块检测到按键唤醒操作时，主程序进入状态2发送解锁请求并等待应答状态，接收到允许解锁应答后，主程序启动锁具供电控制模块给锁具供电，同时进入3等待解锁并汇报状态;当锁具状态采集模块检测到按键解锁操作时，主程序接收到解锁信息后进入4等待闭锁并汇报状态;当接收到闭锁信息后，主程序停止给锁具供电，并进入1低功耗状态。定时器AO中断控制流程如图3所示。

系统UARTO中断服务流程如图4所示。

4 应用

无线控制器通过无线方式实时将现场设备状态反馈给防误主机，免去了信号线缆的铺设，降低了变电站微机防误系统安装中的施工难度，以及运维成本。采用无线控制器进行操作的步骤如下：

（1）启动无线控制器：通过预留接口接入移动电源后即可启动无线控制器;

（2）发送地址信息，进行操作位置确认：无线控制器通过无线网络向防误主机发送地址信息，防误主机判断当前操作地址是否正确，正确则下发允许解锁指令至无线控制器，若当前操作设备地址信息不正确，则无线控制器指示灯闪烁三次并熄灭，同时防误主机给出提示信息;

（3）启动锁具供电：无线控制器接收到防误主机下发的允许解锁指令后，电源给锁具供电，锁具指示灯亮起，锁具可解锁;

（4）采集锁具状态：锁具供电后，锁具可进行解锁操作，无线控制器实时的采集锁具状态并反馈给防误主机，接收到锁具解锁成功信息后，锁具指示灯保持常亮状态，等待锁具闭锁;

（5）操作人员操作设备后，再闭锁锁具，无线控制器采集到锁具的闭锁状态并发出闭锁状态指示信号，断开锁具供电并发出断电指示信号;

（6）移除移动电源，无线控制器复位并发出复位指示信号。

5 结束语

与传统的变电站在线式微机防误系统相比，应用无线控制器的微机防误系统摒弃了铺设大量电源及信号线缆的缺点，降低了系统的运维成本，保留了系统实时性的优点，做到真正的实时防误，并且通过无线控制器实时采集锁具状态，锁具未闭锁时给出警示，可避免因忘记闭锁锁具而误操作设备的风险，为现有变电站的防误升级改造提供了技术保障，从而有效的保障电网的安全稳定运行。

参考文献

[1]孔英会，傅向苑，陈智雄等.基于RFID和ZigBee的接地线在线监测系统设计[J].电测与仪表，2015，52（16）：1-5.

[2]黄建林，刘国勇，张庆辉等.一种嵌入式配电网防误方案研究[J].供用电，2015，32（04）：68-71.

[3]胡巨，陈宏辉.一种新型的变电站在线式五防系统的实现[J].电力系统保护与控制，2010，38（19）：118-121.

[4]蒋宏图，袁越，程伟.智能变电站站控层在线防误的设计与实现[J].电力系统自动化，2013，33（08）：147-151.