智能电网设备手持终端控制器设计

张亮

摘要：三相电网运行过程中的电参量精确检测是实施电能质量控制、提高能源利用率的重要环节。智能设备和自动化设备的加入改变了电网终端设备的运行方式和运行特性。为方便电力维护人员的现场操作，设计一种应用于智能电网设备的手持终端控制器。鉴于此，本文将电网进行自动化和智能化改造前后的情况进行了对比并指出了对应的终端设备运行和维护要点。

关键词：智能电网；手持终端；控制器；设计

1 导言

现阶段10kV配电网中应用的智能设备品种很多，如智能电表、永磁开关控制器、综合保护装置等，这些设备需要电力维护人员定期到现场对其进行巡查检修。智能手持信号采集系统，主要用于三相电网的实时数据采集，实现信号的采集与处理，完成电网运行情况的监测、报警、记录、打印报表、回放等一系列功能，能够实现多路信号的数据采集处理，同时可以根据实际使用情况外扩采集板卡来满足更高层次的需求。

2 手持终端控制器的系统框架

手持终端控制器（以下简称掌机）主要由微处理器MCU、可充电锂电池、充电电路、电源管理电路、矩阵键盘、LCD显示器、通信接口电路（红外、RS485、RF无线模块）、时钟电路、存储器等几大部分功能模块组成。系统方框图如图1所示。

充电电路对锂电池充电后锂电池为掌机提供工作电源，微处理器MCU启动工作后将矩阵键盘输入的设置参数和相应的控制命令显示在LCD显示器上，并通过通信接口，如红外、RS485或者RF无线模块发送和接受控制终端的数据，并对数据进行存储。微处理器MCU通过电源管理电路控制掌机的功耗，让掌机在休眠状态时进入低功耗模式。

3 智能手持信号采集系统设计

该系统主要由对信号进行采集处理的数据采集处理电路和实现数据存储、显示及传输的主控电路两部分构成，其中数据采集处理核心采用DSP处理器中的TMS320F2812，实时监测电网数据并且进行上报，对出现瞬间断电、模拟量故障等紧急情况立即报警.主控电路的控制核心采用ARM嵌入式处理器STM32F207，利用ARM的中断处理机制实现数据的收发、处理和人机互交界面显示功能.图2为系统总体设计框图.采用产品化设计思路，将整个系统功能集成在一块电路板上，包括ARM信号采集主机、DSP信号采集分机和电源等板卡等，所有板卡通过底板进行信号连接。

数据采集处理电路主要依靠DSP处理器实现对信号的采集和处理.DSP处理器采用TI（德州）公司生产的DSP芯片TMS320F2812，设有12个ADC采集通道，将采集的数据进行处理，通过CAN通讯通道传送给ARM处理器，并能够根据ARM处理器传输的命令进行相应的操作.这部分电路除提供其正常工作的电源电路、时钟电路、复位电路和CAN通讯电路外，还设计有JTAG仿真接口和一个掉电保护功能的I2C存储芯片，用来存储的信号零漂和标调等信息.电路中使用30MHz的有源晶振作外部时钟源。

4 智能电网设备手持终端控制器设计

4.1 主要终端设备的维护

以智能化设备和自动化设备的基本的告警以及复归响应为例。首先，智能终端设备要求能够根据监控系统上传的信息正确识别当前网络中元件的运行状态，其次根据故障信息判断故障详细情况，再次，根据其他边界条件判断是否进行复归操作将告警信号恢复。因此目前对于智能化设备和自动化设备的终端设备进行设备的维护时，其设计的设备已经不再仅仅针对于设备本身，而是关于设备、通信通道、集控逻辑的综合维护，及传统的设备、智能组件以及对应的传感装置都需要进行维护，与传统的设备相比增加了智能组件和传感装置，这也是智能设备和自动化设备在运维过程中需要特别注意的地方。

所谓智能组件是由若干个智能电子装置集成的智能元件，其主要功能是監视、测量和控制高压设备的运行。除此之外智能元件还有可能集成相关的保护逻辑。因此针对智能元件的维护中需要注意组件柜、测量、控制和保护装置的运行情况。首先，组件柜需要保持外观良好，底座和架构牢固，金属没有变形，连接部分连接牢固且没有发热现象。其次测量部分，测量装置应当保持外观良好，相关的指示仪表等都显示正常，采集装置的指示灯应当保持常亮、无闪烁。再次，控制组件，控制组件应当外观整洁、完整，电子设备的连接端子应当牢固可靠，连接金具不存在锈蚀的情景。最后，监视装置同样应当保持装置的外观整洁，端子牢固可靠，相关指示装置应当在正常工作位置，特别是电源以及表征正常运行的指示灯应当常亮。

由于智能化设备和自动化设备中采用了IEC61850 规约和 GOOSE 网进行通信，因此智能化设备和自动化设备在运行和故障处置的原理虽然和原有常规设备没有本质变化，但是其执行步骤和动作逻辑却产生了变化。其中GOOSE 报文方式取代了传统设备采用接点传递信息的方式，通过通信网络给智能终端发出相关命令并传递相互之间的启动闭锁信号、输入到智能装置中的不再是模拟量信号，而是光数字信号。状态采集量也从 24V 的直流状态信号变成了对应的光数字信号。因此在对通信终端设备进行维护时需要检查IEC61850 报文的正确与否。并且需要测量 GOOSE 网的畅通与否。

4.2 电源管理电路

掌机是由锂电池供电，需要有长时间的待机工作状态，因此电源管理电路需要有低功耗控制模式。应用电路原理图如3所示。红外通信、RS485通信、RF无线通信和液晶显示等在待机状态下不需要工作，MCU通过控制这些电路的供电电源，实现低功耗模式。图3中V_YJ电平是锂电池的电压信号，大约在3.7～4.2V之间，MCU的I/O口输出的控制电平其电压是MCU的工作电压值3.3V，因此用PNP和NPN三极管组合完成电平兼容设计，MCU通过三极管电路控制低功耗模式下的工作电源，掌机进入低功耗模式后，功耗降低到微功耗状态，工作电流为12～16μA。

4.3 信号采集数据的显示界面设计

用户图形显示界面由主界面和对应的子功能界面组成.系统初始化后进入主界面菜单，主界面有三个按钮，点击相应按钮进入下一级菜单.三个按钮对应的子菜单分别为：系统配置（包括系统校时设置、信号类型和量程设置和退出）、采集数据实时显示（包括电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、频率、功率因数和退出，有表格和曲线两种显示形式）和回放显示（包括下载回放列表和回放控制，主要完成系统采样数据的历史数据下载和回放）.

4.4 通信终端设备的维护

由于智能化设备和自动化设备中采用了IEC61850规约和GOOSE网进行通信，因此智能化设备和自动化设备在运行和故障处置的原理虽然和原有常规设备没有本质变化，但是其執行步骤和动作逻辑却产生了变化。其中GOOSE报文方式取代了传统设备采用接点传递信息的方式，通过通信网络给智能终端发出相关命令并传递相互之间的启动闭锁信号、输入到智能装置中的不再是模拟量信号，而是光数字信号。状态采集量也从24V的直流状态信号变成了对应的光数字信号。因此在对通信终端设备进行维护时需要检查IEC61850报文的正确与否。并且需要测量GOOSE网的畅通与否。

5 结束语

综上所述，目前我国电网正在如火如荼的进行自动化和智能化的改造工程。智能设备和自动化设备的加入改变了电网终端设备的运行方式和运行特性。自动化和智能化的改造不仅改进了电网设备的运行和维护模式，更为电网的管理水平提升提供了必要的硬件支持。文章指出了通信设备对于智能化设备和自动化设备的重要性，并对电网主要终端设备的运行变化和运维技术以及通信设备的运维技术都进行了阐明。希望能给相关单位一定借鉴。

参考文献

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