无人值守变电站设备电源远控管理装置的设计与实现

郑剑波，朱鸿博，陈 煜，朱 阳，丁虹引

（国网浙江省电力有限公司临海市供电公司，浙江 临海 317000）

0 引言

随着数字化、智能化、电力自动化技术的飞速发展，远动技术逐渐走向成熟，智能电网技术深入推进，在这一背景下，220 kV 以下的变电站基本实现了无人值守的运行管理模式，但这同时给变电站设备的安全平稳可靠运行提出了更高要求。近年来，二次设备技术逐渐更新和完善，但在实际电网运行现场远动机、在线监测仪、通信管理机、规约转换设备等易出现系统崩溃、错误、死机、设备老化等故障缺陷，还存在根据调度需求强制硬复位的情况，而在电力系统行业管理规范下，传统工序从调度员发现故障信息、工作人员制定处理方案、开票到实施现场作业许可整套工作流程较为繁琐，期间耗费了大量人力物力财力，存在导致通信通道长期中断的可能，极大地影响了电力设备的连续运转，不利于电网安全平稳运行。而现有远程重启装置稳定性较差且易出现卡死现象。因此，无人值守变电站设备电源远控管理装置的研发对电网电力设备的安全、高效、平稳、连续运行意义重大。

近年来，电源远程重启装置不断向适用性强、简易、成本低、可靠性高等方向发展，而且该装置在数字地震台站、天气雷达站、城市轨道交通信号设备等方面也得到广泛应用。文献［1］将远程管理装置作用于电能质量在线监测仪，有效地解决电能质量在线监测仪死机故障缺陷，采用STM32 单片机控制继电器的通断，利用无线（Wireless Fidelity，WIFI）模块、4G无线路由器及手机应用程序（Application，APP）进行通信，提高了死机重启速率，但在信号接收较弱的山区按照上述通信方式保证正常通信以及数据传输效率仍需进一步优化。文献［2］针对无人值守地震台站设备易出现通信、死机、供电等故障缺陷，设计了一种远程电源监控系统，通过设计软件TCP/IP协议，采用远程指令控制继电器的通断，从而实现台站仪器设备的断电重启功能，该系统在故障恢复及改善数据连续率方面仍有待进一步提高。文献［3］研制了一套电源远程控制重启装置，该装置通过手机发送短信，全球通（Global System for Mobile Communications，GSM）卡接收器控制继电器通断，实现对通信设备电源远程控制重启，极大地减少了故障缺陷恢复时间，但该装置仅适用于常温干燥的环境下使用，无法应用于恶劣天气环境下。文献［4］构建了一套远程重启方案，利用用户识别（Subscriber Identity Module，SIM）卡短信及WIFI 两种方案作为通信方式，进一步优化配网安全平稳运行效率，但该方案受到一些垃圾短信的信息干扰，影响了配电网的恢复效率。文献［5］建立了变电站智能三维实景无人值守感知系统，为变电站三维图像实时监测提供了可靠经验，然而，三维信息的数据传输精度和效率有待进一步优化。文献［6］对智能巡检机器人进行优化，利用声音识别技术识别变压器、互感器等设备中的异常情况，提高了设备巡检效率，而声音识别受各种外界环境的干扰，需对声音信息进行滤波等处理。文献［7］研制了地震观测无人值守台站信息智能化观测系统，该系统保证了信号传输的效率，但该系统各个环节可能会出现相互干扰、冗余情况。文献［8］针对各变电站分布较分散，工作人员轮流值守比较困难，研制了无人值守变电站远程监控系统，该系统实现了各个系统间的交互功能，但系统交互容易引起数据采集冗余，数据信息处理效率低等问题。文献［9］为提高远程监控设备的安全维护，研制了一套基于STM32 程序远程无线升级方案，改善了监控信号无线传输通信中易出现程序异常、报错等故障缺陷。文献［10］针对嵌入式系统远程升级过程易出现无法升级等故障缺陷问题，开发了包含STM32F205VB 处理器的远程升级系统，并对系统升级的抗掉电、抗误码等可靠性进行设计，而系统升级很容易出现兼容性、程序报错等情况。文献［11］开发了一套变电站远动机远程重启装置，该装置以电网调度自动化技术为基础，且未在远动机设备上安装器件设备，采用厂站特定规约与主站控制主机实现通信，且该网络与和被控服务器分离开来，但该装置的重启效率并不高。文献［12］进行了智能变电站监控系统的设计，采用S3C2416 控制器，深入研究了以太网及RS-485 通信接口电路，实现了对变电站运行情况的实时监控功能，而未实现电气及辅助系统的交互功能。文献［13］研制了嵌入式SIM 卡配电终端，嵌入式SIM 卡环境适应性强、有利于改善终端的在线率，但其管理维护工作量仍很大。文献［14］研制了一套基于AT89S51 单片机的防漏水告警系统，当水流量达到给定阈值时，实现自动关闭阀门，通过短信告警控制器，进一步发送告警短信，保证了电站系统的安全平稳运行，但告警的准确度有待进一步优化。文献［15］将声音识别及机器人技术结合，进而判断变电站设备的运行状况，但未实现远程控制，运维人员巡检难度仍然很大。文献［16］研制了一套可适用于智能变电站的电源在线监测系统，采用IEC61850 协议通信，该系统自动化、智能化水平较高，但在线监控完整度还有待进一步改善。文献［17］针对电站远动机易出现通信异常，研制了远动机在线监测、远程运维系统，提高了故障缺陷处理效率，但实时数据恢复效率仍需改善。文献［18］针对乡镇台站监控设备长期运行易出现死机故障缺陷这一问题，对传统远程监控系统进行改进，利用电源复位器与不间断电源通信，进一步将光纤网络传回监控室，实现断电重启、实时监控的功能，但系统升级可能存在兼容性问题，以及台站设备众多数据传输效率及精度仍需完善。文献［19］研究了关于油田的配电网故障缺陷在线监测技术，采用通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）通信模式实现主站与远程通信模块双向通信，故障监测远程控制单元识别短路等故障缺陷，发现利用数字故障指示器及数据采集器作为终端的配电模式更具可靠性，但部分监测单元存在运行异常情况，故障恢复效率还需完善。文献［20］为改善城市轨道交通信号系统设备重启效率，构建了一套针对城市轨道交通信号设备的远程重启控制系统的设计思路，采用可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC），利用控制中心集中控制，该方案降低了误动作次数，但该系统故障恢复效率仍有待进一步改善。文献［21］对智能电站数据通信网关进行研究，利用各协议间转换机制，改善了通信可靠性，但在针对数据流较大、虚拟化的情形下可行性有待进一步研讨。

针对现有研究存在问题，研制一套无人值守变电站设备电源远控管理装置，旨在实现通信管理机启停智能化管理，规避一些远控管理方案的局限性，进行系统整体架构设计、硬件设计、状态判断逻辑设计、下位机软件设计及通信协议设计等，采用电力站内光纤专网进行通信，设计以太网、RS485 通信接口及人机交互的按键模块，利用交换机及路由器实现数据精准传输，进一步利用ARM 单片机处理及继电器控制等单元，实现远程控制电源通断重启设备的功能。

1 系统架构设计

1.1 变电站故障设备处理流程

传统变电站设备重启流程，如图1 所示，运行维护人员通过监控系统发现设备出现死机、卡死等故障缺陷，传统处理方案是工作人员制定检修处理方案，开具工作票、工作人员奔赴变电站（部分厂站地处高山地区、自然环境恶劣），到站后执行许可手续，现场通断电源开关重启设备，最后结束工作票，完成整套流程，整个工序费时费力，工作人员办理手续及赶赴现场作业用时较长，而变电站设备电源重启用时短，本文研究方案省去了开票、工作人员赶赴变电站、执行许可手续、结束工作票环节（步骤Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅳ），设计了一套变电站设备电源远控管理装置，实现了远程电源通断重启设备的功能，极大地缩短了设备恢复时间，尽可能保证了变电站设备的安全平稳运行。

图1 变电站故障设备处理流程

1.2 系统结构设计

系统设计结构思路，如图2所示。

图2 系统设计结构

图2中连接传输方式如下：1）屏柜（电源）装置通过远动装置电源线路与远动通信装置相连接；2）屏柜（电源）装置与电源管理装置110 V/220 V直流输入端子连通；3）电源管理装置110 V/220 V 直流输出端子与远动通信装置连接；4）电源管理装置与远动通信装置通过以太网口、RS485串口进行通信，利用交换机、路由器、加密装置等设备，采用光纤专网进行通信。

2 设计与实现

根据系统架构设计思路，下位机端使用PLC 或者单片机来实现控制需求，但考虑到成本和功能要求，低成本的单片机方案无疑是比较好的选择。下文将对单片机方案的具体实现进行叙述。

2.1 电源远程复位装置设计

电源远程复位管理装置原理如图3所示。

图3 电源远程复位管理装置原理

图3 中组成包括：电源模块、继电器控制单元、通信处理单元、接线端子等硬件、ARM 处理单元、浪涌模块、电源投切、嵌入式下位机软件等。其中，通信接口包括以太网口和RS485 串口，电源投切由110 V和220 V 直流输入两个接口，110 V 或220 V 直流输出接口，主要实现功能包括：远程复位、状态判断等。实现对远动装置等被控电源设备的远程复位管理。

2.2 电源管理装置通信实现

系统运行逻辑，如图4所示。

图4 中按照“定时+问答+循环”的设计原则，采用“双向认证握手”协议机制和“双向问答”协议机制，图4 中电源远程复位管理装置通过以太网（104规约）启动第1 次“问答”1 号远动装置；若第1 次“握手成功”，则返回主机，通过RS485串口（101规约）启动第2 次“问答”；若第2 次“握手成功”，则主机向主站系统进行“报文”，以“点表数据”的形式，将2 次“握手”成功形式报文给主站系统；2 次问答成功，以（IP，0，0）或其他形式表示。同样的运行逻辑启动对2号远动装置的“问答”和“握手”。如果在通信过程中“握手失败”，微控制单元（Micro Control Unit，MCU）并请求延时60 s 之后进行下一次“握手”，直到与电脑（Personal Computer，PC）端主站建立起正常的通信网络线路连接。

图4 系统运行逻辑

2.3 电源管理装置电路原理设计

整个装置主要起到接收PC 端下行指令和设备监控数据的上传，ARM 处理单元采用STM32F407，主频率高达168 MHz，拥有512 kB Flash 存储容量，可支持以太网、USART、SPI等常规接口功能，完全可以满足整个系统的控制需求。

2.3.1 系统电源电路设计

系统电源电路，如图5所示。

图5 系统电源电路

图5 中系统电源采用AC/DC220 V 转5 V 隔离开关电源模块提供，再通过TSP5430芯片将5 V 电源转到3.3 V，从而为单片机提供工作电源。

2.3.2 RS485通信电路设计

RS485通信电路，如图6所示。

图6 中RS485 通信电路驱动芯片选用SP3485EN，与MCU 端通过串口通信，其收发模式选择由MCU 下达指令进行切换，当RE（Recive Enable）引脚为逻辑低电平时为接收器，由从机向MCU 发送信息，RE 为逻辑高电平时为发送器。SP3485EN 由单个3.3 V 电源供电，支持低功耗半双工通信，满足RS-485 和RS-422 串行协议的规格，与Sipes SP481 引脚兼容，采用BicCMOS 工艺，允许低功率运行而不牺牲性能。在有负载的情况下，最高通信速率可达100 Mbit/s。RS485 通信方式的特点是传输速率快、通信传输距离长且可实现一台计算机控制多台控制器的通信。

图6 RS485通信电路

2.3.3 RS232通信电路设计

RS232 通信电路驱动芯片选用SP3232ENN，满足EIA/TIA-232-F 标准，供电电压从+3.0 V 到+5.5 V电源，在3.3 V 操作下只需要0.1 μF 电容，支持带负载情况下通信速率为250 kbit/s 全双工通信，可外接两路通道。RS232 通信方式的特点是通信速度慢、传输距离有限。RS232通信电路如图7所示。

图7 RS232通信电路

2.3.4 继电器电路设计

RS232 通信电路驱动芯片选用SP3232ENN，满足EIA/TIA-232-F 标准，供电电压从+3.0 V 到+5.5 V电源，在3.3 V 操作下只需要0.1 μF 电容，支持带负载情况下通信速率为250 kbit/s 全双工通信，可外接两路通道。RS232 通信方式的特点是通信速度慢、传输距离有限。继电器电路设计如图8所示。

图8 继电器电路

2.3.5 网络通信电路设计

网络通信电路如图9 所示，其中以太网模块电路结构如图9（a）所示，单刀双掷模拟开关电路如图9（b）所示。

图9 网络通信电路

图9 中网络通信选用正点原子ATK-UART 模块来实现，供电电压支持3.3～5.0 V，其具备多种通信模式，支持用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）和TCP 通信协议，10/100 Mbit/s自适应以太网接口，与MCU 的串口通信波特率最高可以到921 600 bit/s。选用集成模块开发的好处在于在保证基本功能的前提下，大大提高硬件开发效率，降低出错率。

2.3.6 EEPROM芯片电路设计

EEPROM芯片选用AT24CXX芯片，通过IIC二线式串行通信方式，该芯片小巧、可靠性高，具有保护性能、速度高、安全稳定，因此在设计集成电路（Integrated Circuit，IC）卡等领域中得到了广泛的应用。其中串行时钟总线和串行数据总线引脚需要用4.7 kΩ 电阻提高3.3 V 的供电电压，以提高线路通信的抗干扰性。EEPROM芯片电路如图10所示。

图10 EEPROM芯片电路

3 PCB板设计

PCB 板设计如图11 所示，Altium Designer 软件绘制PCB 板框布局如图11（a）所示，PCB 板实物布局如图11（b）所示。

PCB板框采用Altium Designer 软件绘制，采用模块集中化布局模式，将电源线和信号线尽量隔开，避免强电电磁对弱电信号的干扰，进行合理布线，最后制作PCB板实物。图11中包括：以太网接口，与PC端网络连接，实现数据接收；RS485 通信接口，当TCP握手不成功时，通过RS485 串口发送重新握手指令；ARM单片机，处理数据以及发出控制指令；DC 110 V电源输出接口作为预留接口；光耦继电器，实现控制开关通断功能；AC/DC 220 V 电源输入接口，为整个装置提供电源；预留电源输出接口，为其他外设装置提供电源；RS232 通信接口，预留通信接口；调试按键，人机交互使用。其中具体接线端子定义，如表1所示。

表1 接线端子定义

图11 PCB板设计

变电站设备电源远控管理装置实物，如图12 所示，其中装置背面接口如图（a）所示，装置正面信号指示灯如图（b）所示。变电站通信管理机设备是主站系统与底层设备通信关键通道，一旦通信管理机出现宕机情况，主站系统与底层设备无法建立通信，需要人工去现场手动复位，效率低，时间长，本文设计装置旨在实现通信管理机启停智能化管理，提高电站设备安全平稳运行效率，降低电站设备恢复时长，所研制的电源远控管理装置目前已完成调试，测试目标对象为变电站通信管理机。本文设计的无人值守变电站设备电源远控管理装置相对于人工现场操作可节省90%以上的时间成本，通过调试验证了装置降低了人工操作成本、节省了设备恢复时间，保证了电站设备的通信连接的稳定性，保障了变电站设备运行的可靠性，进一步有效提高了电网实时监控能力。

图12 装置照片

4 结语

为提高无人值守变电站设备出现故障缺陷恢复效率，保证电网实时监控能力，研制一套变电站设备电源远控管理装置。采用电力站内光纤专网进行通信，构建了远程电压控制合位逻辑关系程序，实现电源远控装置与远动通信装置建立TCP 连接，按照TCP/IP 协议通信，该通信方式的特点是可通过光纤延长通信距离、且通信速度快，或者采用RS485 通信方式，采用“双向认证握手”协议机制和“双向问答”协议机制，按照“定时+问答+循环”的设计原则；利用ARM 单片机处理及继电器控制等单元；下位机端使用单片机来实现控制需求，相比PLC控制方式，ARM单片机控制方式成本低且功能较齐全。主要实现了远程复位、状态判断等功能，最终满足设备远程启停或复位的需求。所研发电源远控管理装置，克服了传统人工干预方式须赶赴现场作业耗时耗力的局限性，降低了人工操作成本，简化了工作流程，节省了设备恢复时间，保证了电站设备的通信连接的稳定性，保障了变电站设备运行的可靠性，有效提高了电网实时监控能力。