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1、基于ARM的变电所远程无线监控系统设计摘要： 在这个信息高速发展的时代，应用先进的信息技术成为人们主要的研究方向。基于现有信息技术的许多产品也应用而生。电力作为国民经济的主要支柱产业，更是受到人们的青睐。依托现有的信息技术大大提高了电力系统运行的安全性、可靠性和经济性。变电所作为电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所，是电能输送过程中重要的环节。嵌入式系统以其经济高效、使用方便的特点得到了广泛的应用。本课题即是基于ARM的变电所实时参数的监测，借助于技术成熟、应用普遍的中国移动GPRS业务实现变电所电力设备运行参数的监控及无线传输系统。该系统具有传输速率高、成本低并能够直接与I
2、nternet互连等特点，能对变电所电力设备运行参数进行实时远程监控。关键词： ARM 远程监控 GPRS 无线通信1 选题背景、目的意义变电所是电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所。为保证电能的质量以及设备的安全，在变电所中还需进行电压调整、潮流（电力系统中各节点和支路中的电压、电流和功率的流向及分布）控制以及输配电线路和主要电工设备的保护。电力系统中各重要节点的电压、电流、用电量及绝缘设备老化程度等都对整个电力系统的安全稳定运行起着关键作用，因此，对它们的监测技术也就尤为重要。对于现场以及相应节点电压电流、绝缘老化、用电量的监测，一般都在现场安排了专门的测量仪器和监控设备
3、，这些设备的测量数据传统上以远动技术来传递到控制中心，而远动也一直为电力系统的安全运行做出了重要的贡献。但随着时代的发展，对电力系统的远程监测提出了新的要求，如对变电站的声音、图像、烟火监控，而远动技术由于其自身的局限性，如远动数据流量小、需专用数据通道、灵活性差，己经不能胜任新的要求了，迫切需要一种新的技术应用于电力系统远程监测2。电力系统的远程监测是近年来得到迅速发展并受到电力系统有关运营、管理、科研等部门工程技术人员日益关注的一个新的研究领域，是目前国际上的一个研究热点。它的发展和采用，对电力系统的安全运行具有重要意义，具有明显的经济效益和社会效益。随着传感器技术、计算机技术、通信技术、
4、智能技术等相关领域技术的发展以及远程监测技术本身的发展，越来越多的新技术将在远程监测中得到应用。其中，小波变换、神经网络、专家系统将得到特别的重视。可以预见，远程监测将发展成为电力系统中不可或缺的一部分，远程监测技术本身也可能发展成为一个新的交叉学科。同时，远程监测也将是一个巨大的市场，对远程监测系统的开发研究也具有巨大的经济上的吸引力2。 中国移动通信集团公司的通用分组无线业务（General packet radio service）网络在2002年5月就已正式投入商业运营，它提供了因特网的无缝接入功能，为移动数据业务开辟了崭新的途径。6该项业务的技术已相当成熟且安全、可靠。以其传输速率高
5、、连接方便且价格低廉的特点更是得到了广泛的应用。 嵌入式系统是21世纪具有广阔发展前景的技术方向之一。随着微电子技术、网络技术等信息技术的飞速发展、对嵌入式应用的设计要求越来越复杂已有的基于8/16位单片机的嵌入式应用已经逐渐让位给基于32位嵌入式微处理器的嵌入式应用在种类繁多的32位嵌入式CPU中，基于ARM（Advanced RISC Machines）CPU内核的嵌入式微处理器所占的比例最高，而且它基于RISC架构3。自从20世纪70年代初出现嵌入式系统的概念以来，嵌入式系统以其高性能、低损耗等特点高速发展1。 变电所在电力系统电能的传送中起着重要的作用，为了确保供电的安全、可靠和经济，
6、需要对变电所的运行状态进行实时监测，即对变电所中的一次、二次设备的一些参量进行实时监测，进而使电力系统连续运行。本课题就是运用现有的无线通信技术对变电所中的一次、二次设备的参量进行实时远程监控。本课题以电力远程监测系统领域现阶段的技术为参考，提出了一种基于ARM内核的高性能的嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统的电力远程监测系统。2. 电力设备远程监控的发展现状2.1 国内的发展状况11我国对电力设备远程监控技术的研究与应用起步较晚，但随着电力企业的快速增长及电网改造工作的全面深入，电力设备远程监控行业得到了迅速发展。据不完全统计，全国从事电力设备远程监控系统生产和研制的单位己有100余家国家知
7、识产权局受理的自动抄表系统的专利己有近200项。6我国电力监控远程控制系统历史可追溯到50年代初。早期的遥测为模拟式，遥测装置与遥信、遥控分开。远动装置使用的元器件主要是电子管、电磁继电器和继续式步进选线器等，工作速度低、容量小、维护工作量大、可靠性差。60年代研制了以半导体元器件为主的无触点式的远动装置，采用数字式将遥测、遥信、遥控和遥调综合于一体，称为数字式综合远动装置，其工作性能有了明显的提高。该类装置按布线逻辑方式构成，电路一经确定难以更改，在功能和容量方面受到限制。70年代后期研制成功可编程式的远动装置，具有适应性强、扩展方便等优点。80年代末，微型计算机的发展为远动提供了强有力的技
8、术支持，采用微机使远动技术进入了一个崭新的时代，其主要优点是适应性强、功能和容量扩展方便、便于通信等优点。1987年，清华大学电机工程系研制成功我国第一个变电站综合自动化系统，在山东威海望岛变电站投运。进入九十年代后，由于数字保护技术的发展，才使得变电站综合自动化技术产生了一个飞跃，使这项技术在我国进入了实质性发展阶段。目前国内外生产的远动装置都采用微机为基础，随着DSP和嵌入式计算机的发展，远动装置形成硬件、软件模块化，通信网路化，通信信道专用化和界面图形化等特点。如南瑞集团的ISA一1及DISA、北京哈德威四方的CSC2000、山东大学的ES60、和东电子的DF3003系列在国内具有较大影
9、响。纵观我国电力系统变电站自动化发展历程，我们可以把它划分为三个阶段。第一阶段即在早期，调度员和变电站的联系主要是电话，由变电站值班人员定时打电话向调度员报告本站的电流，电压，功率等数据，调度员根据情况汇总、分析，花费很长时间才能掌握系统运行状态的有限信息。第二个阶段为80年代初期，远动技术的发展为变电站自动化提供了技术依据，远动终端、微机保护、故障录波等装置相继更新换代，实现了微机化，因此统一考虑变电站二次回路各种功能的集成化自动化系统成为可能。调度员可以随时看到这些运行参数和全系统运行方式，还可以立刻“看到”开关等设备的事故跳闸(模拟屏上相应的图形闪光)。调度中心可以有效地对全局供电系统的
10、运行状态进行实时的监控，还可以在调度中心直接对某些开关进行投入和切除的操作。这种布线逻辑式的装置的采用，使变电站的监控系统可以实现遥测、遥信、遥控、遥调的功能。80年代中期首先在一些城市变电站和电力系统超高压变电站、发电厂引进国内外技术或国内研制的简单监控装置，取得成功运行经验。第三个阶段大约从九十年代开始，初始阶段主要研制和生产集中式的变电站自动化系统，例DISA一1型，BJ一1型，iES一60型，XWJK一1000A型，FD一97等。九十年代中期开始研制分散式变电站自动化系统。2.2 国外的发展概况11国外变电站自动化研究早在70年代就开始了，比我国的变电站自动化工作大约早了十年。国外变电
11、站监控系统已经历了三代变革。第一代产品为独立结构，不同功能(如闭锁、保护、当地控制和远方控制等)均由独立的部件完成，因而造成多重数据采集和分配，由于信息和资源不能共享，以致额外开销相当昂贵。我国有相当一部分变电站目前还处于这种情况。第二代产品为部分综合结构，在变电站的远动装置RTU中实现了部分综合，然后通过控制中心再进行综合。第三代产品为完全综合化结构，整个系统为总线拓扑的分布式网络控制，这代产品比较先进，代表着当前变电站监控系统的发展方向。1975年由关西电子公司和三菱电气有限公司合作，研究配电变电站数字控制系统。1979年9月完成样机，称为SDCS一1型，12月在变电站安装运行，1980年
12、开始商品化生产。SDCS一1型由13台微机组成。八十年代已有分散式变电站自动化系统问世，西门子公司1985年在德国汉诺威投运了第一套分散式变电站自动化系统LSA768。该系统包括远动四遥的测控部分6MB51(全分散式)或6MB55(集中与分散相结合式)、微机保护系统7S/7U(包含过流及过负荷保护、距离保护、变压器差动保护、主变和发动机保护等)和开关闭锁系统8TK三大部分，具有标准光纤通信接口。至1993年初已有300多套系统在德国及欧洲的各种电压等级的变电站运行。ABB公司的变电站自动化系统有适用于中低压变电站的SCSl00和适用于高压变电站的SCS200两种。SCSl00的计算机、NET部
13、件和SRIO单元完成遥信、遥测、遥控功能，间隔级的SPACOM模块完成保护功能和I/O功能，其模块单元种类丰富，组态灵活，在硬件结构上将保护、控制、闭锁等集成一体。SCS200将完成对整个变电站的监视和控制，分为段级和站级两部分，而每条线路、每台变压器等一次设备的保护、控制和监视功能由段级单元完成，段级单元相互独立;站级控制包括三个独立的单元:人机对话、管理全站的后台计算机和与远方通信的规约转换器。德国AEG公司的变电站自动化系统ILS，其基本结构类似于西门子LSA，不同之处在于控制部分采用PLC可编程逻辑控制器，站级主机采用了MUUBUS-n技术或工控机。美国GE公司的变电站自动化系统由G-
14、 ET站控级、数字式线路保护DLP、数字式线路侧控DLM组成。采用光纤将这三部分连接，站控级使用了工业控制机。另外还有美国西屋公司、法国阿尔斯通公司、瑞士Landis&Gyr公司等，站控级与间隔级一般使用星形光纤接入，也有采用LAN、IEEE802.3和IEEE802.4标准的。3. 变电所无线监控系统体系设计3.1 变电所概述3.1.1 变电所简介变电所是电力转换站，是联系发电厂和用户的中间环节，是电网中线路的连接点，起着变换电压、交换功率和汇集分配电能、控制电力流向、调整电压的作用10。从发电厂送电到用户家中的过程中，变电所扮演的角色，可比喻为高速公路的交流道，车辆在上高速公路前须在交流道
15、先行加速。同理，电厂发出的电要先经过变电所升高电压才可大量快速的输送。车辆要进入市区，必须下高速道减速慢行，再驶向大街小巷。同样的，高压电须经过变电所降低电压才可依序分送各地，并逐段降低到用户可使用的电压 7。为维持供电品质，避免用户有电压下降问题，变电所应尽量设在负载中心，也就是说，变电所要尽可能靠近用电多的地方，像交流道或车站若离市区太远，就失去设站的一般意义。变电所若远离负载中心，不仅送电损失大，而且用户电压降低，频率不稳定，会影响用电品质7。变电所一次系统一次系统主接线主变压器高、低压配电装置继电保护和控制系统直流系统远动和通信系统图 1 变电所组成主接线是变电所的最重要组成部分。它决
16、定着变电所的功能、建设投资、运行质量、维护条件和供电可靠性。一般分为单母线、双母线、一个半断路器接线和环形接线等几种基本形式。主变压器是变电所最重要的设备，它的性能与配置直接影响到变电所的先进性、经济性和可靠性。一般变电所需装23台主变压器；330 千伏及以下时，主变压器通常采用三相变压器，其容量按投入5 10年的预期负荷选择。此外，对变电所其他设备选择和所址选择以及总体布置也都有具体要求 。变电所继电保护分系统保护（包括输电线路和母线保护）和元件保护（包括变压器、电抗器及无功补偿装置保护）两类。变电所的控制方式一般分为直接控制和选控两大类。前者指一对一的按纽控制。对于控制对较多的变电所，如采用直接控制方式，则控制盘数量太多，控制监视面太大，不能满足运行要求，此时需采用选控方式。选控方式具有控制容量大、控制集中、控制屏占地面积较小等优点；缺点是
