基于ARM的变电所无线监控系统设计

基于基于 ARM 的变电所远程无线监控系统设计的变电所远程无线监控系统设计 摘要 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 Internet 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 关键词 ARM 远程监控 GPRS 无线通信 1 选题背景 目的意义选题背景 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 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 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 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 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电力设备远程监控的发展现状 2 1 国内的发展状况国内的发展状况 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 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 2 极低的功耗 适合对功耗要求较高的应用 如便携式产品 3 能够提供 0 9MIPS Hz 的三级流水线结构 4 代码密度高并兼容 16 位的 Thumb 指令集 5 对操作系统的支持广泛 包括 windowsCE Linux PalmOS 等 6 指令系统与 ARM9 系列 ARM9E 系列和 ARM10E 系列兼容 便于用户的产品升级换代 7 处理速度最高可达 130MIPS 高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用 S3C44B0X 采用 ARM7TDMI 内核 最大速度可以达到 66MHZ 为相关的嵌入式系统产品提供一 个较低成本高性能的解决方案 3 S3C44B0X 处理器基于 ARM7TDMI 体系结构 采用 0 25 m 的 CMOS 工艺制造并且在 ARM7TDMI 基础功能上集成了大量的外围器件 适合用于低成本的嵌入式应用系统 3 图 2 为 S3C44B0X 处理器的结构框图 S3C44B0X 主要提供了以下集成的器件 8KBCache 外部存储控制器 LCD 控制器 4 个 DMA 2 个通用串行总线 1 个人多主 个 S 5 通道的 PWM 定时器 1 个内部定时器 71 个 GPIO 8 个外部中断 实时时钟 8 通道 10 位 ADC 图 2 S3C44B0X 处理器的框图 3 4 无线通信模块无线通信模块 TC35i 12 目前 国内已经开始使用的 GSM 模块有 CENTEL PIML 的 2D 系列 西门子的 TC35 系列 Wavecom 的 WMO2 系列 爱立信的 DM10 DM20 系列 中兴的 ZXGM18 系列等 而且这些模块的功 能 用法差别不大 其中西门子的 TC35 系列模块性价比很高 并且已经有国内的无线电设备入网证 所以本设计选用的是西门子 TC35 系列的 TC35i 这是西门子推出的最新的无线模块 功能上与 TC35 兼容 设计紧凑 大大缩小了用户产品的体积 TC35i 与 GSM 2 2 兼容 双频 GSM900 GSMl800 RS232 数据口 符合 ETSI 标准 GSM0707 和 GSM0705 且易于升级为 GPRS 模块 该模块集射频电 路和基带于一体 向用户提供标准的 AT 命令接口 为数据 语音 短消息和传真提供快速 可靠 安全的传输 方便用户的应用开发及设计 TC35i 模块主要特性与技术指标包括以下几点 频段为双频 GSM900MHz 和 GSMl800MHz phase 2 2 支持数据 语音 短消息和传真 高集成度 54 5mm 36mm 3 6mm 质量为 9g 电源电压为单一电压 3 3 4 8V 可选波特率 300bps 115kbps 动波特率 4 8 115kbps 电流消耗 休眠状态为 3 5mA 空闲状态为 25mA 发射状态为 300mA 平均 2 5A 峰值 温度范围 正常操作 20 55 存放 30 85 SIM 电压为 3V 1 8V TC35i 模块有 40 个引脚 通过一个 ZIF Zero Insertion Force 零阻力插座 连接器引出 这 40 个引 脚可以划分为 5 类 即电源 数据输入 输出 SIM 卡 音频接口和控制 第 1 14 脚为电源部分 1 5 脚为电源电压输入端 Vbatt 6 10 脚为电源地 GND 11 12 脚为充电引脚 13 为对外输出电压 共 外电路使用 14 为 ACCU TEMP 接负温度系数的热敏电阻 24 29 脚 为 SIM 卡引脚 分别为 CCIN CCRST CCIO CCCLK CCVCC 和 CCGND 33 40 为语音接口 用来接电话手柄 15 30 31 和 32 脚为控制部分 15 脚为点火线 IGT Ignition 当 TC35i 通电后必须给 IGT 一个大 于 100ms 低电平 模块才启动 30 脚 为 RTC backup 31 脚为 Power down 32 脚为 SYNC 16 23 脚为数据输入 输出引脚 分别为 DSR0 RING0 RxD0 TxD0 CTS0 RTS0 DTR0 和 DCD0 图 1 为 TC35i 功能框图 TC35i 模块的数据输入 输出接口实际上是一个串行异步收发器 符合 ITU T RS232 接口标准 它 有固定的参数 8 位数据位和 1 位停止位 无校验位 波特率在 300bps 115kbps 之间可选 硬件握 手信号用 RTS0 CTS0 软件流量控制用 XON XOFF CMOS 电平 支持标准的 AT 命令集 图 3 TC35i 功能框图 4 系统设计总体方案系统设计总体方案 ARM 微处理器 S3C44B0X TC35i RS232 电源系统 JTAG ADC 变送器 FLASHSDRAM 图 4 系统总设计框图 5 总结总结 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 智