变电站一次侧设备温度在线监测系统设计.docx

辽宁工程技术大学 本科毕业设计（论文） 摘要在电力系统中，一次设备的温度变化是一个非常重要的指标，它关系到电力设备能否安全稳定运行。在变电站运行过程中，一次设备的接点由于设备制造、触点氧化、电弧冲击等原因，会导致接点的接触电阻增大，使温度上升。当温度上升到一定程度后，设备的机械强度和电气强度会出现下降，严重时会导致电气设备的短路，甚至造成设备的损毁，严重威胁电网的安全运行。对电气设备的温度进行实时监测，可以帮助值班人员尽早发现问题，消除隐患，确保电力系统的安全运行。遵循变电站网络与通信协议 IEC61850 标准，利用通信技术、温度传感器技术、温度告警算法、监控中心技术等温度在线监测技术，开发设计适用于智能变电站的一次设备热点温度在线监测系统，包括过程层温度在线监测终端、间隔层温度在线监测 IED 以及站控层监控中心。利用CAN总线、RS485以及以太网技术，将传感器测量到的温度数据发送到数据接收主机上，实现温度的测量。无线传感器体积小，可以方便的安装在一次设备表面，因此可以准确的反应设备运行时温度信息，并使测量数据具有很强的实时性。通过观察监控机的检测页面，变电站运行人员能够及时全面的了解变电站内一次设备的实时温度信息。关键词：温度在线监测；IEC61850；在线监测IED；传感器；以太网AbstractIn the power system, a temperature change devices is a very important indicator, whether it relates to the safe and stable operation of power equipment. During the substation operation, the primary contacts due to equipment manufacturing equipment, contact oxidation, arc impact and other reasons, will lead to the contact resistance of contacts increases, the temperature rises. When the temperature rises to a certain extent, mechanical strength and electrical strength equipment will decline, in severe cases can lead to a short circuit of electrical equipment and even cause damage to the equipment, a serious threat to the safe operation of the grid. Temperature electrical equipment for real-time monitoring, can help detect problems early on duty, eliminate risks, to ensure the safe operation of the power system.Follow IEC61850 substation network and communication protocol standard, the use of communications technology, a temperature sensor technology, temperature alarm algorithm, control centers and technology Temperature monitoring technology, designed to develop a device suitable for the hot line temperature monitoring system intelligent substation, including the process of surface temperature Online monitoring terminal, the spacer layer Temperature monitoring station level IED and monitoring center. Using CAN bus, RS485 and Ethernet technology, the sensor sends the measured temperature data to the data receiving host, to achieve temperature measurements. Wireless sensors are small, it can be easily installed in a device surface, so you can accurately reflect equipment operation temperature information, and the measured data with strong real-time. By observing the monitoring machine detection page, substation operators can make timely and full understanding of the real-time temperature information within the substation primary equipment.Keywords: Temperature monitoring; IEC61850; on-line monitoring IED; sensors; Ethernet目录1. 绪论 1.1 课题的研究背景和意义 1.2 国内外研究现状 1.3 课题的主要研究工作 2温度监测系统的总体设计2.1 监测系统简介2.2 系统设计原则2.3 系统的总体方案3 温度在线监测终端（过程层）设计3.1 无线网络温度传感器设计3.2 温度在线监测终端设计3.3 温度监测仪的硬件设计 3.3.1 监测仪的主板设计3.3.3 RS485 与 PC 的接口电路设计 3.3.4上位机与监测仪的串口设计3.4 温度传感器的标定3.5电源电路设计1 绪论1.1 课题的研究背景和意义正如我们每一个人所感受，电力产业是我们日常生活不可缺少的，它关系到其他各行业、生活正常的运行以及社会的进步，因此它对我们相当重要。随着电力产业的发展，电力工业将来的发展方向是智能电网,在智能电网规划的推动下,智能变电站将成为新建变电站的主流。智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备,以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求,自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能,并根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。在智能变电站在线监测系统建设中，温度是一次设备运行正常的一个重要参数。变电站的高低压开关、断路器、变压器、电力电缆、容性设备、避雷器等重要的一次设备，在长期运行过程中，因老化、表面氧化腐蚀、连接不紧密、紧固螺栓松动或接触电阻过大而导致发热，由于无法在运行中发现隐藏故障，最终导致火灾事故的发生，给生产和经营造成重大经济损失。随着科技的进步，社会用电负荷不断增长，温度的实时在线监测已经成为变电站一次设备安全稳定运行、避免事故发生所采取的重要手段。本课题的研究目的在于设计出一种一次设备热点温度在线监测系统，能够有效监测一次设备工作时的温度，从而有效的了解一次设备运行状况，是否存在安全隐患，能够有效的防止事故的发生，保证安全正常供电。1.2 国内外研究现状一、国外研究现状：在美国、日本等发达国家，智能电网战略己成为国家重要战略，美国政府围绕智能电网建设，重点推进了核心技术研发，着手制定发展规划。制定了2010-2014年智能电网研发跨年度项目规划，旨在全面设置智能电网研发项目，以进一步促进该领域技术的发展和应用。美国标准与技术研究院提出将分三个阶段建立智能电网标准，现已公布“智能电网”的标准化框架75个标准规格、标准和指导方针。欧洲各国结合各自的科技优势和电力发展特点，开展了各具特色的智能电网研究和试点项目，英法德等国家着重发展泛欧洲电网互联，意大利着重发展智能电表及互动化的配电网，而丹麦则着重发展风力发电及其控制技术。二、国内研究现状：在世界各国进行智能电网建设的同时，我国也在积极推进智能电网的发展。2010年3 月“加强智能电网建设”被写入2010 年政府工作报告，这标志着中国智能电网进入快速发展阶段。与欧美国家相比，中国的智能电网覆盖面更为全面，是调度、发电、输电、变电、配电、用电六大环节的整体升级。针对我国一次设备温度监测系统，70年代开展带电测试，80年代发展迅速，生产各种带电测试仪，同时利用传感器直接测量电气信号，由传统的模拟测试走向数字量测量。90年代出现了以数字波形采集和处理技术为核心的微机多功能在线监测系统。进入21世纪后在线监测全面进入实用化阶段。智能变电站一次设备热点温度在线监测系统，可对变电设备热点温度进行实时在线监测以及预警报警功能，随时清楚掌握变电设备的运行状态和状况。目前国内外研发的智能变电站一次设备热点温度在线监测系统具有实时在线监测、高速传送信息、分析诊断等功能。1.3 课题的主要研究工作在变电站中变压器、高压电抗器、互感器、无功补偿装置、断路器、隔离开关、母线等一次设备是电力系统中最常见的设备，因长时间运行，接点接触位置偏移，造成动静隔离触头接触不良和严重发热，从长期安全运行要求考虑，这些一次设备的最大发热温度不得超过最大允许发热温度。因此采用一种适合的温度监测方法，对一次设备接点的温度进行在线实时监测是十分必要的。在线监测技术的开发，推动了电力设备运行维护水平的提高，减少了维护人员的劳动强度，对部分设备采用根据监测结果确定停电检修周期的方法，为从预防性试验向状态检修方向过渡积累了经验。另一方面，由于引进了先进的电子技术、信息处理技术，使得在线监测技术更具有先进性、实用性，推进了电力设备的温度监测的变革。监测技术的开发和应用，提高了运行管理的智能化程度，加快了设备运行状态的信息反馈，缩短了故障判断和处理的时间，提高了工作效率，减少了因停电造成的经济损失，为实现无人值班变电站创造了条件。本文提出了智能变电站一次设备热点温度在线监测系统的总体设计方案，重点研究了通信技术、传感器技术、IEC61850 标准等基础知识，设计了温度在线监测终端以及温度在线监测 IED，以及温度监测系统在实际现场中的软件设计，在搜集国内外相关资料和导师指导的基础上，我开始总体设计。 本课题研究的主要内容包括： （1）监测系统总体设计 整个系统由光纤温度传感器、光纤、温度监测仪、IED等部分组成。（2）硬件电路的设计制作 包括电源电路设计、串行接口，显示器 LED 设计，通信模块设计等。在实现功能的前提下，尽可能的使结构简单，制作容易。 光纤温度传感器设计及系统标定 本课题对于光纤温度传感器的标定曲线可以在实验室完成。通过软件设计，实现温度的准确测量。要求能输出稳定的信号，对机械、光学、电路等方面的干扰不敏感；工作可靠，调整方便；在满足精度要求的前提下，尽量使结构简单，制作容易。 软件设计 包括温度监测仪的软件设计、间隔层IED的软件设计和上一级管理系统的软件设计。2 温度监测系统的总体设计2.1 监测系统简介本温度监测系统是专门用来测量变电站一次设备热点温度的。传感器采用光纤温度传感器，适用于高电压、大电流、强磁场的特殊环境，采用外置电源的方式。鉴于开关柜的环境，要求设计的监测仪能对接点进行温度采集并保存于存储器中；测量完毕后，可以通过上位机温度采集软件将监测仪采集到的数据通过串行接口载入计算机中。同时，上一级管理系统在线观察到现场的温度。该系统利用单片机构成的监测仪对一次设备温度进行采集和处理。本监测系统主要由站控层、间隔层和过程层三大部分组成。2.2 系统设计原则 先进性：系统需在了解国内外发展动态，吸收其经验和成果的基础上进行方案的设计，使系统的技术性能和水平具有明显的先进性。 可靠性：系统运行安全可靠，性能稳定，可以在恶劣环境长期连续工作。 通用性：在设计时，应充分考虑其应用对象的共性，使系统具有较强的通用性，可以在开关柜接点推广应用。 扩展性：系统的设计容量要足够大，满足系统今后的扩充需要。 经济性：系统的造价经济合理，性能价格比高。 操作维护方便性。在软件方面，要求人机界面友好，操作简便；在硬件方面，要求维护检修方便。2.3 系统的总体方案对于本课题的设计，我准备从智能变电站概念出发，先深刻了解课题的背景以及研究意义。从而系统的认识本设计系统，通过查阅相关资料认识到该系统需要经历以下几个阶段，第一阶段，即保护、测控、状态监测等智能组件外置独立的阶段。过渡阶段，状态监测组件。第三阶段下智能组件和一次设备完全融合。然后分别对每个阶段进行系统分析，如图2-1所示。信息一体化平台站控层监控中心光纤、IEC61850（站控层网络）间隔层一次设备温度监测IEDCAN、485、以太网、等过程层温度在线监测终端温度传感器一次设备本体（过程层网络）图2-1 监测系统结构图Figure2-1 Monitoring System Block Diagram本方案利用智能化一次设备（传感器及控制信号的变送器）、智能组件柜（含监测及IED的单元）实现一次设备信息的数据收集、处理，通过IEC61850实现过程层数据交换，再通过保护测控一体化装置将智能一次设备的状态信息上传至变电站站控层；各二次设备的监测信息通过通讯口或光纤接入变电站网络，实现在变电站站控层实时监控查询一次设备的运行情况。过程层：包括传感器和采集单元，实时采集电力工能元件温度信息，点对点传输至现场采集单元。间隔层：包括智能汇控柜和IED，过程层采集单元和间隔智能汇控柜内IED进行通信，然后通过现场光纤环网总线，应用IEC61850协议自动实时的与站控层通信，上传状态参数。站控层：包括数据通讯服务器和监控服务器，控制和管理各个监测单元，并负责采集、存储状态监测数据，进行分析、诊断。应用IEC61850协议与站控后台通信，向运行人员提供个电力工能元件温度信息。4 温度在线监测终端（过程层）设计4.1 监测系统简介本温度监测系统是专门用来测量变电站高压开关柜接点温度的。传感器采用光纤温度传感器，适用于高电压、大电流、强磁场的特殊环境，采用外置电源的方式。鉴于开关柜的环境，要求设计的监测仪能对接点进行温度采集并保存于存储器中；测量完毕后，可以通过上位机温度采集软件将监测仪采集到的数据通过串行接口载入计算机中。同时，上一级管理系统在线观察到现场的温度。该系统利用单片机构成的监测仪对一次设备接点温度进行采集和处理。4.1.1系统设计原则 先进性：系统需在了解国内外发展动态，吸收其经验和成果的基础上进行方案的设计，使系统的技术性能和水平具有明显的先进性。 可靠性：系统运行安全可靠，性能稳定，可以在恶劣环境长期连续工作。 通用性：在设计时，应充分考虑其应用对象的共性，使系统具有较强的通用性，可以在开关柜接点推广应用。 扩展性：系统的设计容量要足够大，满足系统今后的扩充需要。 经济性：系统的造价经济合理，性能价格比高。 操作维护方便性。在软件方面，要求人机界面友好，操作简便；在硬件方面，要求维护检修方便。4.1.2系统的总体方案 本设计系统温度监测模块采用双金属片型光纤温度传感器，由计算机和监测仪进行监测，计算机可充分利用其快速的数值计算功能和丰富的外设资源；监测仪由单片机控制，可发挥其接口简单，数据传输方便，价格低等优点。RS-485 总线收发器运用具有光电隔离的数据通讯接口 MAX485，利用它构成的外电路比较简单，数据传输稳定、可靠、命令简单。经过上述配置的系统，能够实现对测点的覆盖范围较大区域进行监测，性能优于其他形式监测系统，且系统使用简单、方便。由于本系统的重点在于实时的监测一次设备接点温度信号，考虑到现场的设备、测点的分散性和系统要求能够通过局域网在线监测系统一次设备接点温度，整个系统从体系结构分为三个层次：数据采集层、监测层、上一级管理层。温度监测模块架构图如图 41 示。 图4-1温度监测模块架构图Figure 4-1 Temperature monitoring module chart 数据采集层主要包括光纤温度传感器、监测仪。主要完成对测点的采集、数据处理、实时数据显示、数据传送。传感器安装于被测接点处。监测仪装于开关柜前面板，三位数码管分别显示通道和温度。 监测层由上位机组成。主要完成对所有测点的数据采集、数据处理、数据显示、声光报警。值班室人员可以对多开关柜、多通道接点温度的实时在线显示。 上一级管理层主要面向高级管理人员使其能查看各站的监测计算机中监测的温度数据。4.2 温度监测仪的硬件设计 4.2.1 监测仪的主板设计监测仪的硬件系统由电源、光电转换装置、C8051、LED、RS485、JTAG等部分组成。每个监测仪控制六个光纤温度传感器，即六个通道。光纤温度传感器将温度的高低转变为光纤中的光的强弱，光电转换装置将光强转变为电压，通过引脚 AIN0AIN7，C8051 芯片光电转换后的电压传入其芯片内部，调用已设定好的程序对数值进行处理。LED 由 CPU 控制，采用三位数码管显示，第一位显示通道号，二三位显示温度值。RS485 串口传送，用于监测仪与上位 PC 机间的数据传送。JTAG 用于软件的调试与安装。通过整压、稳压、降压后形成的3.0V 的稳压电源，供单片机使用。由于采用了新型芯片 C8051 使电路的设计更加简单，省去了放大电路、A/D 转换电路、不用再扩展引脚。所以整个电路的设计显的简单高效。硬件系统总体框图，如图 4-2所示。图4-2硬件系统总体框图Figure 4-2 overall block diagram of the hardware system4.2.2 RS485 与 C8051的接口电路设计 本设计的监测仪由单片机控制，可发挥其接口简单，数据传输方便，价格低等优点。RS-485 总线收发器运用具有光电隔离的数据通讯接口 MAX485，利用它构成的外电路比较简单，数据传输稳定、可靠、命令简单。可以实现与间隔层IED之间进行通信。如图4-3为RS485与C8051的接口电路图。图4-3 RS485与C8051的接口电路图Figure 4-3 RS485 interface circuit diagram of the C8051由表4-1可见：DE 为发送器输出使能端，DEl 时，允许发送器工作，DI 端为输入端，A、B 端为输出端；DE0 时，发送器被禁止，输出端为高阻。从表 42 可见，RE 为接收器输入使能端，RE0 时，允许接收器工作，A、B 为输入端，RO 输出端；REl 时，接收器被禁止，RO 为高阻。在图 4-3中，将 DE 与 RE 端接在一起，并与 C8051 单片机的一个 I/O 口(P 0.2)相联，通过 P0.2 口控制 MAX485的工作状态。 表4-1 MAX485的发送功能表Tab4-1 Table MAX485 of sending输入输出DE DIA B1 11 01 00 10 X高阻 高阻表4-2 MAX485的接收功能表Tab 4-2 MAX485s reception menu输入输出RE A-BRO0 +0.2V10 -0.2V00 输入开路11 X高阻4.2.3 上位机与监测仪的串口设计 图 6上位机与监测仪的串口设计一般 PC 机提供标准的 RS232C 接口，该接口采用负逻辑，与 CMOS、TTL 电路的相连需要专用集成电路进行电平转换。由于检测仪器电平是 TTL 电平，与标准RS232 不兼容，又考虑到通信距离，我们采用 Maxim 公司生产的 Max485 芯片将TTL 电平转化为 RS485 标准，然后再进行 RS485 与 RS232 之间的转换，再与 PC 机的串口连接，可以选用隔离型的 RS232485 转换器实现，如图6所示。这种通讯方式延长了通信距离，最长可达 1200 米，提高了系统的可靠性。4.2.4 电源电路设计因为 C8051 系列单片机模拟电压电源最小值为 2.7V，典型值为 3.0V，最大值为 3.6V。而直接交流电源为 220V，因此就需要对接入的电源整流、稳压、降压，如图4-4为单片机电源电路设计图。图4-4 电源电路设计图Figure 4-4 The power supply circuit design电源变压器：将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2；整流电路：将交流电压u2变为脉动的直流电压u2;滤波电路：将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4；稳压电路：消除电网波动及负载变化的影响，保持输出电压uo的稳定。如图4-5为直流稳压电源原理图。图4-5 直流稳压电源原理图Figure 4-5 DC power supply schematic4.3 温度传感器的标定 对于该系统温度传感器对应电压的标定可以在实验室内用传感器对不同的温度梯度进行测定，通过检测部分得出标定曲线，然后经过软件设计，修正校准检测结果以得出准确温度值。为求得电压与温度之间的函数关系，本设计采用约束三次样条曲线差值计算方法，这种计算方法比起传统的三次样条曲线差值计算方法，解决了过冲与欠冲的问题，光滑度差一些，但是各区间的分段函数更加准确。然后根据温度与电压之间的关系绘制成温度曲线图。下图为大致温度曲线图。图4-6 温度曲线图Figure 4-6 temperature graph4.4监测模块软件设计硬件电路完成以后，进行系统软件设计。首先要分析系统对软件的要求，然后进行软件的总体设计，包括程序总体结构设计和对程序进行模块化设计。按整体功能分成多个不同的模块，单独设计、编程、调试，然后将各个模块装配联调，组成完整的软件。 根据实际需要，单片机数据采集系统需要完成的任务有：选择需要采集的通道及采集时间，并针对每个通道，采集相应的数据，在数码管上显示并存于存储器。再通过串行通信发送给上位机。随着国内单片机开发工具研制水平的提高，C5l 语言得到了更加普遍的使用C5l 语言是一种记叙性程序语言，它是比较靠近硬件系统的，即与汇编语言比较接近。既有像汇编语言那样可以直接访问硬件和系统的功能，又有面向用户、容易记忆、便于阅读和书写的优点。本系统数据采集程序用 C51 语言编写，单片机是测温系统的数据采集端，它主要完成对各个温度传感器所测的温度数据的读取、显示以及同上位机的数据传输。主程序流程如图4-7所示。系统初始化后就进行一次信号采集,接下来就顺次完成数据处理,对所得结果的超限判断,做报警、显示、通信处理,这些完成之后就再进行下一次采集。图4-7 主程序流程图Figure 4-7 The main program flow chart4.4.1数据通讯过程主机定时发送监控命令，轮巡各个从机，主机发出监控命令后等待从机的应答。从机处于侦听状态，在接收到地址码后，立即判断是否在呼叫自己。如果不是，则不予理睬。如果是，则继续接收下面的数据。接收完一个主机监控命令后先进行校验，如果校验正确则解析接收的监控命令，并根据命令做出应答。如果校验不正确则回送出错信息要求重发。 主机发出的监控命令通过 RS232 串行通信端口传输出去，此信号经过 RS232RS485 转换卡，进行信号电位和类型转换后，在 RS485 网络上传播；从机接收到监控命令后，进行分析并将应答信息再送至 RS485 网络，此信号经 RS232RS485 转换卡，由主机的 RS232 串行通信端口接收。4.4.2数据通信协议 系统采用半双工主从通信方式 主机监测命令的格式为：地址码 命令码校验码结束标志码地址码：两个字节，表明将送至的从机。 命令码：一个或多个字节，指定从机执行的命令。 校验码：一个字节，奇校验位。 结束标志：用字符 CR 表示命令结束。 从机应答的格式为：地址码数据校验码结束标志码 数据：一个或多个字节，表示从机应答的数据。其余和主机格式相同。5 温度在线监测 IED（间隔层）设计5.1 IED概述IED 的英文全称 Intelligent Electronic Device，即智能电子设备。IEC 61850 协议中将 IED 定义为：由一个或多个处理器构成，且有能力接收外部资源和（或）向外部资源发送数据和（或）控制命令的装置。IED 是现代智能变电站间隔层的关键设备，与信息一体化平台、过程层（智能设备、合并单元和智能终端等）进行协调工作和双向的数据通信，在智能变电站一次设备在线监测系统中发挥重要作用。 根据 IEC61850 协议对实际的 IED 进行建模，达到了不同厂家的 IED 之间信息交换的目的，为 IED 之间的互操作提供途径，解决了以前变电站不同厂家设备之间通信协议不兼容的问题。基于 IED 的智能变电站减少了变电站状态监测以及保护装置互相之间的干扰，通信网络更加可靠和迅速，提高了信号传输的可靠性，进一步提高了变电站的自动化和管理水平，并且节省智能变电站系统的重复开发费用。 IED 在智能变电站系统中主要实现以下功能1）协调功能：与站控层信息一体化平台（包括监控系统或在线监测系统）以及过程层一次设备智能终端进行协调工作，接收信息一体化平台的控制命令以及过程层设备上传的监测状态量，正确执行信息一体化平台的控制命令，及时将过程层上传的数据传输给信息一体化平台进行处理。 2）传输功能：IED 完成过程层和站控层之间信息的传输，例如智能变电站是通过 IED 将时钟信息传输给过程层设备实现时钟同步，接收站控层的时钟信息传输给相应的过程层，从而实现全站的时钟同步。 3）数据处理功能：IED 对有些设备采集的数据进行就地处理运算，并对设备故障信息进行存储以及本地显示。例如，温度在线监测告警算法模型的建立等。 4）嵌入 IEC 61850 协议：IED 接收过程层的数据可能来自不同的厂家，数据的格式也各不相同，IED 通过对接收数据进行 IEC 61850 协议封装，将不同的协议统一化，实现变电站的信息共享以及设备的互操作性。 5.2间隔层硬件设计温升状态监测IED(间隔层)的工作流程为:温升在线监测IED在GPS对时信号的作用下,周期接收站控层下发的数据采集指令与控制指令,并将收到的指令解析后通过485总线下发至各温升在线监测终端单元。温升监测终端将采集的各一次设备热点温度状态量上传给温升在线监测IED,IED根据已经嵌人好的专家算法对在线监测终端上传的数据进行分析运算。根据本IED的功能需求提出的硬件框架包括:CPU(ARM+DSP)模块,电源模块,以太网通信模块,开关量输人输出模块,存储模块,Rs485通信模块,液晶显示,看门狗模块,RTC等。本装置采用的ARM芯片是三星公司ARMg系列53C2440A,该芯片是犯位精简指令集(RISC)的微处理器,功耗小,简单,稳定,具有高速的处理计算能力。DSP芯片采用TI公司2000系列TMS32oF28335芯片,该芯片具有强大的数据处理能力,可快速完成对各监测单元数据的采集和运算处理,DSP与ARM之间采用SPI通信。由于温升IED安装于变电站的强电磁场环境中,故采用金属外壳便于提高IED的抗电磁干扰能力和设备的稳定性。其外壳接口采用电气性能良好的穿墙式接线端子及专用插头,并留有RS485、JTAG和USB等接口,方便设备的调试及维护。在IED电源设计中采用多级共模电感串联,有效隔离外界电磁干扰；在信号采集部分通过两级光藕隔离实现完全的电气隔离；一次设备的通信中采用内部带有电源隔离、电气隔离的RS485模块,该模块具有很好的抗电磁干扰性能。温度在线监测 IED 的总体硬件结构如图4-8所示：图4-8 温度在线监测 IED 硬件结构图Figure 4-8 Temperature monitoring IED hardware structure课题所设计的温度在线监测 IED 的主要功能及工作原理包括： （1）主机（ARM）给从机（DSP）下发采集数据的指令（此部分通讯采用 SPI 实现）； （2）从机（DSP）通过主机（ARM）下发的指令判断主机（ARM）需要查询的一次设备终端设备的具体编号； （3）从机 DSP 向过程层温度监测终端设备下发采集命令，并接收终端采集到的数据（此部分通讯采用 485 总线完成）； （4）从机（DSP）整合、筛选接收到的数据，并通过对监测的数据进行智能告警诊断，随后将主机（ARM）需要的数据重新打包并申请向主机（ARM）上传数据； （5）主机（ARM）向从机（DSP）下达接收指令并接收数据信息。 （6）主机（ARM）将数据重新规约分类存储并配置成 IEC61850 协议标准，将数据共享到站控层5.2.1 电源模块电源采用AD/DC电源芯片,主要作用是将220V电压转换为5V和备用电源12V电压。SV电压通过线性稳压芯片MIC29503转换为3.3V提供给以太网接口电路和IED上其他器件的供电。因为DSP在系统中要承担大量的数据计算,在CPU内部,部件的高频率的转换会使系统功耗大大增加。所以采用双电源的供电式,3.3V电压经过线性电压调节芯片LM117一ADJ转换为l.9gV和l.5V为DSP内核供电,这样可大大降低系统的功耗。3.3V电压通过隔离电源芯片B0305提供5V隔离电源给485接口供电,电源部分的设计是系统的关键,其中隔离模块的设计很好的避免了外部电磁的干扰,如图4-9为电源模块图。图4-9 电源模块图Figure 4-9 Power Module Figure5.2.2 SPI通信本系统采用SPI实现ARM与DSP之间的通信,其通信根据轮循周期进行。因通信主要由ARM端发起,所以设置ARM为主机,DSP为从机;sPI接口共有4根信号线,分别是:SPI选通线、时钟线、输出数据线、输人数据线;ARM与DSP之间采用全双工通信方式传输数据,提高了系统的整体运行速度。具体流是:ARM端通过发出时钟脉冲信号来发起数据传输,DSP采用中断模式接收数据。当接收到一个完整的控制指令时,首先检验指令的有效性,对于有效的指令先停止中断,并要求下端的监测单元发送最新的监测数据和对相应的数据进行分析处理及存储。处理完后,再开启SPI中断并将数据处理的结果回传至ARM端,进行MMS报文处理,并调用Socket建立网络连接发送报文至监控中心;对于无效的控制指令和超时指令,将回应错码并要求重发,累计重发超过预定次数,将启动预警机制。ARM和DSP的通信连接方式如图4-10所示。 图4-10 ARM和DSP的SPI连接方式图Figure 4-10 ARM and DSP SPI connection diagram5.3 温度在线监测IEO软件设计温升监测IED软件流程图如图4-11所示监控主机服务器发出采集温度的指令,经IED传送至各监测终端,各终端接收到指令后,获取GPS的时钟信号作为同步时钟,同时刻采集终端温度。当各个终端采集完毕后通过485总线将数据传给IED,IED利用DSP的高速运算能力完成对终端状态量的数据运算处理后,结合相应的控制策略做出判断,并在温度过高的情况下生成相应的预警信息,并将数据和预警信息筛选、打包后通过SPI传输给ARM,ARM运行于Liniux操作系统下,实现IEc61850规约的封装并上传到监控中心。同时通过液晶显示相应的信息。ARM端主要负责与DSP的信息交换、和站控层设备进行网络通信以及必要的其他IED之间的通信等。其功能复杂,执行任务多,涉及进程管理,需嵌人IEC61850协议,以及加速以太网和SPI通信等功能,故系统在ARM端嵌人了Linux操作系统,提高了IED的数据采集和传输能力，为IEC61850协议的嵌入提供了一个稳定可靠的系统平台;该操作系统系统是一种源码开放、性能稳定、功能强大高效的操作系统。主要步骤是构造交叉编译环境、引导装载程序移植、Linux内核配置和编译等。IED需要编写的驱动程序主要包括串口、以太网、人机交互等外设。当应用程序需要对该设备进行操作时,就通过标准化的与设备无关的系统调用完成。在DSP软件设计部分,采用c程序设计语言,通过TI公司的开发软件CCS3.3编程开发。上电后经过适当延时,待电源稳定后对系统进行初始化操作,主要包括:CPU初始化、存储器初始化、1/0初始化、时钟初始化、异步通信串口初始化等。