110kV变电站自动化系统的研究翟永强

110kV变电站自动化系统的研究翟永强

翟永强

西安热电公司陕西省西安市710086

摘要：随着电力能源需求量的持续增加，变电站项目建设越来越多。变电站的自动化系统融合了通信技术、计算机技术、电气技术等多个领域，相比传统的变电站保护装置，微机保护因其处理速度快，处理能力强逐渐成为变电站自动化系统的发展方向。

关键词：110kV变电站；自动化系统；设计

引言

在我国现在的计算机网络与自动控制系统中，因为西方和国内厂商所开发的系统是存在差别的，可以被使用者所认同，基本可以达到系统的运作要求.

1110kV变电站结构及需求

1.1变电站系统结构

变电站的系统用分层分布式结构，监控主机的外围电路包括GPS通讯电路，人机对话窗口，数据采集、传输接口电路等。这种架构“面向对象”处理，实现对间隔层电气参量信息的的采集和处理。相比集中式结构和分布式结构的优点有：

（1）通过面向对象方式进行处理，譬如主变维护等单元，处理速度更快；

（2）电路连接通过光纤实现，可以方便后续的维护和电路扩展；

（3）采用直流电压供电，当某个环节出现故障的时候，不影响其他装置的使用。

1.2110kV变电站系统需求

（1）站控层

站控层的功能是实现对变电站的运行监测和管理，通过电容的投切，实现系统中的无功优化和电压优化。在运行监测过程中，自动区分电力系统的故障状态和不正常运行状态，在出现不正常运行状态时，发出警报并在现场的光字牌上显示不正常运行的故障类型（电压异常、电流异常等）。在系统的故障状态下，在光字牌上显示故障类型并向执行机构发出动作指令。

（2）间隔层

对站控层的信息进行整合，保证站控层和过程层之间数据的通讯正常。当出现报警信息或者操作信息时，及时进行处理。

（3）过程层

主要的操作机构，面向一次高压侧，在系统正常运行时，提供检测数据和执行操作指令。

2110kV变电站自动化系统设计

2.1硬件设计

2.1.1主控芯片选型

本系统单片机选用MSP430F5438，它是TI公司新推出的一款具有256KB存储容量的嵌入式微控制器。它最大的特点是具有极低的功耗，只需2.2～3.6V的直流供电电。在低功耗基础上集成更加丰富的外设：它有3个16位定时器、1个高速12位模/数转换器、UART、SPI和12C串行通信、WDT看门狗定时器、Pl-P10端口等，该芯片可以应用于模拟和数字传感器系统。本系统中，利用MSP430F5438可以实现采煤机电气控制器的主要功能，并且降低系统功耗。

2.1.2模拟信号采集与处理

2.1.2.1模拟信号采集方法

模拟信号是是在时域上变现连续的信息量，在电气信息中，采集电压和电流都属于模拟信号。对于模拟信号的采集主要包括通道选择、信号放大、信号滤波、U/I转换、V/F转换、A/D转换等部分。本文在110kV变电站采集电压、电流信号时，由于变电站环境噪声较大，变压器运行中会产生较大的电磁干扰，因此，在模拟信号采集电路中，尤其需要考虑信号滤波电路的设计，既要用到成熟的模拟滤波技术，也要在软件设计中使用算术平均、中值滤波等算法提高系统的可靠性。

2.1.2.2电流信号形成回路

微机控制系统的电流、电压信息的采集均来自电压互感器（TV）和电流互感器（TA）的二次侧。

2.1.2.3信号处理方法

在模拟信号采集中，根据信息的采集方式，可以分为直流采样和交流采样。两者相比较：直流采样电路结构简单，抗干扰能力强，但是具有较差的实时性，不能满足变电站信息采集的要求；交流采样实时性好，信号失真率低，但是，由于算法复杂，加大微机部分的信号处理难度。因此，有必要使用相关算法，简化程序运算方法，提高微机处理芯片的运算效率。

快速傅里叶变换表示能将某一个满足某个条件的函数表示成三角函数或者正（余）弦函数积分的线型组合，根据变换初始值的不同，可以分为连续傅里叶变换和离散傅里叶变换。连续傅里叶变换将时域的函数变换成频域的积分形式，可以方便地在频域内对信号进行分析。函数变化形式表示如下。

式中：f(t)为时域信号函数；Fn为离散型的点；T时间周期。

离散型傅里叶变换针对的定义域为Z的数列集合，集合中的离散点需要满足有限性和周期性条件。函数变化形式表示如下。

式中：X[k]为变化后的函数；xn为数列中的点；N数列中元素的个数。

本系统中，考虑采样值的离散性，选择离散性离散型傅里叶变换对采样值进行处理。在保证采样值精确度的同时，减少系统运算量，提高运算速度。

2.1.3触摸屏显示模块

为了增加变电站自动化系统的人机交互性，本系统在XPT2046作为核心芯片，设计现场显示及操作液晶屏，工作人员可以方便地通过触摸屏调节变电站自动化系统的相关参数。

2.1.3.1芯片选型

XPT2046是一款四线制的触摸屏控制芯片，具有触摸压力测量的功能，休眠时的功耗可以达到260Ua，具有125kHz的转换速率，工作温度从-40~85℃，可以作为工业级芯片使用。内部集成温度监测及电压监测的功能，可以为触摸屏控制器提供实时温度及电源信息。被广泛应用在监测仪器及其他触摸屏显示的控制器中。

2.1.3.2硬件电路设计

以XPT2046为核心的四线制触摸屏控制电路设计，C2和C4的电容值为0.1μF，R1的阻值为10Ω；R1的阻值为100kΩ。X+、X-、Y+、Y-四个引脚分别表示X、Y位置的输入；DIN为串行信号的输入端，当CS为低电平是，信号被锁存起来；BUSY为忙时信号线，当CS为高电平是，为高阻态；PEN为接收中断引脚；Vref可以输出/输入参考电压。

2.2软件设计

2.2.1下位机界面设计

触摸屏设计中，除了硬件设计，还需要对下位机的界面进行设计，根据信息采集的需要，设计相关电气参数的显示及菜单功能。在本文的变电站自动化系统中，以XPT2046为核心设计触摸屏电路，可以实现人与系统的双向通讯，在下位机的界面中，既应该显示现场监测数据，还能够显示上位机的操作指令及指令的执行情况。

2.2.2Labview上位机界面设计

在本系统的上位机软件设计中，利用Labview软件进行设计，可以实现对电压、电流、继电器工作状态的实时监测，在历史数据的存储中，设计存储容量为1年，并可以根据需要调用某一时刻的变电站数据。

2.2.3程序设计

根据110kV变电站自动化系统的运行目标，程序上电后，首先进行自动化监控系统的自检，如果出现故障，则上传数据，发出警报，提示维护人员对监控系统进行维修，监控系统没有故障的前提下，可以采集变电站线路中的电压、电流信息和继电保护设备运行信息，通过监测量判断变电站是否出现故障，并根据判断结果决定是否报警。

结语

变电站自动化系统作为电力自动化系统的重要组成部分，在硬件电路中，详细介绍了模拟信号的采集和处理过程，为了提高系统人机交互性，利用XPT2046为核心设计触摸屏电路。在软件设计部分，介绍了下位机和上位机界面的功能及主程序运行流程。

参考文献

［1］杨玉善.智能变电站自动化系统网络结构分析及其优化［D］.南京：东南大学，2015.

［2］黄益庄.智能变电站是变电站综合自动化的发展目标［J］.电力系统保护与控制，2013，02：45-48.