高压断路器是电力系统中必不可少的电气设备，断路器跳合闸回路的完好是保证断路器正常工作的必要条件。对跳合闸回路进行在线监测，是实现跳合闸回路预知性维修的前提，是保证电网安全可靠运行的关键因素。
国网湖北省电力有限公司武汉供电公司、武汉凯默电气有限公司的研究人员董中和、宋晓航、唐昱恒、王盛威、王义波，在2021年第1期《电气技术》上撰文，对跳合闸回路的工作状态与回路电流变化情况进行原理分析，并设计了跳合闸监测系统。
该系统由电流采集电路、模数转换电路、主控系统和通信电路组成，完成跳合闸回路电流采集、量化、控制、过滤和发送等操作，配合使用在线监测设备监测软件，可以实现跳合闸回路实时监视和故障报警等多种功能。
随着电力系统的容量与能量需求的不断增加，电力系统的安全运行显得越来越重要。断路器是电力系统中必不可少的设备之一，起着保护和控制的双重作用。断路器能够根据电网运行需要可靠投入或切除相应的线路或电气设备。
断路器故障会造成电网供电能力减弱，甚至导致一系列连锁事故，造成供电系统瘫痪，严重影响着人们正常生产和生活。2018年3月21日，巴西电网因为断路器过载保护后的一系列连锁反应，导致其14个州发生停电事故，9个州供电受到影响，造成了严重的经济损失。2015年3月31日，土耳其电网因断路器跳闸发生了大规模停电事故，导致电网崩溃和瘫痪，影响了其国内约90%的人口，造成的经济损失约7亿美元。
断路器跳合闸回路是断路器重要的控制和保护回路。相关研究文献表明，跳合闸回路故障是导致断路器故障的主要原因。经查阅相关研究文献，将我国近几年来断路器发生的故障类型及比例数据整理成表1。
从表1中数据可见，绝缘故障是所有故障类型中占比最大的。降低绝缘故障发生的次数，将显著减少因断路器故障导致的停电事故，极大地提高电网运行的可靠性和安全性。
表1 断路器故障类型及比例统计表
对断路器跳合闸回路进行监控能有效减少断路器故障的发生，是保证电网可靠运行的重要措施。目前，国内外现有的断路器跳合闸监视方法有以下4种：
①红绿灯回路直接监视法，红灯监视合闸，绿灯检测跳闸，电路结构简单，但无法实现全工况监视；
②跳合闸位置继电器间接监视法，将跳合闸位置继电器线圈串接于合跳闸回路中，两者常闭接点串接至中央信号，与红绿灯监视方式一样，无法实现全工况监视；
③操作箱中自带监视信号灯法，利用操作箱附设了跳闸回路完整性监视灯，相当于红绿灯监视方式的红灯，只能监视合闸，无法监视跳闸；
④串接高内阻继电器于跳闸回路法，对跳闸回路利用串接高内阻继电器，可以实现跳闸回路全工况监视，但不能实现合闸回路全工况监视。
从对上述4种监视方式的分析发现，上述方法均不能对跳合闸回路进行全工况监视。在对国内外跳合闸回路相关研究的基础上，本文搭建了一个断路器跳合闸监测诊断系统。
该系统使用霍尔电流传感器实时监测跳合闸回路电流，通过采集终端获取霍尔电流传感器数值，在对数据进行处理和过滤后，以采样值（sampled value, SV）和面向通用对象的变电站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）报文上传至在线监测设备上，在线监测设备实时处理报文数据，达到对跳合闸回路的全工况监视和故障诊断的目的。
以往在断路器跳合闸监测方法中，基本采用串联或者并联其他元器件来实现断路器跳合闸回路状态监测。本文以断路器跳合闸回路的异常工作的结果为导向，通过溯源性原理，分析断路器跳合闸回路在异常发生前后的电流变化情况，达到对跳合闸回路实时监测的目的。同时针对回路故障进行了回路电流量化分析，快速对故障位置进行辅助诊断与定位。
跳合闸监测系统架构由采集单元与管理单元组成，为适应变电站恶劣的电磁环境与长距离的数据传输，采集单元与管理单元之间通过光纤进行通信。
采集单元是跳合闸监测系统的核心部件，主要负责完成断路器跳合闸线圈电流的实时采集，并对电流数据进行判断和过滤，通过通信光网口，以标准GOOSE报文和SV报文将数据上传给管理单元，采集单元采用标准的1U机箱设计，安装在智能终端柜里。
管理单元由在线监测设备组成，在线监测设备上运行开发的监控软件，主要完成与采集单元的通信、数据的分析处理、运行参数波形曲线的显示、综合诊断分析等功能，实现对跳合闸回路的实时监测与故障报警。
系统架构框图如图1所示。
图1 系统架构框图
采集单元硬件主要由开合式霍尔电流传感器、模数转换电路、主控系统、百兆光以太网口电路和电源系统组成。
开合式霍尔电流传感器用于将被测电流转换成一定比例的电压信号，并将电压信号输入至模数转换电路；模数转换电路用于将电压信号进行量化后，送入主控系统进行计算、判断和过滤；主控系统将过滤后的电流数据打包通过百兆光网口发送至在线监测设备。
电源系统主要是为智能采集单元各硬件电路提供不同电压等级的电能需求，供其正常稳定的工作。
跳合闸监测系统软件的设计分为采集单元中FPGA程序设计与管理单元在线监测设备的监控软件设计。
图2 FPGA软件流程图
图3 管理单元监控软件界面
图4 管理单元监控软件流程图
图5 实验室模拟仿真平台
断路器在电力系统中起着重要的作用，断路器跳合闸回路的完好是保证断路器正常工作的必要条件，因此设计变电站跳合闸监测系统具有非常重要的意义。该系统可以实现对跳合闸回路进行实时监测与故障报警，是实现跳合闸回路预知性维修的前提，更是保证电网安全可靠运行的关键。
在对跳合闸监测系统的功能测试中，制作了模拟仿真平台，在模拟仿真平台上进行了模拟故障测试，配合在线监测设备监测软件，可以有效判断回路是否出现异常，实现跳合闸回路的智能化运行，减少检修与运维人员的工作量。
当回路出现异常时，及时报警，告知工作人员，避免回路异常的工作状态进一步恶化，以提高电网稳定性。同时针对回路故障进行了回路电流量化分析，快速对故障位置进行辅助诊断与定位，为检修人员节省了检修时间、减小了维护工作量，在保障变电站跳合闸回路安全与可靠运行的同时提高了检修效率。
本文编自2021年第1期《电气技术》，论文标题为“智能变电站跳合闸监测系统研究与应用”，作者为董中和、宋晓航、唐昱恒、王盛威、王义波。
摘要
针对箱式变电站（简称“箱变”）监控系统实时性差、功能不健全等问题，设计了一种基于ARM与DSP的箱变智能远程监控系统。给出了该系统的硬件框图和工作原理图，对模拟量采集、开关量输入输出等模块进行了设计；在研究主程序以及模拟量、开关量、GPRS通信等流程的基础上，开发了箱变智能远程监控软件，实现了环境参量、电气参量和开关量等实时监控以及数据查询、故障预警、能效分析等功能。运行结果表明，该系统具有实时性强、功能全面、稳定性高等特点，对实施防御性维护、提高供电质量以及节能降耗等都具有重要意义。
中文引用格式： 张翠，高新勤，李楠. 基于ARM与DSP的箱式变电站智能远程监控系统[J].电子技术应用，2019，45(3)：104-107，112.
英文引用格式： Zhang Cui，Gao Xinqin，Li Nan. Intelligent and remote monitoring system of box-type substation based on ARM and DSP[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(3)：104-107，112.
0 引言
箱式变电站（简称“箱变”）具有体积小、移动方便等优点，已大量应用于我国的供输电系统[1]。然而，传统的箱式变电站智能化程度还很低，存在数据采集滞后、监控功能单一、无法做到事前预警等问题[2]。因此，实现箱变的智能化远程监控具有重要的意义[3-4]。
黄新波等基于双核理念设计了一种箱变监测装置，对电压、电流、功率、频率等电力参数和温度进行监测[5]。黄绍平等设计了一种基于AT89S52单芯片的箱变监控装置，对温湿度和凝露进行监控[6]。冯利民等设计了一种基于Intel单片机的箱变监测终端系统，实现对温度、电流、电压等参数的实时监控[7]。郭文敏等设计了基于单片机80C196KC的箱变监控系统，可监测各相电流、电压、功率因数、电能等[8]。但总的来说，目前箱变监控系统还存在监测参量不全面、功能单一等问题，且多数为单核系统，没有统一的通信接口，处理大数据的实时性差[9-10]。因此，设计一种监测参量全面、功能丰富、实时性和可靠性高且具有统一通信接口和协议的箱变智能远程监控系统势在必行[11]。
本文采用ARM+DSP双核技术和GPRS无线通信方式，设计了一种能够对温湿度、凝露、烟感等环境参量，电压、电流、功率、频率、谐波、负载等电气参量以及开关量同时进行监测的智能化远程箱变监控系统，实现了数据查询、故障预警、能效分析等功能。
1 智能远程监控系统硬件设计
如图1所示，基于模块化设计思想，箱变智能远程监控系统的硬件模块主要有电源模块、CPU模块、DSP模块、模拟量采集模块、开关量输入/输出模块、通信模块、人机接口模块等。
下面结合图2所示的硬件工作原理图，对箱变智能远程监控系统的主要硬件模块进行介绍。
1.1 ARM与DSP接口
箱式变电站的监控参量众多，数据量大，实时性要求高，所以主处理器ARM 选用S3C2410，内核为ARM920T，基于ARMv4架构，能够达到ARM7处理器两倍以上的处理能力。从处理器DSP选用TMS320C5420，拥有两个DSP核，速度达到200 MIPS，具有强大的数据处理能力。双端口RAM选用IDT70261，具有数据存取速度快、正确性高、可扩展等优点，特别适用于需要大批量数据处理的箱变智能远程监控场合。
ARM与DSP之间的高速数据传输通过双端口RAM 来实现，具有实时性好、传输数据量大等特点[12]。在硬件连接中，双端口RAM的左端连接ARM，右端连接DSP，如图3所示。
1.2 箱变电源模块
电源模块的持续供电是箱变智能远程监控系统正常运行的基础。箱变智能远程监控系统的电源模块包括交流电源和直流电源两部分。交流电源220 V主要给电源管理模块供电，直流电源5 V、3.3 V、1.8 V等分别给CPU、DSP、Flash、ADC等装置供电。
箱变智能远程监控系统的电源供电原理如图4所示。为提高电源模块供电的可靠性，采用双交流电源为电源管理模块供电。当一路交流电源出现故障时，可迅速切换到另一路交流电源。同时，采用蓄电池作为后备电池，当交流电源正常工作时，电源管理模块给蓄电池充电；当交流电源失电时，蓄电池立即投入工作，从而有效保障了箱变智能远程监控系统连续运行。
1.3 模拟量采集模块
如图5所示，从电压互感器PT、电流互感器CT获取的电压、电流信号是不能直接输入到DSP进行数据处理的，必须经过信号调理电路和A/D转换电路。信号调理是将PT、CT中得到的u、i模拟信号经放大电路、低通滤波、采样保持，转换到ADC要求的电压范围。A/D转换器再将模拟量转化为数字量，之后传送到DSP进行电量参数的计算和处理，得到u、i的有效值、有功功率、无功功率、功率因数和谐波等各种电气参量。
与此同时，箱变智能远程监控系统还需要对温湿度、凝露、烟感等环境参量进行监测。在环境参量采集中，传感器采集到的环境参数也要经过信号调理电路和A/D转换电路处理，然后输入到ARM中。
1.4 开关量输入输出模块
开关量输入模块的作用是实现箱变监控系统的遥信量采集，即通过监测箱变内开关设备的辅助常开、常闭触点，从而识别负荷开关、断路器、电容器和风机等电力装置的开关状态。遥信量采集易受到电磁干扰，因此在箱变的开关量输入模块中加入低通滤波电路和光电隔离器。
开关量输出模块的作用是实现箱变监控系统的遥信量控制，即控制箱变内电力装置开关的分合。为有效抵抗干扰，开关量输出信号首先锁存到控制缓冲器，再经光电隔离和功率放大后驱动继电器，由继电器控制电力装置开关的分合。为进一步提高开关量输出的可靠性，在继电器辅助触点处增加一个开关量反馈输入，以监测继电器的实际动作情况。
1.5 箱变通信模块
箱变监控终端与监控中心之间的实时通信是开发箱变智能远程监控系统的关键技术，直接影响箱变监控系统的实时可靠性。GPRS无线通信技术具有传输速率高、永远在线、通信费用低、供电维护方便、覆盖范围广等特点[13-14]。本文选用MG323，通过RS232接口与主CPU相连，并在CPU的控制下进行GPRS网络连接，实现与监控中心的数据互传。MG232模块具有体积小巧、性价比高、性能稳定、传输速率高等优点，能够满足箱变智能监控系统远程传输数据的高实时性和准确性要求。
1.6 人机接口模块
监控系统的硬件部分安装在箱变内部，各种装置的运行情况及其监测数据需要通过良好的人机界面显示。本文开发的箱变智能远程监控系统的人机接口模块包括LED显示和键盘两部分。点阵液晶屏HJ12864ZWG具有功耗低、操作方便、功能丰富、体积小巧等优点，能够满足箱变内部结构紧凑的要求。
2 智能远程监控系统软件设计
智能远程监控系统对箱变的环境参数、电力参数、开关信号等进行实时采集和处理，将故障数据上报监控中心，并及时执行监控中心下达的指令，实现遥测、遥控、遥信和遥调的“四遥”功能。
如图6所示，在软件的主程序流程中，系统首先初始化，启动开中断，然后进行数据采集和存储。当发现故障时上报故障并执行监控中心的指令，再对故障事件进行记录，最后将数据上传至监控中心。
2.1 模拟量采集流程
2.1.1 电气参量采集流程
电气参量采集模块的主要任务是采集交流电压、电流信号，准确而快速地计算有功功率、无功功率、谐波等参量。为提高数据采集的实时性，将每个周期采样点设为64个，通过中断控制器和定时器定时采样。当A/D完成一个周期采样后，立即送入DSP进行参数的计算和处理。电气参量采集与处理的流程如图7所示。
2.1.2 环境参量采集流程
与电气参量不同，环境参量的采集经过A/D转换后，不用经过DSP，而是直接写入ARM，具体采集流程如图8所示。
2.2 开关量输入输出流程
开关量输入输出模块的作用是监测箱变内部电力装置的开关状态，并通过GPRS通信技术及时将状态信息发送给远程监控中心，同时接收监控中心的遥控指令，通过控制相应继电器控制开关的闭合。开关量输入输出的具体序流程如图9和图10所示。
2.3 GPRS通信流程
GPRS模块的主要功能是实现箱变监控系统与监控中心的远程通信。首先初始化数据缓存区和标志信息，当GPRS模块接收到ARM的AT指令后，完成启动，然后向监控中心的IP地址发起网络连接，连接成功后按照设计的数据格式向监控中心传输数据。GPRS通信流程如图11所示。
2.4 软件功能模块及其实现
为方便工作人员监控箱变的运行状态，实现“四遥”功能，并进行数据查询、故障预警、能效分析等操作，箱变智能远程监控系统配有上位机监控软件。该软件采用JavaScript和HTML设计前端界面，用C#开发后台处理程序，实现了实时监控、统计分析、用户管理等功能。软件功能、系统主界面如图12和图13所示。
3 结论
本文针对箱式变电站监控系统实时性差、功能不健全等问题，基于双核技术和GPRS无线通信方式，给出了模拟量采集、开关量输入输出等模块的硬件工作原理图和软件实现流程图，研发了一种基于ARM与DSP的箱式变电站智能远程监控系统。该系统用DSP采集和处理数据，用ARM完成通信接口、人机接口和I/O控制等外围工作，充分发挥DSP和ARM的优点，解决了数据采集和处理时滞性等问题。同时，该系统能够对温湿度、凝露、烟感等环境参量，电压、电流、功率、频率、谐波、负载等电气参量以及开关量同时进行智能化远程监测和控制，还实现了数据查询、故障预警、能效分析等功能。总的来说，本文研发的箱变智能远程监控系统，实时性高，功能全面，性能优越，运行稳定，对实施防御性维护、提高供电质量以及节能降耗等都具有重要意义。
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作者信息:
张 翠，高新勤，李 楠
（西安理工大学 机械与精密仪器工程学院，陕西 西安710048）
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