引 言

　　在电力系统中，电网调度自动化系统的地位极其重要，而RTU(Remote Terminal Unit，远端测控单元装置)又是该系统中变电站厂站端的核心装置，RTU的运行状态直接影响系统的正常运行与否。当RTU或者远动通道发生故障而引起通信中断后，在电力调度中心无法判断是变电站RTU运行出现错误导致RTU系统死机，致使数据无法上传，还是由于远动信道故障造成通信失败。因而给系统管理和安全生产造成影响甚至发生事故。根据多年系统的运行经验，由RTU本身引起通信中断的故障有三类：RTU死机、RTU工作电源故障和RTU失电。远动通道发生故障致使通信中断的原因有：发送通道中断、接收通道中断和通道电平衰耗过大使收发电平太低而无法通信。针对上述问题，笔者研制了基于SoC嵌入式远动通道及RTU故障监测系统。本文主要介绍了以SoC片上系统C8051F020为核心的嵌入式厂站端装置的电路设计及相关软件的设计方法。

　　1 变电站RTU及远动信道故障监测系统的技术要求和实现方案

　　为了监测变电站RTU及远动通道的具体故障位置，应当采用集散式远程监测系统，测试RTU及信道工作状态，并将测试结果上传调度端。通过对于测试数据的分析，判断RTU及信道工作状态正常与否，并且对故障性质进行定位。

　　根据用户要求，变电站RTU及信道远程监测系统主要技术要求如下：

　　◇ 具有遥测功能，用于监测RTU或其他设备电压电流情况。

　　◇ 具有遥信功能，用于监测变电站相关设备动作状态或RTU的相关状态。

　　◇ 具有遥控功能，可对于RTU或其他设备进行遥控操作。

　　◇ 监测信道状态，包括监测信道电平信道数据正确与否，并在需要时可随时读取信道数据进行判研，当出现遥测遥电压过低或遥信变位及信道数据错误时，应及时上报监测中心并告警。

　　所有上述操作过程中的数据应存储于数据库中以备查用。

　　根据上述技术要求，笔者采用集散控制系统，即每个变电站各安装一台前端机。电力调度中心用一台工业控制计算机进行集中管理控制。变电站与电力调度中心之间的通信方式是利用GSM公众无线移动通信网络实现的。利用GSM公众无线移动通信网络，可进行语音、数据和短消息等通信。使用费用低，通信距离不受限制，通信效果稳定可靠。

　　2 系统结构及工作原理

　　由上述技术方案确定系统结构如图1所示。

　　
图1 系统结构

　　整个系统由三大部分组成，即安装于变电站现场的厂站端装置部分、后台监控中心和GSM无线通信系统。

　　厂站端装置完成变电站各种遥测信号、遥信信号和载频信号的采集。当出现异常情况时，通过GSM无线通信系统，将相关数据上传监控中心，也可以接收由监控中心传来的各种指令和数据，并进行相关操作。

　　监控中心接收由厂站端上传的现场数据，并可实现声光报警，还可随时调取厂站端工作状态和载频信道数据，并可向厂站端装置发送各种操作命令，下载相关数据。

　　由于采用GSM的CSD数据方式和SIM短消息数据通信方式，因而本系统具有实时性强，自动数据处理功能，速度快，抗干扰能力强，兼容性好等特点。

　　3 厂站端装置硬件及软件设计原理

　　为了满足前述技术要求，确定厂站端装置的结构如图2所示。

　　
图2 厂站端系统框图

　　厂站端装置主要以片上系统C8051FO20为核心，在单片微控制器外围扩展了2个载频接口，1个八输入端12位的遥测信号接口，1个八输入端的遥信输入接口，2个遥控开关输出端口，一个RS-232串行通信接口以及状态指示灯阵列。

　　单片微控制器C805IF020是一款完全集成的混合信号系统级芯片，与8051指令集完全兼容。

　　◇ 高速流水线结构的8051兼容CIP-51内核(可达25MIPS) 。

　　◇ 高速非侵入式的在线系统调试接口(片内)。

　　◇ 真正12位，100Ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关。

　　◇ 2个12位DAC。

　　◇ 64KB可在系统编程的Flash存储器。

　　◇ 4352(4096+256)B的片内存储器。

　　◇ 可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口。

　　◇ 硬件实现的SPI，SMBus/I2C和2个UART串行接口。

　　◇ 5个通用16位定时器。

　　◇ 具有5个捕捉比较模块的可编程计数器/定时器阵列。

　　◇ 片内看门狗定时器，VDD监视器和温度传感器。

　　C8051F020是一款真正独立工作的片上系统，将C8051F020用于RTU及信道监测系统，可大量减少外围器件，充分发挥F020的高速度特点，大大提高了系统的集成度。

　　载频信道接口的功能是将载频信道数据经转换后读入单片微控制器。采用了2片FSK调制解调器芯片AM7910来实现对于上下行载频数据的转换。

　　AM7910是一款专门用于低速串行模拟信道的FSK调制解调器芯片，其特点是支持CCITT V.21、V.23和Bell 103及Bell 202规约，通信速率300b/s～2400b/s。外围电路简单，利用外部跳线，就可实现多种规约，多种速率以及多种工作方式选择。

　　由于片上系统C8051FO20有两个串行通信接口UART，但其中之一已分配给了GSM通信模块使用。因此，上下载频两个通道只有一个串行通信接口可供使用。为满足上下载频通道的转换要求，笔者采用了一片MCS-51系列单片机89C2051设计了一个串行/并行数据转换电路。这样一来，两个载频信道中，其中之一采用一片AM7910直接转换载频数据，并送入C8051F020的一个串行接口中，另外一个载频信道数据经AM7910转换后送入89C2051单片机的串行接口中，然后经89C2051进行预处理，并转换为并行数据，将并行载频数据送入C8051F020的并行接口中。

对于遥测信号接口，要求其输入最高电压为±30V，而C8051F020单片微控制器的片内A/D转换器最高输入电压为+3V。对于+30V的输入电压，采用了电阻分压衰减电路，将+30V的输入电压降为+3V输入。为了测量-30V的输入电压，设计了采用运算放大器进行反相放大，将-30V的输入电压降低为+3V输入。两种电路设计在同一电路板上，用短路跳线方法进行切换正负输入。利用片内可编程放大器和相关软件，可实现0～30V;0～15V;0～7.5V档位的自动切换，大大简化了测量工作，并且提高了测试精度，电路如图3所示。

　　
图3 遥测接口电路

　　遥信信号接口中，采用了光电藕合器将输入遥信信号与本系统隔离，减少了外界干扰对于系统的影响，如图4所示。

　　
图4 遥信接口电路

　　GSM通信模块采用西门子公司的工业通信模块TC35T。TC35T具有语音、数据、短消息和FAX四种传输方式;工作在GSM900MHz和1800MHz频带范围内;工作电源8V～30V;波特率为300bps～115kbps，在1200bps～115kbps为自动波特率设置;数据传送采用AT命令集;对外提供标准的RS-232接口和电源接口。应用时，将单片微控制器C8051F020配上标准的RS-232串行口芯片与TC35T的串行口用电缆直接连接，就可以使用了。

　　TC35T模块在使用前必须用一台电脑离线对于TC35T进行初始化设置，并将设置参数存储在TC35T中。相关命令如下：

　　ATS0=n n=/=0; 设置自动接听振铃次数

　　AT+IPR=9600;设置通信速率

　　AT+&W;设置参数存储

　　设定完成后即可正常使用。

　　由于模块在数据通信模式下不再接收其他AT指令，只能进行数据传输。因而需要使用“+++”命令进行数据模式到命令模式的切换。

　　在短消息方式下，主要相关的AT命令如下：

　　AT+CMGF; 选择短消息格式

　　AT+CSCA; 短消息中心地址

　　AT+CNMI; 显示新收到的短消息

　　AT+CMGR; 读短消息

　　AT+CMGS; 发送短消息

　　AT+CMGD; 删除SIM内存中的短消息

　　前端机软件主程序流程如图5所示。

　　
图5 前端机系统程序流程图

　　在图5中，CPU首先初始化，之后分别采集遥测、遥信和载频信道数据。采集完成后，根据有关原则进行故障判别。如果发现系统出现异常，则记录故障通道号码及相关数据，设置故障标志，然后启动GSM通信模块将故障信息发送至后台监控中心。

　　4结 语

　　笔者研究设计的基于SoC片上系统嵌入式变电站RTU及远动信道监测系统，采用了GSM无线公众移动通信网络进行数据传达输，可以在调度端对变电站RTU和信道的故障进行远程诊断，可准确对RTU和信道故障进行区分。使故障设备能够得到及时维修，大大提高了远动设备运行的效率，达到了预期的设计目标，受到了用户的好评。