摘要：文中针对GIS设备运行状态在线监测进行研究，完成了基于PIC32MX795和AT91SAM9G20(ARM9核心)高性能嵌入式处理器的高压开关运行状态在线监测仪的研制，实现对GIS的机械特性参数、GIS气室中sF 的密度、微水含量、放电情况的实时监测、录波分析等功能;针对国家对智能电网的要求，支持国际电工委员会提出的IEC61850标准和双网络接口冗余设计，提高网络容错能力和运行可靠性。
0.引言
GIS(gas insulated switchgear)是输配电和变电领域有着广泛和重要应用的电力设备，作为电力系统中最重要的设备之一， 其性能的可靠性关系到电力系统的安全运行。GIS的封闭性结构加大了运行维护的难度，其故障隐患更难发现。为了能够实时、准确地了解GIS运行状态，及时发现和消除故障隐患，对GIS实行在线监测就很重要。针对高压开关故障的统计调查显示，开关设备的大多数故障发生在机械机构，主要涉及操动机构、监视装置和辅助装置等，文中研制的在线监测仪主要用于测量断路器机构位移曲线、分合闸操动线圈电流波形、储能电机电流波形，气室的sF6密度微水，局部放电等重要参数。
IEC61850是IEC TC57在总结UCA2.0的美国经验和IEC60870系统标准的欧洲经验的基础上提出的关于未来变电站自动化的通信体系标准。其目标是最大限度地利用现有的标准和被广泛接受的通信原理，在不同制造商的智能电子设备(IntelligentElectricDevice，IED)之间实现良好的互操作，并且能适应通信及应用技术的快速发展。
文中基于嵌入式系统，在32位微控制器中移植嵌入式操作系统。借助嵌入式网络控制系统可实现GIS数据信息的同步采集、传输及控制命令的执行。完成现场设备与企业信息系统及以太网的可靠连接，解决由于硬件接口差异或通信规约不同而导致的难于联网的问题。
1 总体设计方案
高压开关运行状态在线监测仪主要由以PIC32MX795为核心的实时数据的采集处理和以AT91SAM9G为核心的数字传感器通信规约转换、IEC61850协议实现两大部分组成。组成框图如图1所示。
GIS机构部件上的机械量和电气量传感器实时采集监测对象的特征信号，通过基于PIC32MX795信号处理芯片进行信号的在线数据处理和状态分析。记录每次动作的机构位移曲线、分合闸操动线圈电流波形、储能电机电流波形，分析当前机构的工作状态。
由PIC32MX795实时采集的机构动作机械特性数据由高速总线送给AT91SAM9G20为核心嵌入式系统，和通过RS一485/CAN等现场总线接口实时测量气室的sF 密度、微水含量、局放等重要参数进行汇总，进行进一步的分析，然后以符合IEC61850标准报文传输协议与变电站网络通讯，在站控层服务器终端的集成软件平台显示GIS机构s 保护气体的参数、开关内部放电情况、相应动作的机械特性参数，绘制动触头行程曲线和操作线圈电流波形，出具机构的状态分析报告。
该装置对断路器机构操作所监测的项目基本涵盖了停电检修试验的大部分内容，其所监测得到的数据可以替代停电检修试验数据。
2 硬件设计
硬件系统设计采用双CPU协同工作，模块化设计方案，可灵活配置功能。通过各种传感器对开关的工况进行连续检测和自诊断，包括开关的机械故障、真空度、绝缘气体的压力、绝缘状态、载流导体温度等，在缺陷变为故障之前给出报警信息，以便及时采取措施避免事故发生。
2.1 实时数据采集硬件设计
机构机械参数测量部分采用PIC32MX795为核心器件 。该器件包含一个基于MIPS32M4K内核的32位高性能RISCCPU，工作频率80 MHz，性能达到1.56 DMIPS/MHz，2组各32个内核文件寄存器、专用单周期乘法器和高性能除法器及丰富的乘加/减指令等增强型内核架构可以轻松完成DSP计算任务，内置的512K Flash存储器和128K SRAM、96个具有独立可编程优先级中断向量;IC内部还包含IO/IOOM 以太网MAC、USB2.0 OTG接口、CAN2.0b、UART、12C、SPI、定时器、DMA模块、硬件实时时钟RTCC、看门狗等丰富的外设资源，能够很好的满足机构机械特性测试方面的要求。通过采集机构动行程一时间曲线、分(合)闸线圈的电流波形、储能电机的电流波形以及分(合)闸辅助触点的开关量，并结合出厂标准曲线和故障专家诊断库来判断机构机械状态的变化以及发展趋势。包括：行程状态、速度变化、机械及传动部件的磨损情况、卡滞所导致的拒动、脱口器松动、电机故障等可能出现的情况。
AD转换器选用AD7606为16位同步采样模数数据采集器，最多支持8通道同步采样。片上集成模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型ADC内核、数字滤波器、2.5 V基准电压源及缓冲、高速串行和并行接口。AD7606采用5 V单电源供电，不再需要正负双电源，并支持真正.4-10 V或±5 V的双极性信号输。所有通道均能以高达200 kSPS的速率进行采样，输入端箝位保护电路可承受最高达±16.5 V的电压。硬件原理图如图2所示。
每套开关执行机构需要监量4个电流，暨分闸线圈电流2个，合闸线圈电流1个，储能电机电流1个，这4个电流采用非接触的霍尔电流传感器实现测量，电流传感器输出4～20 mA标准信号，经过信号调理电路转换成0～5 V电压后进人A/D转换器进行模数转换，在开关动作时同步记录电流波形。分(合)闸辅助触点的开关量经电平转换，光电隔离电路后接入PIC32MX795同模拟量一起进行同步采样。
触点机械位移通过安装在旋转主轴末端的光电角度位移传感器来进行测量，同样经过电平转换，光电隔离后进入PIC32MX795进行处理，计算得出位移曲线，速度曲线等。
2.2 主控子系统硬件设计主控子系统硬件结构包括以基于ARM9 核心的AT91SAM9G芯片的CPU【2 J，存储器模块、以太网通信模块、串行通信模块、GPS时钟和脉冲同步、硬件看门狗等电路组成。主CPU部分：在嵌入式领域中，ARM处理器凭借高性能、低成本、低功耗等特性成为业界公认优秀的32 bit嵌入式处理器体系结构。ARM采用精简指令集架构，指令简单，长度统一，大部分指令可在单周期内完成，运算速度快，采用流水线工作机制，数据和指令的吞吐量大;具有桶形移位寄存器和硬件乘法器I夕 设单元丰富;开发应用便捷，支持操作系统和高级语言编程等特性适合电力系统的大数据量处理应用。
经过比较选用了AT91SAM9G20工业级的ARM926内核CPU作为主处理器。ATO1SAM9G20是一款为工业控制设计的高性能处理器，主要特性包括：400 MHz ARM926EJ—S内核;32一KByte Data Cache.32一KByte Instruction Cache，1个64一KByte内部ROM，2个16一KByte内部SRAM;支持SDRAM，静态RAM。NAND Flash和CompactFlash的外部总线接口;96个可编程I/O 1=I;USB2.0，USART，SPI，以太网MAC控制器等通讯接口;DMA控制器，中断控制器，实时时钟，看门狗等外设。
存储模块：由SDRAM，FLASH和EEPROM组成，为了方便操作系统和协议栈的移植，需要存储器的容量较大。SDRAM选用2片256 Mbit的MT48LCI6M16A2构成32 bit高速数据存储器，用于存放运行时的程序和数据;FLASH存储选用1片2 048 Mbit的K9F2GO8UOA芯片用于固化应用程序、操作系统及协议栈代码，存储录波数据等功能。选用1片512K bit的FM24V02铁电串行EEPROM用来配置参数等。
以太网通讯部分：由3组10 M/100 M 自适应以太网接口构成，2组用于构成双向冗余的IEC61850环网，1组用于连接站级网络。其中2组选用LAN91C111以太网控制器+LX'I971A光纤收发器组成，硬件原理图如图3所示，1组使用A'I91sAM9G20内部的以太网控制器+DP83848物理层收发器组成。串行通信部分;使用AT91SAM9G20内部USART提供2组RS一232接口，2组RS一485接口。其中一组RS一232接口FM24V02铁电串行EEPROM用来配置参数等。
以太网通讯部分：由3组10 M/100 M 自适应以太网接口构成，2组用于构成双向冗余的IEC61850环网，1组用于连接站级网络。其中2组选用LAN91C111以太网控制器+LX'I971A光纤收发器组成，硬件原理图如图3所示，1组使用A'I91sAM9G20内部的以太网控制器+DP83848物理层收发器组成。串行通信部分;使用AT91SAM9G20内部USART提供2组RS一232接口，2组RS一485接口。其中一组RS一232接口连接GPS授时装置，一组RS一232用于连接打印机或在线调试。2组RS一485接1：1用于现场总线连接数字传感器，所有串行通信接口均经过光电隔离电路和数字隔离电源，确保外部设备对系统影响最低。
USB2.0接口：提供一组USB2.0 OTG接口用于信息和数据的现场上传下载功能。
3 软件设计
3.1 PIC32MX795的软件设计
使用集成开发环境MPLAB IDE和C编译器(可以使用90天的评估板)就可以用和以前Microchip 8 bit/16 bit单片机类似的环境开发32 bit程序。Bootloader已经内置在编译器，无需专门编写。这部分软件采用前后台结构，如图4所示，没有使用操作系统，可以保证最大限度的实时性。
使用输出比较模块定时输出连续的采样脉冲控制AD7606同步采样和转换，转换结束后AD7606输出结束脉冲通知CPU，进入转换完成中断读取结果到采样值缓冲区，返回主程序进行数据分析和处理，根据各参数变化趋势判断开关是否动作及动作是否正常。采样值缓冲区采用环形缓冲区，记录最近采样值，如果判断有开关动作，则缓冲区内容作为录波文件和GPS提供的动作时间一起存储，并通知主控CPU向上一级传输。位移量的计算同样采用中断服务程序完成，角位移编码器输出2相具有90。相移的脉冲信号，经光电隔离、电平转换后A相下降沿触发中断，在中断服务程序中根据B相状态确定旋转方向，完成更新触头的机械位移，如图5所示。
3.2 AT91SAM9G软件设计
这部分软件要实现的功能非常复杂 。 ，所以采用嵌入式操作系统Linux作为ARM处理器的系统软件负责管理系统资源，为用户提供调用接口，方便应用程序的开发和稳定运行。软件设计包括启动程序(Bootloader)移植、核心(Kerne1)移植、驱动(Driver)编写、应用程序编写等几个部分。Botloader选用U—boot一1.3.4版本进行移植，Kernel选用LINUX一2.6.3版本。嵌入式Linux启动流程如图6所示。进入系统后依次启动用户任务，如图7所示，包括IEC61850数据服务、GPS时钟接收和同步采样过程、sF6气体密度、温度、压力、微水、露点等参数分析，SF6气体绝缘『青况监测(局部放电)，开关动作时分合闸电流，触电位移、速度、执行情况等机械特性参数的分析等。上述参数发生异常时通过告警模块发送告警信息。
3.3 IEC61850协议
IEC 61850标准分为1O个部分，其体系结构和内容分布见参考文献[6]。由于IEC 61850标准相当复杂，在该设计中采用第三方软件包来实现IEC61850协议栈。IEC61850以客户机/服务器模式运行，客户机代表向其他智能设备请求或确认功能服务。服务器代表智能设备本身可视或可访问的自动化功能。IEC 61850的7—3、7—4部分关于数据建模部分是整个IEC 61850的核心部分，数据建模是通过对自动化系统或设备进行功能分解后，以功能为主要的建模元素，将其所需要的数据按类型以逻辑节点方式建模，而这些节点可以通过通信协同的方式实现自动化系统或设备的功能。逻辑节点驻留在逻辑设备中，逻辑设备驻留在变电站中的物理设备实体中。物理设备通过网络互联，使得所有的逻辑设备间能建立起通信，逻辑设备通过数据引用方式获取其他逻辑设备中其所需要的数据。
针对服务器功能作为建模对象，首先定义语义模型类，接着对照语义模型类将智能电子设备的自动化功能等相关信息抽象、分解并通过对语义模型类的继承、重载或直接引用，生成特定的应用实例，最后将这些实例按照“类”的形式层次化的构成具有一致性和确定性的信息模型(服务器)，属性包含逻辑设备、逻辑节点、数据对象和数据属性4个层次。系统建模具体
流程如下：
(1)对需求的应用系统进行功能分解，并对功能分类，如保护类、量测类、控制类等。
(2)将一个功能实现为一个逻辑节点，逻辑节点的建模按图8所示。
(3)将各逻辑节点分配到变电站不同的IEC61850逻辑设备中，对于在已有逻辑设备中无法找到的逻辑节点，将其实现在站层。
(4)按照实际的逻辑节点建模，建立SCL配置文件，供自动化系统初始化使用。
(5)进行编码工作，实现自动化系统。IEC 61850的数据模型可以通过多种方式实现在计算机程序，下面以C/C++实现逻辑节点MMXU为例说明：
这段代码就可以完成对遥测功能的建模。对采样值报文和通用的面向对象的变电站事件的报文传输服务这两种实时性要求最高的通信服务的组织方式为：
帧字段：依据IEEE802.3和IEC61850。规定设备采样值报文和GOOSE报文特定的目的地址、源地址、优先级和以太网形式。
数据段：依据抽象语法(ASN.1)及其基本编码规则(BER)对采样值报文和GOOSE报文的应用协议数据单元(APDU)、应用服务数据单元(ASDU)进行编码。采样值传输报文的应用协议数据单元(APDU)的组织格式由一个或多个应用服务数据单元(ASDU)和4个字节的应用协议控制信息APCI串联组成。
采样值报文封装成1帧长度为Ⅳ个ASDU个数的以太网帧。每个ASDU包括通用数据集和状态数据集两个部分，包括报文发布者和引用数据集的基本信息、按照以上组织之后，在Linux操作系统中用网络协议栈的套接字(Socket)和TCP协议包编程实现在数据链路层上对采样值报文进行转发。
双网冗余是提高通讯网络容错能力和可靠性的重要措施，设计中网络通讯控制器、收发器、连接器等2套完全独立，采用非级联的热备用冗余的方案保证网络通讯的可靠性。
4 结束语
文中设计的应用对挂网运行中的GIS进行机构机械特性在线监测及状态评估，实现了GIS“状态可视化”，简化了电力系统的定期的设备维护工作。安装运行后可以提前进行故障隐患报警，避免重大电网事故发生。系统出具的机构状态检测报告可以指导变电站对开关进行有针对性的状态维修，不但能节约了定期检修所投入的大量资金和人力，还能减少设备投入的备件数量，避免不必要的材料浪费，同时也延长了设备的使用寿命。
参考文献：
[1] PIC32MXSXX/6XX/7XX Fami~Data Sheet，[DB/OL].[2011—06— 20].http：//www。microchip。co/downloads/en/DeviceDoc/61 156G.pdf.
[2] ATglSAM9G20 ARM Thumb Microcontrollers Data Sheet，[DB/OL].[201 1—06—20].http：//www、atme1、com/dyn/resources/prod—doc—uments/doe6384.pdf.
[3] JASIO L D.32位单片机c语言编程一基于PIC32.张鼎译.北京：人民邮电出版社，2009.
[4] 宋宝华.Linux设备驱动开发详解.北京：人民邮电出版社，2008.
[5] 弓雷.ARM嵌入式Linux系统开发详解.北京：清华大学出版社，2010.
[6] 窦晓波.基于IEC61850的新型数字化变电站通讯网络的研究与实践：[学位论文].南京：东南大学，2006.
作者简介：张立(1972一)，高级工程师，学士，主要研究方向为智能传感器及仪表的研究。
