云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局 周明敏 朱曉霰 高 杰

針對(duì)目前繼電保護(hù)裝置顯示存在的一些問(wèn)題，結(jié)合目前流行的串口液晶屏，設(shè)計(jì)了一種分體式繼電保護(hù)裝置，提高了顯示效果，方便升級(jí)，降低成本，顯示單元出現(xiàn)故障時(shí)不影響主控單元的正常運(yùn)行，給繼電保護(hù)裝置未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)提供了一種新的思路。

目前繼電保護(hù)裝置都是一體化設(shè)計(jì)，人機(jī)界面和主控單元在一個(gè)裝置上，顯示界面一般采用點(diǎn)陣式單色顯示液晶屏，屏幕分辨率低，圖像顯示質(zhì)量不高，顯示內(nèi)容單一，人機(jī)交互體驗(yàn)差，需要獨(dú)立制作字庫(kù)，界面顯示更新需要修改應(yīng)用程序，顯示部分出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，需要將整個(gè)裝置替換，增加開(kāi)發(fā)周期和裝置成本。隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，繼電保護(hù)技術(shù)也在持續(xù)改進(jìn)和提升，具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及數(shù)字化的特性，對(duì)繼電保護(hù)裝置的圖像質(zhì)量、顯示內(nèi)容等功能提出更多更高的要求。

1 串口液晶屏

隨著顯示技術(shù)、通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展，串口液晶屏得到了廣泛應(yīng)用，串口液晶屏是指帶串口控制的液晶屏，由單片機(jī)或PLC來(lái)控制的液晶顯示屏，通過(guò)串口發(fā)送觸摸屏的坐標(biāo)信息和控件信息，并接收串口發(fā)送過(guò)來(lái)的指令，完成在液晶顯示屏上繪圖的所有操作。串口液晶屏廠商提供圖形化開(kāi)發(fā)軟件配合開(kāi)發(fā)，用于降低開(kāi)發(fā)難度，設(shè)計(jì)人員不用再關(guān)心液晶屏的底層驅(qū)動(dòng)，只需要在上位機(jī)上設(shè)計(jì)顯示效果和處理邏輯，短時(shí)間就可以制作出好的顯示系統(tǒng)產(chǎn)品。

初期版本的串口液晶屏，都是簡(jiǎn)單的通過(guò)上位機(jī)軟件來(lái)進(jìn)行界面下載，然后發(fā)送命令過(guò)去把界面顯示出來(lái)，以達(dá)到所需要的顯示效果，觸摸方面僅支持上傳坐標(biāo)?，F(xiàn)在串口液晶屏已經(jīng)形成了一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，功能強(qiáng)大，帶組態(tài)功能，各種功能不再是簡(jiǎn)單使用圖片處理的粗糙操作，界面操作越來(lái)越接近手機(jī)的顯示。目前串口液晶屏已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、智能家電、交通軌道、數(shù)據(jù)機(jī)房、充電樁、電力、醫(yī)療、國(guó)防安全、共享設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

分體式繼電保護(hù)裝置包括主控單元、顯示單元、以太網(wǎng)通信幾部分，主控單元和顯示單元之間通過(guò)以太網(wǎng)連接。

2.1 主控單元

主控單元是分體式繼電保護(hù)裝置的核心部件，由電源模塊、交流采樣模塊、開(kāi)入模塊、開(kāi)出模塊、邏輯處理模塊、弧光保護(hù)模塊、光纖通信模塊、GPS對(duì)時(shí)模塊和以太網(wǎng)通信模塊等組成，見(jiàn)圖1所示。

圖1 主控單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主控單元負(fù)責(zé)輸入量采集、測(cè)量、計(jì)算、邏輯判斷、控制以及外部通信功能，裝置采用32位150MHz主頻的浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）芯片，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，使分體式繼電保護(hù)裝置具有高速度、高集成度和高系統(tǒng)性能。2個(gè)10/100M以太網(wǎng)接口，一個(gè)用于顯示單元通信，一個(gè)用于后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)通信。4路弧光檢測(cè)接口，光信號(hào)從弧光傳感器傳輸?shù)街骺貑卧獣r(shí)，同時(shí)啟動(dòng)電流元件動(dòng)作判斷，電流啟動(dòng)元件分為突變量啟動(dòng)元件和電流常量啟動(dòng)元件，兩個(gè)元件取或邏輯，如果光信號(hào)和電流信號(hào)同時(shí)滿足保護(hù)動(dòng)作條件，弧光保護(hù)動(dòng)作，可選擇動(dòng)作于告警或動(dòng)作于跳閘。2路光纖通信接口，通過(guò)上下級(jí)保護(hù)間的信息交換，實(shí)現(xiàn)故障定位，滿足保護(hù)動(dòng)作選擇性及速動(dòng)性要求。裝置GPS時(shí)鐘同步對(duì)時(shí)功能，采用差分電平方式，可以自動(dòng)適應(yīng)IRIG-B格式和秒脈沖方式，并自適應(yīng)外部接線。

2.2 顯示單元

顯示單元由電源模塊、單片機(jī)、串口液晶屏、鍵盤(pán)、指示燈、以太網(wǎng)通信模塊和輔助功能模塊等組成，輔助功能模塊包括紅外傳感器、藍(lán)牙、無(wú)線測(cè)溫、環(huán)境溫濕度測(cè)量等，見(jiàn)圖2所示。

顯示單元實(shí)現(xiàn)分體式繼電保護(hù)裝置的顯示和一些輔助功能，采用MSP430系列16位處理器，處理器集成了較多的片上外圍資源，具有精簡(jiǎn)指令集、超低功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開(kāi)發(fā)手段等特點(diǎn)。紅外傳感器是用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，利用目標(biāo)與背景之間的戶外輻射差異所形成的熱點(diǎn)或圖像來(lái)獲取目標(biāo)和背景信息，感知運(yùn)維人員進(jìn)行操作時(shí)自動(dòng)點(diǎn)亮液晶屏，長(zhǎng)時(shí)間未檢測(cè)到信號(hào)時(shí)關(guān)閉液晶屏幕以節(jié)省能源。顯示單元集成了ZigBee無(wú)線通信模塊，是一種低成本、低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)，適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，ZigBee無(wú)線通信模塊接收無(wú)線測(cè)溫傳感器信息，可以測(cè)量開(kāi)關(guān)觸頭等重要位置的溫度。顯示單元集成了藍(lán)牙無(wú)線通信模塊，藍(lán)牙是一種無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備的短距離數(shù)據(jù)交換，顯示單元通過(guò)藍(lán)牙和手機(jī)連接，用手機(jī)APP讀取信息和控制操作。

圖3 主控單元和顯示單元網(wǎng)絡(luò)連接圖

3 應(yīng)用設(shè)計(jì)方案

分體式繼電保護(hù)裝置的主控單元和顯示單元是兩個(gè)獨(dú)立的模塊，兩個(gè)模塊之間通過(guò)以太網(wǎng)線連接，基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議通信。主控單元和顯示單元的默認(rèn)IP地址可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊之間通信，通過(guò)以太網(wǎng)線直連接后，顯示單元發(fā)出UDP廣播報(bào)文，去鏈接主控單元，當(dāng)主控單元收到UDP報(bào)文，發(fā)出TCP鏈接報(bào)文，去鏈接顯示單元，等主控單元和顯示單元TCP鏈接成功后，主控單元和顯示單元之間就可以進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。主控單元和顯示單元連接成功后，可以修改主控單元和顯示單元的IP地址，再次上電連接時(shí)，以新設(shè)置的IP地址進(jìn)行通信。

圖4 顯示單元效果圖

單個(gè)主控單元和單個(gè)顯示單元可以直接通過(guò)以太網(wǎng)線相互連接，也可以將多個(gè)主控單元和多個(gè)顯示單元同時(shí)接入交換機(jī)，通過(guò)地址設(shè)定進(jìn)行匹配，一個(gè)主控單元可以和一個(gè)顯示單元連接，也可以和多個(gè)顯示單元連接，在任一個(gè)顯示單元上進(jìn)行操作，同一個(gè)主控單元連接的多個(gè)顯示單元同時(shí)刷顯示信息，見(jiàn)圖3所示。

顯示單元存儲(chǔ)裝置所有畫(huà)面圖片和控件信息，主控單元存儲(chǔ)所有畫(huà)面信息和控件信息，顯示單元畫(huà)面控制功能由主控單元實(shí)現(xiàn)，顯示單元將觸摸屏位置和按鍵信息通過(guò)以太網(wǎng)傳送給主控單元，主控單元根據(jù)當(dāng)前畫(huà)面信息和顯示單元傳遞的信息，通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)顯示單元進(jìn)行畫(huà)面切換，刷新控件信息。顯示單元采用大屏幕彩色液晶，菜單風(fēng)格操作界面，同時(shí)支持觸摸屏和按鍵操作，見(jiàn)圖4所示。

小結(jié)：分體式繼電保護(hù)裝置的主控單元和顯示單元相互獨(dú)立，顯示單元出現(xiàn)故障時(shí)不影響主控單元的正常運(yùn)行，顯示單元界面通過(guò)上位機(jī)組態(tài)開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)周期快，穩(wěn)定性高，升級(jí)方便。分體式繼電保護(hù)裝置顯示單元通過(guò)以太網(wǎng)和主控單元進(jìn)行通信，多個(gè)主控單元和多個(gè)顯示單元同時(shí)接入交換機(jī)，一個(gè)主控單元可以和一個(gè)顯示單元連接，也可以和多個(gè)顯示單元連接，滿足一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景需求，比如應(yīng)用于就地化保護(hù)技術(shù)，分體式設(shè)計(jì)給繼電保護(hù)裝置未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)提供了一種新的思路。