1 引言
电力系统是一类特殊的系统，安全性和可靠性要求很高。为了实现系统的安全可靠运行，必须实现电力系统的调度、运营和管理的自动化。其中变电站自动化是最基本的自动化系统，其典型结构如图1所示，一般由站控层的计算机监控系统、通信控制器以及间隔层的测控装置、保护装置、保护测控一体化装置及其它智能电子设备组成。站控层设备与间隔层设备通过通信网络相连，实现信息共享。
新研制的线路测控装置是变电站自动化系统间隔层的核心装置，集交流采样、遥信、遥脉、遥控等多种功能于一体，采用最先进的软硬件技术，直接针对一次回路设计，具有较高的性能价格比。其主要特点如下：1)基于80196KB控制CPU设计，速度快、效率高；2)采用分布式技术可完成单条线路的多种电量测控。该装置直接安装于现场开关柜，极大地简化了二次接线，节省了系统投资，提高了整体的可靠性和可维护性；3)采用带背光的点阵液晶显示及薄膜式键盘，界面菜单直观，信息显示详细，菜单具有快捷键方式，便于就地监视及操作；4)采用隔离的可靠的双CANBUS现场总线结构，提高了内部网络的冗余度，当检出总线1出错时，可启用备用的总线2。网上设备相互间可直接进行数据交换，接口芯片能够自动完成网络协议和校验，可任意增减监控节点；5)所有电源及I/O均采用不同方式的隔离、滤波、过电压浪涌抑制等措施，抗电磁干扰能力强；6)支持软件、硬件对时；7)支持RS485总线及光纤连接方式。
2 主要软硬件设计
2.1 主要硬件结构
线路测控装置正面有液晶显示屏、12个按键、状态指示灯和接线端子。装置内有主机板一块，输入输出板一块，人机界面板一块。这三块板通过34芯及26芯扁平电缆相联。主机板硬件部分：电源模块，CPU及外围部件，A/D转换及接口，CANBUS
通讯电路，RS485及光纤通讯电路，其他辅助电路(如看门狗、测频等)。输入输出板硬件部分：接线端子，CANBUS接口电路，RS485及光纤接口电路，模拟量整形及滤波电路，遥信、遥脉输入隔离及接口电路，遥控输出接口及隔离。人机界面板硬件部分：键盘和液晶显示接口，调试串行接口，状态指示灯电路。测控装置原理框图如图2所示。
2.2 主要软件设计
本装置中，16 MHz高速80C196KBCPU完成所有测量、控制及通讯等功能。其特点是任务较多，各任务之间的协调较为复杂。为了便于各任务之间的协调和功能的扩充，主CPU的软件系统采用了实时多任务的操作系统，把它所要完成的各项任务按功能分为四大类，组成4个不同的处理过程，即输入输出处理过程，主站通讯处理过程，人机接口处理过程和局域通信网处理过程。每个处理过程又有多个具有不同优先级别的任务组成。程序运行过程中，硬件系统每一毫秒发生一次中断，中断服务程序中对上述的各个处理过程中的任务进行实时调度。采用这一软件结构的突出优点是使程序实现了真正的模块化，各个任务可以单独编程，不受其它任务的影响。任务的增减、调换也十分方便。
3 交流采样的算法
根据电力系统有关交流采样装置的标准要求，0.2级的测量装置要计及13次谐波。按照采样定理，当计算谐波的最高次数为13次时，采样的频率至少应为2×13×50＝1300 Hz，即每周波至少采样26点。为便于计算，样本点一般采用2的整次幂，在本装置中采样频率为32点/周波。
根据电工学原理，对于周期T为的信号，以计算机离散采样方式实现的相电压有效值Ux、相电流有效值Ix和相平均功率Px计算公式为：
式中：ux(r)和rx(r)分别是电流和电压离散采样的序列值；为采样次数，在本装置中取为32点。
谐波的计算方法，本装置采用FFT算法。计算出基波和各次谐波的实部和虚部，进而可以求出其幅值和相位，幅值求出后，就可以求出各次谐波的含量和谐波总含量。以电压量为例，若用FFT算法计算出的第￥次谐波(k＝2，…，13)的实部和虚部分别为Ur(k)和Ui(k)，则第k次谐波电压的幅值和相位分别为：
基波电压的幅值和相位也可以用类似的方法算出。
4 开关量输入信号(遥信)的采集
采用8路开关量采集回路，时间分辨率小于1 ms。可以迅速而准确地反映变电站最重要的信息——开关状态。
4.1 硬件设计
遥信电源采用220 V/110 V/24 V直流电压，方便灵活。为了削弱外部干扰，采用光电隔离技术使CPU的外围电路与状态量外部接线回路之间无电联系。
4.2 软件采集
用查询方式采集状态量，CPU以小于ms级的时间间隔查询状态量，如判断出有遥信变位则立即上送。每一信号量的采集带有可整定的去抖时限，以确保信号功能的准确性。
5 脉冲量(遥脉)的采集
脉冲电度表发出的脉冲信号经过光电隔离转换成数字信息，经去抖过程后由相应的脉冲计数器加一(脉冲计数器为16进制24位循环计数器)，通过脉冲计数器的差值得到电度量数值。其硬件电路和软件设计都与开关量状态采集基本相同。
6 控制输出
快速准确地实现远方及当地控制是保证变电站安全运行的重要指标。本装置接收到由总控发出的或面板键盘发出的控制命令，由光电隔离驱动密封继电器完成控制输出，实现遥控功能。输出方式：有2路控制输出，每路控制输出有合闸输出、分闸输出及放电回路。
输入输出板上有6个继电器。其中RL1、RL2用于控制继电器RL3～6的＋12 V直流电源，为下一步的遥控操作提供条件，提高控制操作的可靠性。RL3、RL5为遥控1、2的合闸继电器。RL4、RL6为遥控1、2的分闸继电器和放电回路。另外对于断路器对象的控制，具有合保持、分保持接点输出。控制功能按选择、反校、执行的顺序进行。
在继电器驱动电路中采用了一些保护措施，防止在分合直流电源时引起逻辑电路紊乱而造成继电器误动作，并在驱动电路与继电器之间加光电隔离，以提高抗干扰能力。本装置还采用自检闭锁功能和放电回路，防止由于硬件错误或软件“飞车”造成的错误控制出口。
7 通信
本装置采用先进的工业现场总线CAN，快速、可靠、方便、灵活。通信规约支持IEC－60870－5－101格式。
7.1 通信设计方案
本装置支持5路通讯接口：其中2路为互为备用的CANBUS通讯接口，此接口带光电隔离，用以支持装置与总控单元的通讯；1路为光纤通讯接口，用于支持装置与总控单元的通讯或与智能设备接口；1路为带光电隔离的通讯接口，用于支持装置与总控单元的通讯或与智能设备接口；1路为RS232通讯接口，用于支持装置的组态功能。
CAN总线技术，克服了传统RS485网络上只能有一个主节点而无法构成多主冗余系统的缺陷，具有很高的性能价格比。在本装置的设计中，充分利用了CAN总线的特点，实现了遥信变位的主动上送，解决了在RS485总线通信中遥信变位反应时间较长的问题。另外采用双CAN网现场总线结构，抗干扰能力强，可靠性高。当检出总线1出错时，可启用备用的总线2，装置内部定期对备用的CAN总线进行备用检测，提高了内部网络的冗余度。
7.2 遥信变位主动上送的实现
由于CAN网络上的节点信息可分成不同的优先级，可以满足不同报文的实时性要求，且CAN网络上任意一个节点均可在任意时刻主动地向网络上的其它节点发送信息。基于以上特点，可以利用CAN总线实现遥信变位的主动上送。首先把总线上需要传送的报文信息设置不同的优先级，优先级从高到低的顺序依次为：遥信变位报文、遥控报文、上位机查询报文、遥测上送报文、脉冲量上送报文。平时上位机依次向各下位机(指本装置)发出查询命令报文，下位机根据命令分别给上位机上送遥测和脉冲量报文。需要进行遥控操作时，上位机向对应的下位机发出遥控报文，然后根据下位机上送的返校信息决定执行该遥控操作。当下位机在运行过程中检测到遥信变位时，该下位机变为主动节点，立即向上位机发送遥信变位报文。由于CAN采用非破坏性总线裁决技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点主动停止数据发送，而优先级最高的节点可不受影响地继续发送数据，因而确保遥信变位报文及时得到上送。
8 LCD显示
8.1 硬件设计
本装置采用的是带背光的128×64的点阵式液晶，控制器是T6963 C，屏幕一屏可显示16×8个英文字母或8×4个汉字。由软件实现液晶的屏幕保护功能。
8.2 软件设计
采用T6963 C控制液晶显示器实现LCD显示的基本原理如下：通过接口电路接收统一的指令和数据，然后将数据写入地址所对应的显示缓冲区内，数据的每一位又对应液晶屏幕上的每一个点，通过这些点的组合构成不同的文字和图形。
本装置采用菜单显示技术实现人机交互。它具有数据显示功能、参数设置功能、调试功能等。装置参数可直接通过键盘设置，也可通过组态程序由计算机下装。
9 结论
经现场运行和有关测试表明：1)交流采样最大误差为2，精度符合5的标准，遥信变位反应快，分辨率≤1 ms，遥控操作正确，控制输出正确率100％；2)通信正确，误码率低；3)抗各种电磁干扰和耐压冲击合格
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