作者：陳華霖 陳海昆 吳愛軍 唐明瑜 單位：上海市電力公司松江供電公司 上海資和通信科技有限公司

操作簡易性不夠傳統(tǒng)的柱上斷路器操作繁瑣，通過撥碼開關(guān)整定數(shù)據(jù)不直觀，容易引起操作失誤；在新型柱上斷路器的控制器上，雖然配備了多種式樣的手持設(shè)備，由于此類掌機(jī)大多不采用友善的圖形化界面的實時操作系統(tǒng)做平臺，會使維護(hù)人員入門難，且安全認(rèn)證機(jī)制不充分，容易造成維護(hù)時操作錯誤，從而影響配電線路的正常運(yùn)行，對客戶的生產(chǎn)和生活帶來影響。缺乏故障數(shù)據(jù)下載功能傳統(tǒng)的柱上斷路器、現(xiàn)役新型柱上斷路器控制系統(tǒng)無法紀(jì)錄故障波形數(shù)據(jù)，只有少數(shù)支持故障錄波功能的，手持設(shè)備依然缺乏數(shù)據(jù)下載功能，因此無法實現(xiàn)故障的回溯分析，也就無法有針對性的對配電線路的建設(shè)和運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。隨著配電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，復(fù)雜程度的日益提高，客戶對供電可靠性和電能質(zhì)量的要求也越來越高，這就要求供電公司以更高標(biāo)準(zhǔn)和更快的速度去維護(hù)和處理配電網(wǎng)發(fā)生的故障。同時，為了有效推進(jìn)智能化配電網(wǎng)的建設(shè)，實現(xiàn)架空線的環(huán)網(wǎng)控制、故障隔離和線路優(yōu)化都變得愈發(fā)重要。上述問題的解決，均依賴于柱上開關(guān)智能化管理控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，掌機(jī)終端作為智能化柱上開關(guān)系統(tǒng)的重要組成部分，對掌機(jī)終端的研發(fā)也就變得愈發(fā)重要與緊迫。

現(xiàn)場掌機(jī)終端的解決方案

為了解決上述問題，可通過掌機(jī)終端對配電線路中的柱上開關(guān)及控制系統(tǒng)進(jìn)行近距離監(jiān)測和無線操控，如圖１所示。通過掌機(jī)終端可以整定開關(guān)的相關(guān)參數(shù)，實時顯示配電線路中柱上開關(guān)的分合閘狀態(tài)，顯示負(fù)荷電流、零序電流等相關(guān)電能質(zhì)量參數(shù)，讀取錄波數(shù)據(jù)的功能。為了實現(xiàn)上述功能，需要利用嵌入式軟硬件的設(shè)計方法，還需要利用電力電子技術(shù)、無線通信技術(shù)、電力繼電保護(hù)技術(shù)等相關(guān)交界技術(shù)。

１選擇４３３ＭＨｚ無線通信方式針對上述無線接口的缺失和現(xiàn)場操作的安全性來說，需要選擇一種適合于柱上開關(guān)掌機(jī)終端的無線通信方式。目前，國內(nèi)外無線領(lǐng)域較受關(guān)注的技術(shù)主要有：紅外通信技術(shù)、藍(lán)牙、ＺｉｇＢｅｅ，Ｗｉ－Ｆｉ，通用分組無線服務(wù)技術(shù)、頻移鍵控技術(shù)（ＦＳＫ）和幅移鍵控調(diào)制技術(shù)（ＡＳＫ）等，無線技術(shù)紛繁復(fù)雜，并非每種技術(shù)都適合于柱上開關(guān)掌機(jī)終端。由于紅外通信技術(shù)存在通信距離短、沒有移動性、傳輸有方向、速率較低，故不合適；藍(lán)牙技術(shù)受制于傳輸距離較短（１０ｍ左右）、功耗相對較高（１００ｍＷ左右）等問題，故不合適；ＺｉｇＢｅｅ的穿透性不強(qiáng)，技術(shù)不理想，故不合適；Ｗｉ－Ｆｉ發(fā)射功率大（超過１Ｗ），成本高，主要用于民用，故不合適；ＧＰＲＳ用于遠(yuǎn)程傳輸，功耗較大，適合于設(shè)備與數(shù)據(jù)主站應(yīng)用，故不合適。只有基于ＦＳＫ和ＡＳＫ技術(shù)的射頻技術(shù)，不僅功耗較低，通信距離較遠(yuǎn)，抗干擾能力好，穿透力強(qiáng)，在配電網(wǎng)現(xiàn)場通信方面具有特有的優(yōu)勢，故選擇基于ＦＳＫ方式的４３３ＭＨｚ小無線通信作為傳輸手段。

２采用可視化圖形客戶界面為了實現(xiàn)操作簡易，維護(hù)人員入門便捷，需要一個圖形化的界面。在常見的ＰＤＡ等小型手持式終端上，由于ＰＤＡ自身硬件條件的限制，以及無線傳輸模塊功耗與體積的限制，通常工業(yè)客戶的無線掌機(jī)界面都非常簡單和文字化，幾乎看不到類似ＰＣ機(jī)的美觀界面。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，在掌機(jī)上嵌入熱插拔式的無線傳輸模塊已成為可行的方案，并且還得到ＰＤＡ的圖形客戶界面支持。因此，掌機(jī)系統(tǒng)采用通用性、兼容性較好的客戶平臺，屏棄了煩瑣的純文字化界面。

３引入安全管理機(jī)制為了進(jìn)一步保證操作的安全性，減少現(xiàn)場誤動作，以及提高數(shù)據(jù)傳輸過程中的完整性和安全性，引入了各種安全機(jī)制。比如：柱上開關(guān)系統(tǒng)與掌機(jī)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，在原有一套傳輸協(xié)議之外，加一層無線傳輸協(xié)議，使數(shù)據(jù)本體更為隱蔽和安全，而且數(shù)據(jù)本體和協(xié)議各有校驗方案，使數(shù)據(jù)出錯的概率大為降低，提高了掌機(jī)終端通信過程的穩(wěn)定性和安全性。又如：掌機(jī)軟件控制系統(tǒng)引入客戶和密碼管理機(jī)制，只有高權(quán)限的客戶才可通過掌機(jī)終端操控智能化柱上開關(guān)，屏蔽了未被受權(quán)人員的意外操作，在提高線路安全運(yùn)行的同時，也方便供電公司集中管理。

掌機(jī)終端功能的實現(xiàn)

掌機(jī)終端是智能化柱上開關(guān)系統(tǒng)的組成部分之一，要實現(xiàn)掌機(jī)應(yīng)有的功能，需要實現(xiàn)終端硬件和終端軟件兩大部分。

１掌機(jī)終端硬件實現(xiàn)掌機(jī)終端硬件主要依托于ＰＤＡ和筆記本計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)的ＰＣ卡總線接口（傳輸速度接近于總線速度），并支持熱插拔的ＰＣＭＣＩＡ接口轉(zhuǎn)４３３ＭＨｚ小無線接口卡和ＰＤＡ終端兩部分組成，通過ＰＣＭＣＩＡ接口連接在一起，如圖２所示。ＰＣＭＣＩＡ無線接口卡插入ＰＤＡ終端的ＰＣＭＣＩＡ接口卡槽后，ＰＤＡ自動識別ＰＣＭＣＩＡ無線接口卡，完成驅(qū)動程序安裝后，通過ＰＣＭＣＩＡ接口交換數(shù)據(jù)或通信。１）ＰＣＭＣＩＡ接口轉(zhuǎn)４３３ＭＨｚ小無線接口卡由ＰＣＭＣＩＡ接口模塊與無線傳輸模塊構(gòu)成，分別制作了專用通道，通過串行口通信。ＰＣＭＣＩＡ接口模塊將來自ＰＤＡ的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)發(fā)送至無線傳輸模塊，由無線傳輸模塊通過４３３ＭＨｚ的ＦＳＫ無線信號傳輸至柱上開關(guān)控制器。這是數(shù)據(jù)發(fā)送的傳輸順序，而數(shù)據(jù)接收的傳輸順序則相反。２）ＰＤＡ終端ＰＤＡ終端是接口卡和應(yīng)用軟件的軟硬件載體，其硬件配置至關(guān)重要。基本配置由主頻為３１２ＭＨｚ的ＣＰＵ，６４Ｍ的內(nèi)存，１９２Ｍ的固態(tài)硬盤，ＰＣ卡接口，觸摸屏組成，預(yù)裝Ｗｉｎ－ｄｏｗＭｏｂｉｌｅ５．０系統(tǒng)［２］，電池續(xù)航時間超過４ｈ。開發(fā)的掌機(jī)應(yīng)用軟件安裝在ＷｉｎｄｏｗＭｏｂｉｌｅ系統(tǒng)上，通過ＰＣＭＣＩＡ接口與接口卡交互，接口卡再與柱上開關(guān)控制器通信，從而實現(xiàn)掌機(jī)與柱上開關(guān)控制器間的通信。

２掌機(jī)終端軟件實現(xiàn)掌機(jī)終端軟件是一種基于ＷｉｎｄｏｗＭｏｂｉｌｅ操作系統(tǒng)的嵌入式軟件，采用面向?qū)ο蟮模茫ＵZ言和采用具有圖形化繪制界面的ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａｌＩＤＥ進(jìn)行編程，使程序設(shè)計過程更加自然、更加直觀、更加方便，使維護(hù)難度減低并且給軟件的擴(kuò)展提供了支持。掌機(jī)終端軟件采用分頁式的布局方式設(shè)計，軟件界面功能分布合理，操作方便，容易使用，并且有效提高了掌機(jī)終端操作的準(zhǔn)確性。１）軟件的總體流程如圖３所示，在掌機(jī)終端軟件的操作界面中，輸入相應(yīng)的用戶參數(shù)和固定命令（如整定值參數(shù)、時間信息、串口參數(shù)、通信地址參數(shù)、查詢命令等），提交后，軟件會判斷數(shù)據(jù)的合法性，只有合法的數(shù)據(jù)才被傳送至戶外柱上斷路器。斷路器解析運(yùn)算后，返回一組應(yīng)答幀，完成一次完整的數(shù)據(jù)傳輸過程。若應(yīng)幀錯誤或者等待幀超時，軟件發(fā)起新一輪的發(fā)送，重發(fā)多次仍失敗，軟件宣告發(fā)送不成功。２）數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)軟件后臺代碼在采集到用戶輸入或請求等有效命令數(shù)據(jù)后，通過調(diào)用ＷｉｎｄｏｗｓＡＰＩ函數(shù)的方式，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗計算及ＣＲＣ校驗合成，打包成約定的通信協(xié)議形式的數(shù)據(jù)幀，再轉(zhuǎn)換成ＲＳ－２３２協(xié)議允許的數(shù)據(jù)流并通過串口至無線接口模塊，經(jīng)過無線轉(zhuǎn)換后發(fā)送到控制器。控制器接收到掌機(jī)終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)流后，根據(jù)ＲＳ－２３２協(xié)議對數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼并處理解析到的用戶輸入數(shù)據(jù)和請求等命令。控制器執(zhí)行完用戶的請求和數(shù)據(jù)輸入等命令后，以同樣的通信方式提交處理結(jié)果給掌機(jī)終端。數(shù)據(jù)流被轉(zhuǎn)換成４３３ＭＨｚ無線信號傳輸，在數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)某跗谛枰M(jìn)行軟件握手連接。實現(xiàn)一次完整的數(shù)據(jù)傳輸過程為：發(fā)送連接請求，返回請求應(yīng)答，發(fā)送驗證信證，返回驗證信息，再到實質(zhì)的數(shù)據(jù)交互。３）故障錄波數(shù)據(jù)的處理在柱上開關(guān)發(fā)生故障分閘后，柱上開關(guān)控制裝置中保存了故障錄波數(shù)據(jù)。掌機(jī)終端通過錄波讀取命令，一幀一幀的讀取錄波數(shù)據(jù)，并存儲在內(nèi)存中，讀取過程結(jié)束，將錄波數(shù)據(jù)以ＸＭＬ文件的形式轉(zhuǎn)存在固態(tài)硬盤中。在完成錄波數(shù)據(jù)的讀取與存儲過程后，軟件對錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行了抽象量化處理，包括單個通道的所有采樣點數(shù)據(jù)、單個通道的所有采樣點的個數(shù)、模擬量通道繪制時的顏色、繪制此通道波形時縱向比例系數(shù)、波形通道占據(jù)的繪制寬度、波形通道在界面上占據(jù)的位置、通道最大值、通道最小值等。處理完后，將數(shù)據(jù)打印到顯示屏的坐標(biāo)上。在數(shù)據(jù)處理過程中使用了ＳＴＬ技術(shù)，使數(shù)據(jù)序列的內(nèi)存維護(hù)由ＳＴＬ自身完成，減少了內(nèi)存分配與釋放，提高了軟件效率，是本軟件隱含的性能優(yōu)勢。４）提高安全性的措施為了提高掌機(jī)終端操作的準(zhǔn)確性，減少誤操作，掌機(jī)終端采用了多項措施。采用用戶加管理員的用戶權(quán)限控制方案，即基本用戶只能對控制器和柱上斷路器進(jìn)行操作而無權(quán)對本用戶的用戶名和密碼進(jìn)行修改，而管理員用戶只能對基本用戶的用戶信息進(jìn)行修改而不能對控制器和柱上斷路器進(jìn)行操作。在對柱上開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)距離分合閘操作時，采用了用戶名加密碼的認(rèn)證機(jī)制，只有被受權(quán)的用戶才可以進(jìn)行整定值修改和分合閘操作。在密碼認(rèn)證的后續(xù)流程，增加了一道安全確認(rèn)，最大限度的保證現(xiàn)場操作安全性。掌機(jī)終端在對柱上開關(guān)控制器進(jìn)行無線操作時，為了保證數(shù)據(jù)自身的安全，終端軟件在設(shè)計時運(yùn)用了ＤＥＳ數(shù)據(jù)加密方式，其特點是分組短、密鑰短、運(yùn)算速度較慢、加密后很難破解。