新型配電終端結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)傳輸

朱 姝 ，黃 偉 ，朱維成

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.淮安供電公司，江蘇漣水 223400）

配電智能終端是實(shí)現(xiàn)對(duì)配電系統(tǒng)正常運(yùn)行及事故情況下的監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制、主站數(shù)據(jù)交換與命令執(zhí)行等功能的，目前，單項(xiàng)功能的配電終端技術(shù)已經(jīng)成熟。隨著用戶需求的不斷增長，要求配電終端有多種功能需求。這時(shí)，開始出現(xiàn)同一配電設(shè)備同時(shí)安裝多個(gè)配電終端的情況。且用“掛葫蘆”式的安裝多個(gè)終端的做法表面來看是滿足了功能需求，但設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用卻成倍增加，更重要的是多個(gè)終端同時(shí)對(duì)同一配電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而往往每個(gè)終端只考慮了一種通信方式，缺乏多種通信資源的協(xié)同配合。所采集的數(shù)據(jù)重復(fù)又不可能完全一致，這導(dǎo)致采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性、完整性始終無法保證，不能為分析決策系統(tǒng)提供必要的數(shù)據(jù)支撐[1，2]。

1 新型智能配電終端的設(shè)計(jì)

由于新型的智能配電終端要同時(shí)解決實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)視、遠(yuǎn)方就地控制、保護(hù)、實(shí)時(shí)通信等問題，使它既可與主站系統(tǒng)、通信系統(tǒng)共同構(gòu)成完整的自動(dòng)化與管理系統(tǒng)，也可獨(dú)立運(yùn)行實(shí)現(xiàn)本地監(jiān)控、保護(hù)功能。那么在保證終端的功能得到實(shí)現(xiàn)的情況下，本文基于各個(gè)采集板塊信息的兼容和處理提出了一種設(shè)計(jì)方法。

1.1 設(shè)計(jì)理念

板塊設(shè)計(jì)是一種分層的思想，分兩層，如圖1所示。一是將依賴的嵌入式操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、基本的電力信號(hào)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、對(duì)時(shí)、通信、加密壓縮、總線交換、電源管理、顯示處理作為所有終端應(yīng)用的基本支撐模塊；二是將計(jì)算、分析、各種不同應(yīng)用對(duì)象的控制模塊作為應(yīng)用層，它可以增加，可以減少，且擴(kuò)展靈活，無需對(duì)基本支撐模塊提出新的改動(dòng)。

1.2 功能分析

目前配電自動(dòng)化、信息化水平越來越高，再加上智能配電網(wǎng)的建設(shè)，不僅對(duì)終端的需求數(shù)量巨大，而且要求配電終端具備模塊化、一體化設(shè)計(jì)特性，體現(xiàn)集約化；具備高可靠性、高擴(kuò)展性、高通信穩(wěn)定性、高通信安全性以及信息采集容量的彈性。要能夠應(yīng)用在不同的環(huán)境下，根據(jù)客戶要求實(shí)現(xiàn)多種多樣的功能[3，4]。實(shí)現(xiàn)功能分析如圖2所示。

1.3 板塊劃分

因新型智能配電終端要求滿足一次安裝且不斷擴(kuò)展的要求，滿足開關(guān)、配變臺(tái)區(qū)、開閉所、配電房、環(huán)網(wǎng)柜、箱變等配變監(jiān)測(cè)點(diǎn)的智能化需求。所以必須對(duì)數(shù)據(jù)的采集、命令的發(fā)出、各功能的整合有個(gè)統(tǒng)一規(guī)定。實(shí)際應(yīng)用中各個(gè)板塊的連接方式如圖3所示。

盡管在實(shí)際應(yīng)用中，終端不應(yīng)同時(shí)接入。但是考慮到事件并發(fā)性，為了及時(shí)響應(yīng)主站請(qǐng)求，對(duì)每一個(gè)主站，終端上都應(yīng)啟動(dòng)一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程（或線程）來與之通信。主站通信模塊啟動(dòng)后，實(shí)時(shí)接收主站發(fā)送過來的命令，調(diào)用相應(yīng)的規(guī)約模塊進(jìn)行解析，然后獲取主站請(qǐng)求的數(shù)據(jù)、組織回復(fù)幀、發(fā)送回復(fù)幀。

當(dāng)主站請(qǐng)求當(dāng)前數(shù)據(jù)時(shí)，主站通信模塊直接從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)內(nèi)存中提取最新的數(shù)據(jù)進(jìn)行回復(fù)；當(dāng)主站請(qǐng)求歷史數(shù)據(jù)時(shí)，主站通信模塊從歷史數(shù)據(jù)庫中提取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回復(fù)；當(dāng)主站下發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)命令時(shí)，主站通信模塊將此命令投遞到多個(gè)主站，但考慮到可擴(kuò)展性及特殊情況，在程序開發(fā)中還是應(yīng)考慮到建立同時(shí)接多個(gè)主站的情況的通信模塊，然后接收?qǐng)?zhí)行結(jié)果，回復(fù)主站。如此等等。

目前暫不考慮終端直接接入載波表的情況，即認(rèn)為終端只與多功能表及其他智能終端進(jìn)行通信。通道為RS485串口或其他方式[5]。電能表通信模塊啟動(dòng)后，根據(jù)采集數(shù)據(jù)的類型，定時(shí)通過規(guī)約模塊來組織相應(yīng)的命令幀，發(fā)送，然后接收回復(fù)幀、解析數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)立即保存到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)內(nèi)存中的對(duì)應(yīng)位置。功能板卡通過接線端子和主控板相連（通過CAN總線）。功能板之間相互沒有連接。其中主控板包括：（1）各個(gè)功能板塊的連接接口，用以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，命令的下達(dá)等；（2）與主站的通信接口和串行接口監(jiān)測(cè)的USB接口；（3）信息總線，即CAN BUS控制器與收發(fā)器；（4）電源調(diào)理電路。主控板的構(gòu)成如圖4所示。

2 數(shù)據(jù)的采集

饋線自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化的核心，也是解決配電網(wǎng)供電可靠性問題的主要環(huán)節(jié)。內(nèi)容包括：（1）正常情況下的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)測(cè)量；（2）事故狀態(tài)下的故障檢測(cè)，故障隔離，負(fù)荷轉(zhuǎn)移和供電恢復(fù)。饋線自動(dòng)化是配電自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)[6]。從前面可以看出，數(shù)據(jù)的傳輸和采集，其命令的下達(dá)是極為關(guān)鍵的部分，而在這部分中，必須用統(tǒng)一的規(guī)格來執(zhí)行操作員想法。這里就需要用到通信規(guī)約。

2.1 通信規(guī)約

通信規(guī)約就是一些約定成俗的規(guī)定，這里的規(guī)范規(guī)定了主控板上應(yīng)用程序與其他功能板卡間的數(shù)據(jù)傳輸流程及接口標(biāo)準(zhǔn)，用于板卡間的數(shù)據(jù)傳遞、控制、狀態(tài)監(jiān)視等。

2.1.1 各數(shù)據(jù)代表的含義

各功能板與主控板之間傳遞數(shù)據(jù)的格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)傳輸形式

類型標(biāo)識(shí)為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的類型，源地址為是從哪個(gè)板塊傳輸出去的，目的地址為要傳輸至的板塊。數(shù)據(jù)域?yàn)橐獋鬏數(shù)臄?shù)據(jù)的長度。

2.1.2 數(shù)據(jù)域DATA的內(nèi)容

數(shù)據(jù)域DATA的具體形式如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)域的內(nèi)容

當(dāng)主控板收到一串以68H開頭的數(shù)據(jù)時(shí)，即意味著可能是功能板的傳輸數(shù)據(jù)的開始，ASDU長度為數(shù)據(jù)的長度，ASDU為真正要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的內(nèi)容，校驗(yàn)碼是數(shù)據(jù)中自帶的一個(gè)編碼，用于和電腦生成的校驗(yàn)碼進(jìn)行比對(duì)，來檢查數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_與否。最后的16H表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束。只有一直到16H為止中間都沒有錯(cuò)誤才代表著一次數(shù)據(jù)的傳輸正確。

2.1.3 具體板塊數(shù)據(jù)的格式

以環(huán)境板向主控板傳輸?shù)臄?shù)據(jù)形式為例。環(huán)境板塊向主控板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问饺绫?所示。其中類型標(biāo)識(shí)、源地址和目的地址是在程序中就已經(jīng)定義好的各個(gè)板塊的基本信息。從溫度的整數(shù)部分開始是需要了解和提取的信息。表2中對(duì)各個(gè)數(shù)值的形式和大小都有規(guī)定。最終將這些數(shù)值提取出就是主控板的一大任務(wù)。

表2 環(huán)境數(shù)據(jù)的具體形式

遙測(cè)板塊向主控板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问饺绫?所示。其中類型標(biāo)識(shí)為已定義的遙測(cè)板地址，目的地址為主控板地址，組編號(hào)為第幾路的線路信息，從1開始編號(hào)。數(shù)據(jù)標(biāo)志的定義為 0：UA；1：UB；2：UC；3：IA…7：P；8：Q；9：S等等。

表3 遙測(cè)板數(shù)據(jù)的具體形式

2.2 功能板塊向主控板傳輸數(shù)據(jù)的流程

主控板是以LINUX為編寫環(huán)境，開發(fā)語言主要選用C++，涉及到比較底層的開發(fā)如驅(qū)動(dòng)模塊開發(fā)時(shí)，可采用C語言。且以遙測(cè)變量AskEnvData()環(huán)境變量為例，其傳輸流程如圖6所示。

圖6 傳輸過程

（1）主控板發(fā)出指令要求傳輸環(huán)境變量（oxff為已定義的功能板地址）。

（2）若數(shù)據(jù)長度＞0，則主控板發(fā)出N個(gè)脈沖來激活數(shù)據(jù)的傳輸。

（3）主控板發(fā)出命令準(zhǔn)備接收環(huán)境板的數(shù)據(jù)。

（4）環(huán)境板上傳數(shù)據(jù)，主控板接收數(shù)據(jù)并檢查數(shù)據(jù)幀的幀頭，進(jìn)行幀校驗(yàn)。

（5）若檢測(cè)無誤，則進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的接受并解析數(shù)據(jù)幀。

（6）循環(huán)一定次數(shù)，直到完整的數(shù)據(jù)傳輸完成。

（7）進(jìn)入主板程序，等待其他板塊數(shù)據(jù)傳輸或者遙測(cè)板下一次數(shù)據(jù)的傳輸。

2.3 一次正確傳輸數(shù)據(jù)的過程

傳輸一次正確數(shù)據(jù)的正常流程 （以環(huán)境變量為例）：

send cmd to ask env data（主控板要求傳輸環(huán)境變量）

----(68 05 00 0D 00 0xff 00 00 cs 16)（主控板向環(huán)境板要求傳輸?shù)木唧w指令）

send N bytes to active recv data（傳輸N個(gè)脈沖來接收環(huán)境板傳輸來的數(shù)值）

Send cmd and prepare for env data need time=%llu ms

（傳輸數(shù)據(jù)需要的時(shí)間）

解析數(shù)據(jù) ＞＞＞＞＞＞＞＞＞68 0A 00 0D 0xff 00 1E 00 02 00 01 00 01 cs 16（環(huán)境板將數(shù)據(jù)傳送入主控板，主控板進(jìn)行解析，將相關(guān)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫）

3 結(jié)束語

從本文分析中得知，通過提取出基礎(chǔ)模塊來設(shè)計(jì)可以自由增減功能的新型配電終端。通過新型配電終端的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)更廣闊的配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)，體現(xiàn)管理效益，建立更加可靠、靈活的配電網(wǎng)通信體系。當(dāng)前國家電網(wǎng)公司正在建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，對(duì)配電終端有提出了新的要求，原有終端已經(jīng)很難滿足智能電網(wǎng)建設(shè)的要求，研究新型智能配電終端勢(shì)在必行。所以應(yīng)該在一體化模塊化的方面繼續(xù)探測(cè)下去達(dá)成智能電網(wǎng)建設(shè)的要求。

[1]胡方強(qiáng)，李義豐.智能配電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端的研制[J].連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，19(2)：28-30.

[2]王幸之，王 雷，翟 成，等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

[3]陳少華，陶 濤，陳章寶，等，智能配電變壓器監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制.2008，36(21)：56-60.

[4]路小軍，吳在軍，鄭建勇，等.基于GPRS通信技術(shù)的新型配變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2005，17（3）：82-86.

[5]陶維青，王付軍.基于雙MCU的配電變壓器智能監(jiān)測(cè)終端的開發(fā)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31（8）：1172-1175.

[6]施進(jìn)平，廖力清.配電網(wǎng)饋線終端的智能化技術(shù)[J].江西電力.2007，31(4)：5-8.