配電臺(tái)區(qū)中智能配變終端的軟硬件構(gòu)架設(shè)計(jì)

許昆 董丹丹 張喬悅 趙張磊

【摘要】介紹了智能配電臺(tái)區(qū)中的控制中樞——智能配變終端的功能、以及其軟硬件設(shè)計(jì)，綜合了先進(jìn)的嵌入式操作系統(tǒng)、交流采樣、多種通信接口、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，硬件功能模塊化設(shè)計(jì)保證了終端的可靠性和穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)嵌入式Vxworks操作系統(tǒng)提供了很好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明，該設(shè)備具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】配變監(jiān)測(cè);ARM9;Vxworks操作系統(tǒng)

引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，社會(huì)對(duì)電力的需求越來(lái)越大，各企業(yè)、高校對(duì)電力用戶日益關(guān)心的供電可靠性和電能質(zhì)量要求進(jìn)行了不斷深入的研究，從而加強(qiáng)對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)視以及治理。其中，應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)中的以智能配變終端為核心，同時(shí)配合進(jìn)出線單元、無(wú)功補(bǔ)償單元、諧波治理單元、計(jì)量/表計(jì)單元以及智能綜合控制單元而共同組成的配電臺(tái)區(qū)在實(shí)際應(yīng)用中得以凸顯出來(lái)。智能配變終端利用自動(dòng)化技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)、無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)、三相不平衡技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，將用電信息采集、線路電能計(jì)量、配變監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量監(jiān)視、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)/諧波治理、無(wú)功優(yōu)化控制補(bǔ)償、漏電保護(hù)等功能有機(jī)地融合在一起，有效地治理各相電壓不對(duì)稱(chēng)和消除電壓波動(dòng)和閃變、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功功率、消除諧波畸變，從而提高供電可靠性和電能質(zhì)量[1]。

1.智能配變終端在配電臺(tái)區(qū)中的功能

作為智能配電臺(tái)區(qū)的控制中樞——智能配變終端是根據(jù)國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程及廣大電力用戶的實(shí)際需求，綜合了先進(jìn)的嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)、交流采樣、多種通信方式、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)研制而成的新一代終端。其主要應(yīng)用于10KV變壓器的低壓側(cè)380V供電系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)配電變壓器各參量進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)、監(jiān)視剩余電流動(dòng)作保護(hù)器中剩余電流值以及運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測(cè)配電臺(tái)區(qū)進(jìn)出線開(kāi)關(guān)狀態(tài)、無(wú)功補(bǔ)償電容器以及濾波器的投切狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)配電臺(tái)區(qū)的電能信息采集以及電能質(zhì)量管理等[2]。它既能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電能表的數(shù)據(jù)，又能實(shí)時(shí)與主站通信，將配電臺(tái)區(qū)監(jiān)測(cè)采集到的數(shù)據(jù)以及監(jiān)測(cè)電能表的數(shù)據(jù)上送主站，同時(shí)主站可向終端用戶提供數(shù)據(jù)查看和設(shè)備遠(yuǎn)程操作功能。

圖1 智能配電臺(tái)區(qū)總體結(jié)構(gòu)圖[3]

2.硬件實(shí)現(xiàn)

智能配電配變終端硬件功能采用模塊化設(shè)計(jì)，使得各個(gè)功能模塊具有很好的獨(dú)立性、可靠性和穩(wěn)定性。針對(duì)各個(gè)不同的功能模塊設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的自診斷技術(shù)。

圖2 智能配變終端硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 CPU核心模塊

CPU選用主流工業(yè)級(jí)32位ARM9處理內(nèi)核微處理器，與外設(shè)的NAND Flash、Nor Flash、SDRAM、FPGA、RTC、WATCHDOG等構(gòu)建統(tǒng)一的核心硬件平臺(tái)。

作為核心模塊的CPU——ARM9能夠同時(shí)對(duì)采集到的三遙（遙測(cè)、遙信、遙控）數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)忍幚?，最高頻率可達(dá)200MHz，擁有16KB指令高速緩存以及8KB數(shù)據(jù)高速緩存。SDRAM選用大容量8Mbytes作為內(nèi)存，能達(dá)到與系統(tǒng)總線速度同步，也就是與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，這樣就避免了不必要的等待周期，大大減少了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間，使得ARM9能夠高效地處理大量數(shù)據(jù)。Nor Flash用于存儲(chǔ)底層驅(qū)動(dòng)相關(guān)程序。NAND Flash用于存儲(chǔ)CPU所采集到的所有數(shù)據(jù)，容量高達(dá)128Mbytes。FPGA作為協(xié)處理器，主要負(fù)責(zé)對(duì)采集到的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)存入SDRAM同時(shí)通知ARM9對(duì)這些數(shù)據(jù)完成再處理。RTC為CPU提供精準(zhǔn)時(shí)鐘，WATCHDOG保證程序運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2 三遙模塊

三遙是指遙測(cè)、遙信、遙控功能。遙測(cè)模塊即圖2中“交流采樣”部分，能夠采集包括母線以及三條饋線共4條線路，每條線路包含三相電壓、三相電流，電壓、電流等采集精度能夠達(dá)到0.2%以上，足以滿足國(guó)網(wǎng)要求，另外電流采集能夠?qū)Χ蝹?cè)CT額定電流量程1A、5A自適應(yīng)。遙信板能夠同時(shí)采集32路硬遙信，以及64路虛遙信;硬遙信輸入電壓等級(jí)分為24V、48V、110V、220V四種，可通過(guò)后臺(tái)軟件進(jìn)行配置，無(wú)需手動(dòng)修改，分辨率≤1ms，采取防誤措施，過(guò)濾誤遙信，軟件防抖動(dòng)時(shí)間1～60000毫秒可設(shè)。遙控電路具有16路獨(dú)立輸出，具備軟硬件防誤動(dòng)措施，保證控制操作的可靠性;繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)容量為交流250V/5A、直流80V/2A或直流110V/0.5A的純電阻負(fù)載;觸點(diǎn)電氣壽命大于10萬(wàn)次。

2.3 通信模塊

通信模塊包含2路RS485、2路RS232、4路以太網(wǎng)，內(nèi)部使用串口與藍(lán)牙模塊、GPRS模塊、以及液晶模塊通信，各路通信相互獨(dú)立，并且可選配多種規(guī)約，以太網(wǎng)通信的波特率為10Mbit/s或100Mbit/s自適應(yīng)。通信規(guī)約有IEC60870-5-104規(guī)約、IEC60870-5-101規(guī)約、DL/T 645-1997規(guī)約、DL/T 645-2007規(guī)約、IEC61850規(guī)約、以及其他自定義規(guī)約，能夠滿足各種現(xiàn)場(chǎng)通信需求。

2.4 其他功能模塊

終端通過(guò)溫、濕度傳感器對(duì)配電箱的溫度、濕度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，裝置還可采集4～20mA的兩路直流模擬量，可用于變壓器油溫、瓦斯?jié)舛鹊戎绷髁康谋O(jiān)測(cè)。為方便工程人員于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試臺(tái)區(qū)各項(xiàng)功能、配置相關(guān)參數(shù)以及查看設(shè)備運(yùn)行情況，終端還設(shè)計(jì)了包括液晶、藍(lán)牙、LED、故障報(bào)警蜂鳴器等人機(jī)接口，大大提高了運(yùn)維效率。

3.智能配變終端的軟件架構(gòu)

終端的軟件設(shè)計(jì)采用實(shí)時(shí)嵌入式Vxworks操作系統(tǒng)構(gòu)建統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺(tái)，具有很好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性，從而能夠滿足工業(yè)的各種苛刻需求。采用嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和存儲(chǔ)功能。

圖3 軟件架構(gòu)框圖

3.1 終端軟件總體設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)：

操作系統(tǒng)層：采用Vxworks做為上層應(yīng)用程序運(yùn)行的軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的多任務(wù)多進(jìn)程調(diào)度（采用基于優(yōu)先級(jí)搶占方式，同時(shí)支持同優(yōu)先級(jí)任務(wù)間的分時(shí)間片調(diào)度），此外，還可以有效地優(yōu)化系統(tǒng)硬件資源的管理。

業(yè)務(wù)支撐層：提供應(yīng)用軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐，以及任務(wù)調(diào)度、通信管理、存儲(chǔ)管理等，并且與數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)同步。

應(yīng)用功能層：實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)分析、通信規(guī)約解析、事件處理、載波（小無(wú)線）抄表算法、人機(jī)接口等功能。

終端的軟件架構(gòu)框圖如圖3所示。

3.2 規(guī)約轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

配變終端與系統(tǒng)主站的通信規(guī)約為IEC60870-5-104規(guī)約，而與電能表的通信規(guī)約為DL/T 645規(guī)約，為實(shí)現(xiàn)主站對(duì)臺(tái)區(qū)內(nèi)部電能表的電能質(zhì)量信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，必須在配變終端內(nèi)實(shí)現(xiàn)這兩類(lèi)規(guī)約之間的相互轉(zhuǎn)換。

規(guī)約轉(zhuǎn)換的模型如圖4所示，IEC60870-5-104規(guī)約與DL/T 645規(guī)約的相互轉(zhuǎn)換主要集中于報(bào)文的解析、命令碼解析、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、以及報(bào)文的重新組裝。通常情況下，主站一次召喚的數(shù)據(jù)類(lèi)型較多，配變終端就需要向電能表多次下發(fā)645規(guī)約數(shù)據(jù)幀，每次在電能表返回?cái)?shù)據(jù)后，配變終端須首先將數(shù)據(jù)解析出來(lái)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，如此反復(fù)，待主站所召數(shù)據(jù)全部齊備后再組裝104規(guī)約報(bào)文上送給主站。

圖4 104規(guī)約與645規(guī)約相互轉(zhuǎn)換的模型

圖5 主站讀取電能表數(shù)據(jù)軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

圖6 智能配電臺(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

規(guī)約轉(zhuǎn)換軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖5所示，當(dāng)主站定時(shí)讀取其下掛電能表時(shí)，配變終端首先從數(shù)據(jù)庫(kù)中查找所需數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)不符合主站要求則須臨時(shí)啟動(dòng)讀取電能表進(jìn)程，然后將讀出的BCD碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制格式，最后將所需數(shù)據(jù)打包成104規(guī)約回應(yīng)報(bào)文回傳給主站，同時(shí)將數(shù)據(jù)更新到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4.智能配變終端的實(shí)際運(yùn)行

該智能配電臺(tái)區(qū)已成功應(yīng)用于南京溧水、常州溧陽(yáng)低壓配電網(wǎng)中，經(jīng)過(guò)近1年的投運(yùn)，取得了良好的效果?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖如圖6所示。

智能配電臺(tái)區(qū)的成功應(yīng)用，解決了農(nóng)村低電壓現(xiàn)象，電壓合格率提升了0.02個(gè)百分點(diǎn);提高了供電質(zhì)量，極大的降低了臺(tái)區(qū)線損，常州溧陽(yáng)供電公司已經(jīng)建成的22個(gè)智能配電臺(tái)區(qū)每年可減少損失25萬(wàn)元左右。示范型臺(tái)區(qū)用戶信息采集全覆蓋后，每年可有效減少人員和交通成本0.96萬(wàn)元左右。臺(tái)區(qū)實(shí)施后主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 臺(tái)區(qū)實(shí)施后主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

技術(shù)指標(biāo) 建設(shè)前 建設(shè)后

線損 8.5% 3.5%

故障平均處理時(shí)間 3小時(shí) 1小時(shí)

電壓合格率 99.96% 99.98%

供電可靠性 99.82% 99.96%

三相不平衡度 30% 20%

5.結(jié)論

本文所采用的智能配變終端的軟硬件設(shè)計(jì)方案，有效的保證了整個(gè)臺(tái)區(qū)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，從而使得智能配電臺(tái)區(qū)既節(jié)約了成本，又能夠及時(shí)準(zhǔn)確的為供電企業(yè)提供各個(gè)供電區(qū)域的負(fù)荷情況、以及各種電力用戶的實(shí)際用電情況、電能質(zhì)量、電量以及無(wú)功功率等信息，很好的實(shí)現(xiàn)了配電線路的諧波治理、節(jié)能降損、無(wú)功補(bǔ)償，提高了供電企業(yè)工作效率，具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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