配電網(wǎng)智能網(wǎng)架分析研究

唐鶴，邱桂華

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東佛山 528000）

在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，虛擬化標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)化共享服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)也在不斷地發(fā)展，以此要求配電系統(tǒng)朝著智能化通信發(fā)展。在云時(shí)代背景下，傳統(tǒng)配網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足數(shù)字化需求，無(wú)線技術(shù)使配電網(wǎng)系統(tǒng)更加便捷、高效。LoRa 為基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與控制應(yīng)用的通信技術(shù)，在空氣中通過(guò)電磁波實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，不需要線纜介質(zhì)就能夠開(kāi)展智能配電組網(wǎng)[1]。使用LoRa 通信技術(shù)結(jié)合無(wú)線技術(shù)創(chuàng)建的通信廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)存在各自的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，主要問(wèn)題就是無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息精準(zhǔn)性、全面性與遠(yuǎn)距離傳輸。LoRa 通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離與低功耗的優(yōu)勢(shì)，并且能簡(jiǎn)化系統(tǒng)組網(wǎng)，降低系統(tǒng)成本[2]。以此，文中研究了基于LoRa 技術(shù)的配電網(wǎng)智能網(wǎng)架設(shè)計(jì)。

1 智能配網(wǎng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該文以LoRa 技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了智能化配網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使用的服務(wù)器從下到上分為3 個(gè)層級(jí)配網(wǎng)，圖1 為L(zhǎng)oRa 智能配電系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 LoRa智能配電系統(tǒng)架構(gòu)

通過(guò)圖1 可以看出，用戶終端要設(shè)置智能配電元件參數(shù)性能，必須利用云端服務(wù)器使參數(shù)與命令向下傳輸?shù)郊衅?，之后通過(guò)集中器向下分發(fā)到相應(yīng)的智能元件中[3]。智能配電元件數(shù)據(jù)到云端服務(wù)器傳輸?shù)姆绞綖椋?/p>

其一，通過(guò)集中器根據(jù)一定時(shí)間循環(huán)周期收集數(shù)據(jù)，利用集中器存儲(chǔ)器，通過(guò)服務(wù)器傳輸，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存；

其二，利用用戶終端手持機(jī)設(shè)備收集集中器的數(shù)據(jù)，之后利用終端手持機(jī)設(shè)備在服務(wù)器中傳輸數(shù)據(jù)；

其三，通過(guò)服務(wù)器單獨(dú)上傳配電智能元件數(shù)據(jù)。

通過(guò)以上LoRa 技術(shù)智能配電系統(tǒng)運(yùn)行方案可以看出，此系統(tǒng)集中器能夠?qū)崿F(xiàn)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，所有系統(tǒng)都是通過(guò)此技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，所以集中器設(shè)備維護(hù)與應(yīng)急管理要設(shè)置相應(yīng)的串口對(duì)接口進(jìn)行調(diào)試[4]。

2 智能配網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 通信接口設(shè)計(jì)

LPC2119 內(nèi)部集成兩個(gè)通用異步收發(fā)器單元和獨(dú)立異步串行I/O 接口，也就是串口。此系統(tǒng)還使用UART0 串口通信，使用MAX3232 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換RS232 電平，電壓設(shè)置為3.3 V，圖2 為MAX3232 電路的連接接口。該文系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用RS232通信接口，主要目的就是配置系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的維護(hù)，此為CAN 總線部分功能備份。利用RS232 接口對(duì)智能配電系統(tǒng)地址、智能配電模塊信息、通信速率等進(jìn)行檢查[5]。

圖2 MAX3232電路的連接接口

2.1.2 CAN總線接口電路

CAN 控制器為配電系統(tǒng)通信的重點(diǎn)，利用CAN收發(fā)器與控制器能夠?qū)崿F(xiàn)CAN 通信底層協(xié)議轉(zhuǎn)換。針對(duì)CAN 總線通信控制器的不同型號(hào)，底層協(xié)議電路功能與接口都是相同的，但是微處理器接口方式與接口不同。該文所設(shè)計(jì)的CAN 總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)的微處理器節(jié)點(diǎn)為L(zhǎng)PC2119，在CAN 總線通信接口使用CTM1050T 總線接口模塊[6]，圖3 為CAN接口電路的結(jié)構(gòu)。

圖3 CAN接口電路的結(jié)構(gòu)

通過(guò)圖3 可知，電路主要包括CAN 收發(fā)器、微控制器LPC2119 和濾波保護(hù)電路。微處理器利用CTM1050T 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和接收，隔離內(nèi)部電源電氣，實(shí)現(xiàn)DC/DC 電源模塊、CAN 收發(fā)器與高速光耦的集成，CTM1050T 能夠隔離總線各CAN 節(jié)點(diǎn)電氣，使用收發(fā)器降低體積和成本。CTM1050T 和CAN 總線接口均采用針對(duì)性的抗干擾與安全措施，CANL 與CANH 引腳利用5 Ω電阻通過(guò)濾波電感連接CAN 總線，電阻能夠限流，避免CTM1050 過(guò)流沖擊。CANH與CANL 和地并聯(lián)兩個(gè)30 pF 小電容，能夠?qū)⒏哳l干擾濾除，并且還能夠防電磁輻射。兩根CAN 總線接入端和地反接瞬態(tài)電壓吸收保護(hù)二極管，在CAN 總線的電壓比較高時(shí)，利用二極管瞬態(tài)擊穿時(shí)具備過(guò)電壓保護(hù)作用，避免損壞接收器[7]。

2.1.3 SA9904B處理器引腳設(shè)計(jì)

圖4 為SA9904B 的引腳，VDD 為電源正極，GND為模擬地，在利用分流電阻檢測(cè)電力時(shí)，和+25 V 電壓相互連接。在利用電流互感器的時(shí)候，和+5 V 電壓連接。VSS 為電源負(fù)極，在利用分流電阻檢測(cè)電流與檢測(cè)-25 V 電壓時(shí)，要求與0 V 電壓連接。IVP指的是三相模擬電壓采樣接入端，在額定電壓為測(cè)量電壓的時(shí)候，要求設(shè)置輸入內(nèi)部A/D 轉(zhuǎn)換器電流有效值為14。IIP 指的是三相模擬電流采樣輸入端，在測(cè)量電壓設(shè)置為額定電流的時(shí)候，要求輸入芯片A/D 轉(zhuǎn)換器電流有效值為16 A。VREF 指的是參考電源外接電阻端，一般和47 kΩ電阻相互連接。F50為電壓過(guò)零脈沖輸出端，輸出脈沖頻率為交流電壓頻率[8]。

圖4 SA9904B的引腳

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 上位機(jī)通信軟件

上位機(jī)軟件主要包括MODBUS 協(xié)議、串口通信、組態(tài)軟件三部分。系統(tǒng)使用PCAUTO 組態(tài)軟件，此組態(tài)軟件為面向方案的監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集平臺(tái)軟件。其使用Windoes 平臺(tái)、I/O 驅(qū)動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相互連接，并且連接分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，能夠和企業(yè)、工廠系統(tǒng)中的輸入結(jié)合。利用此軟件平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)故障查詢、實(shí)時(shí)報(bào)警的功能[9]。

上位機(jī)MODBUS 協(xié)議軟件的實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)為初始化主設(shè)備串口，之后輪詢?cè)O(shè)備層各站點(diǎn)，以0.5 s 為周期，將運(yùn)行參數(shù)消息幀發(fā)送之后響應(yīng)設(shè)備，假如超時(shí)就進(jìn)行下一個(gè)，對(duì)設(shè)備響應(yīng)消息正確性進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，不管是響應(yīng)超時(shí)或者幀錯(cuò)誤，都會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，并且對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行顯示和記錄。在進(jìn)行調(diào)試的過(guò)程中，如果三次輪詢都出現(xiàn)錯(cuò)誤，就會(huì)屏蔽該站點(diǎn)，直到調(diào)試人員重新調(diào)整。在首次讀取協(xié)議規(guī)定參數(shù)的時(shí)候，如果系統(tǒng)運(yùn)行正常，并且調(diào)整參數(shù)沒(méi)有過(guò)載的時(shí)候，上位機(jī)周期為0.5 s，輪詢參數(shù)消息幀[10]，圖5 為上位機(jī)通信流程。

圖5 上位機(jī)通信流程

2.2.2 設(shè)備通信軟件

使用MODBUS 協(xié)議模式實(shí)現(xiàn)設(shè)備通信，要對(duì)協(xié)議要求消息幀時(shí)間間隔問(wèn)題進(jìn)行處理，要求在消息幀起始與停止位間隔在3.5 字符左右，在傳輸消息幀數(shù)據(jù)過(guò)程中，使兩個(gè)數(shù)據(jù)間隔在1.5 字符以下。時(shí)間計(jì)算精準(zhǔn)，使用一個(gè)固定定時(shí)器實(shí)現(xiàn)此工作[11]。設(shè)備上電過(guò)程中初始化串口，利用中斷方式對(duì)串口進(jìn)行事件檢測(cè)，在消息接收的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)中斷情況。接收完整消息幀后，以MODUS 協(xié)議解析消息幀，首先對(duì)地址是否相符進(jìn)行判斷，如不相符，就不回應(yīng)主設(shè)備；如相符，就要校驗(yàn)此消息，比如校驗(yàn)CRC 是否超時(shí)。如果錯(cuò)誤就要發(fā)送響應(yīng)消息幀，并且在主設(shè)備中返回；如果正確，就要對(duì)消息幀解析，并且以響應(yīng)的要求對(duì)參數(shù)回應(yīng)[12]。圖6 為設(shè)備通信的結(jié)構(gòu)流程。

圖6 設(shè)備通信的結(jié)構(gòu)流程

2.2.3 組態(tài)數(shù)據(jù)流的設(shè)計(jì)

組態(tài)王基本組件包括人機(jī)界面、區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)DB與FO 服務(wù)程序。數(shù)據(jù)流的過(guò)程為：在配置連接項(xiàng)之后，硬件是設(shè)備寄存器利用VO 通信收集點(diǎn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)變量組態(tài)之后，點(diǎn)參數(shù)在數(shù)據(jù)庫(kù)變量中自動(dòng)映射，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集。

組態(tài)王和I/O 設(shè)備的數(shù)據(jù)交換方式為OPC 方式、適配器方式、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)方式、板卡方式、串行通信方式等。針對(duì)不同協(xié)議通信中I/O 設(shè)備，組態(tài)王能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)性I/O 驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)I/O 驅(qū)動(dòng)器能夠收集執(zhí)行數(shù)據(jù)[13]。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和I/O 驅(qū)動(dòng)程序創(chuàng)建服務(wù)器/客戶結(jié)構(gòu)模式，一臺(tái)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算機(jī)利用多個(gè)I/O 驅(qū)動(dòng)程序和任意多臺(tái)I/O 設(shè)備相互連接。不管是哪種設(shè)備，都要了解到設(shè)備和此點(diǎn)物理通道編制方式。在配置I/O 設(shè)備后，通過(guò)瀏覽器目錄樹(shù)將I/O 設(shè)備數(shù)據(jù)源列出，然后利用配置設(shè)備名稱連接數(shù)據(jù)。在投入數(shù)據(jù)使用之后，組態(tài)王利用內(nèi)部管理程序執(zhí)行相應(yīng)I/O 驅(qū)動(dòng)程序，并且和I/O 設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。

2.2.4 三維圖形顯示設(shè)備運(yùn)行信息

智能網(wǎng)架能夠調(diào)度三維圖形方式進(jìn)行顯示，比如節(jié)點(diǎn)電容無(wú)功投入的情況。無(wú)功出力通過(guò)柱狀圖顯示，利用柱子高低表示出力大小。柱子長(zhǎng)度為無(wú)功容量，柱子包括兩端，下部分長(zhǎng)度為目前無(wú)功出力，上部分指的是裕量。將鼠標(biāo)移動(dòng)到某個(gè)柱子的時(shí)候，系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字方式顯示所有指標(biāo)。變壓器負(fù)載用柱狀圖表示，柱子長(zhǎng)度指的是變壓器容量，柱子下部分指的是目前負(fù)載，上部分指的是負(fù)載裕量[14]。

2.2.5 故障隔離的設(shè)計(jì)

智能化配電網(wǎng)系統(tǒng)利用硬件與軟件的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)故障隔離。在某個(gè)負(fù)載出現(xiàn)過(guò)流或者短路故障的時(shí)候，系統(tǒng)利用硬件電路自動(dòng)切斷故障負(fù)載，避免對(duì)配電系統(tǒng)造成影響。故障隔離硬件電路為系統(tǒng)主要構(gòu)成，也就是I2t 反時(shí)限與短路保護(hù)電路。比如+B1 支路，系統(tǒng)利用電流監(jiān)測(cè)器INA196 得到此支路電流值，傳送到保護(hù)電路中。保護(hù)電路由比較電路與積分電路構(gòu)成，短路保護(hù)電路由比較電路構(gòu)成，為此電路設(shè)置不同的閾值，在支路電流超過(guò)設(shè)置閾值的時(shí)候，比較電路能夠?qū)崿F(xiàn)故障信號(hào)的輸出。I2t保護(hù)電流故障信號(hào)與短路保護(hù)故障信號(hào)利用二極管隔離之后，實(shí)現(xiàn)故障信號(hào)的輸出，對(duì)支路MOS 管關(guān)斷進(jìn)行控制，從而切斷故障負(fù)載，并且加以隔離。在負(fù)載因?yàn)楣收锨袛喔綦x之后，F(xiàn)PGA 會(huì)間隔性地隔離發(fā)送故障負(fù)載加電指令，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)[15-20]。

3 結(jié)束語(yǔ)

該文對(duì)基于LoRa 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，此系統(tǒng)具有較高的可靠性，并且控制較為靈活，能夠使電力系統(tǒng)電纜簡(jiǎn)化，降低電纜網(wǎng)重量，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)智能化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的重構(gòu)與故障隔離。通過(guò)此系統(tǒng)，能夠使配電系統(tǒng)自動(dòng)化水平得到提高，并且方便變電站無(wú)人值守，有效節(jié)約人力成本，提高配電網(wǎng)智能原件保護(hù)水平。