許昆 董丹丹 張喬悅 趙張磊

【摘要】介紹了智能配電臺區(qū)中的控制中樞——智能配變終端的功能、以及其軟硬件設計，綜合了先進的嵌入式操作系統(tǒng)、交流采樣、多種通信接口、TCP/IP網(wǎng)絡等技術，硬件功能模塊化設計保證了終端的可靠性和穩(wěn)定性，實時嵌入式Vxworks操作系統(tǒng)提供了很好的可靠性和卓越的實時性。通過實際應用證明，該設備具有推廣應用的價值。

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

引言

近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，社會對電力的需求越來越大，各企業(yè)、高校對電力用戶日益關心的供電可靠性和電能質(zhì)量要求進行了不斷深入的研究，從而加強對電能質(zhì)量的監(jiān)視以及治理。其中，應用于低壓配電系統(tǒng)中的以智能配變終端為核心，同時配合進出線單元、無功補償單元、諧波治理單元、計量/表計單元以及智能綜合控制單元而共同組成的配電臺區(qū)在實際應用中得以凸顯出來。智能配變終端利用自動化技術、數(shù)字處理技術、無功補償技術、三相不平衡技術等先進技術，將用電信息采集、線路電能計量、配變監(jiān)測、電能質(zhì)量監(jiān)視、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)/諧波治理、無功優(yōu)化控制補償、漏電保護等功能有機地融合在一起，有效地治理各相電壓不對稱和消除電壓波動和閃變、動態(tài)補償無功功率、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區(qū)中的功能

作為智能配電臺區(qū)的控制中樞——智能配變終端是根據(jù)國家有關標準、規(guī)程及廣大電力用戶的實際需求，綜合了先進的嵌入式操作系統(tǒng)技術、交流采樣、多種通信方式、TCP/IP網(wǎng)絡等技術研制而成的新一代終端。其主要應用于10KV變壓器的低壓側(cè)380V供電系統(tǒng)，負責對配電變壓器各參量進行全面監(jiān)測、監(jiān)視剩余電流動作保護器中剩余電流值以及運行狀態(tài)、監(jiān)測配電臺區(qū)進出線開關狀態(tài)、無功補償電容器以及濾波器的投切狀態(tài)、實現(xiàn)配電臺區(qū)的電能信息采集以及電能質(zhì)量管理等[2]。它既能實時監(jiān)測電能表的數(shù)據(jù)，又能實時與主站通信，將配電臺區(qū)監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)以及監(jiān)測電能表的數(shù)據(jù)上送主站，同時主站可向終端用戶提供數(shù)據(jù)查看和設備遠程操作功能。

圖1 智能配電臺區(qū)總體結(jié)構圖[3]

2.硬件實現(xiàn)

智能配電配變終端硬件功能采用模塊化設計，使得各個功能模塊具有很好的獨立性、可靠性和穩(wěn)定性。針對各個不同的功能模塊設計了對應的自診斷技術。

圖2 智能配變終端硬件結(jié)構圖

2.1 CPU核心模塊

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

作為核心模塊的CPU——ARM9能夠同時對采集到的三遙（遙測、遙信、遙控）數(shù)據(jù)進行處理、存儲、傳輸?shù)忍幚?，最高頻率可達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，能達到與系統(tǒng)總線速度同步，也就是與系統(tǒng)時鐘同步，這樣就避免了不必要的等待周期，大大減少了數(shù)據(jù)存儲時間，使得ARM9能夠高效地處理大量數(shù)據(jù)。Nor Flash用于存儲底層驅(qū)動相關程序。NAND Flash用于存儲CPU所采集到的所有數(shù)據(jù)，容量高達128Mbytes。FPGA作為協(xié)處理器，主要負責對采集到的遙測數(shù)據(jù)進行預處理，并將處理后的數(shù)據(jù)存入SDRAM同時通知ARM9對這些數(shù)據(jù)完成再處理。RTC為CPU提供精準時鐘，WATCHDOG保證程序運行的穩(wěn)定性。

2.2 三遙模塊

三遙是指遙測、遙信、遙控功能。遙測模塊即圖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到0.2%以上，足以滿足國網(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。遙信板能夠同時采集32路硬遙信，以及64路虛遙信;硬遙信輸入電壓等級分為24V、48V、110V、220V四種，可通過后臺軟件進行配置，無需手動修改，分辨率≤1ms，采取防誤措施，過濾誤遙信，軟件防抖動時間1～60000毫秒可設。遙控電路具有16路獨立輸出，具備軟硬件防誤動措施，保證控制操作的可靠性;繼電器觸點斷開容量為交流250V/5A、直流80V/2A或直流110V/0.5A的純電阻負載;觸點電氣壽命大于10萬次。

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)部使用串口與藍牙模塊、GPRS模塊、以及液晶模塊通信，各路通信相互獨立，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。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)場通信需求。

2.4 其他功能模塊

終端通過溫、濕度傳感器對配電箱的溫度、濕度信息進行實時監(jiān)測。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。為方便工程人員于現(xiàn)場調(diào)試臺區(qū)各項功能、配置相關參數(shù)以及查看設備運行情況，終端還設計了包括液晶、藍牙、LED、故障報警蜂鳴器等人機接口，大大提高了運維效率。

3.智能配變終端的軟件架構

終端的軟件設計采用實時嵌入式Vxworks操作系統(tǒng)構建統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺，具有很好的可靠性和卓越的實時性，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)庫技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和存儲功能。

圖3 軟件架構框圖

3.1 終端軟件總體設計

軟件系統(tǒng)采用三層結(jié)構：

操作系統(tǒng)層：采用Vxworks做為上層應用程序運行的軟件平臺，實現(xiàn)應用軟件的多任務多進程調(diào)度（采用基于優(yōu)先級搶占方式，同時支持同優(yōu)先級任務間的分時間片調(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)務支撐層：提供應用軟件實時數(shù)據(jù)支撐，以及任務調(diào)度、通信管理、存儲管理等，并且與數(shù)據(jù)庫實時同步。

應用功能層：實現(xiàn)應用軟件數(shù)據(jù)分析、通信規(guī)約解析、事件處理、載波（小無線）抄表算法、人機接口等功能。

終端的軟件架構框圖如圖3所示。

3.2 規(guī)約轉(zhuǎn)換設計

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，為實現(xiàn)主站對臺區(qū)內(nèi)部電能表的電能質(zhì)量信息的實時監(jiān)控，必須在配變終端內(nèi)實現(xiàn)這兩類規(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)換主要集中于報文的解析、命令碼解析、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、以及報文的重新組裝。通常情況下，主站一次召喚的數(shù)據(jù)類型較多，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，每次在電能表返回數(shù)據(jù)后，配變終端須首先將數(shù)據(jù)解析出來并存入數(shù)據(jù)庫中，如此反復，待主站所召數(shù)據(jù)全部齊備后再組裝104規(guī)約報文上送給主站。

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)軟件實現(xiàn)流程圖

圖6 智能配電臺區(qū)現(xiàn)場實物圖

規(guī)約轉(zhuǎn)換軟件實現(xiàn)流程圖如圖5所示，當主站定時讀取其下掛電能表時，配變終端首先從數(shù)據(jù)庫中查找所需數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)不符合主站要求則須臨時啟動讀取電能表進程，然后將讀出的BCD碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成16進制格式，最后將所需數(shù)據(jù)打包成104規(guī)約回應報文回傳給主站，同時將數(shù)據(jù)更新到數(shù)據(jù)庫中。

4.智能配變終端的實際運行

該智能配電臺區(qū)已成功應用于南京溧水、常州溧陽低壓配電網(wǎng)中，經(jīng)過近1年的投運，取得了良好的效果?，F(xiàn)場實物圖如圖6所示。

智能配電臺區(qū)的成功應用，解決了農(nóng)村低電壓現(xiàn)象，電壓合格率提升了0.02個百分點;提高了供電質(zhì)量，極大的降低了臺區(qū)線損，常州溧陽供電公司已經(jīng)建成的22個智能配電臺區(qū)每年可減少損失25萬元左右。示范型臺區(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0.96萬元左右。臺區(qū)實施后主要技術指標如表1所示。

表1 臺區(qū)實施后主要技術指標對比

技術指標 建設前 建設后

線損 8.5% 3.5%

故障平均處理時間 3小時 1小時

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計方案，有效的保證了整個臺區(qū)系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，從而使得智能配電臺區(qū)既節(jié)約了成本，又能夠及時準確的為供電企業(yè)提供各個供電區(qū)域的負荷情況、以及各種電力用戶的實際用電情況、電能質(zhì)量、電量以及無功功率等信息，很好的實現(xiàn)了配電線路的諧波治理、節(jié)能降損、無功補償，提高了供電企業(yè)工作效率，具有推廣應用的價值。

參考文獻

[1]曹建平，倪瑛.配電變壓器監(jiān)測終端現(xiàn)狀及發(fā)展[J].電氣應用，2005，01：18-21.

[2]楚成彪，郝思鵬，何小棟，等.基于STM32的農(nóng)村智能配電網(wǎng)監(jiān)控終端設計[J].電子設計工程，22（14）：59-62.

[3]岳仁超，尤文鋒，孫建東.智能配電臺區(qū)在低壓配電系統(tǒng)中的應用[J].低壓電器，2013（13）：47-49.