400 V農(nóng)網(wǎng)綜合自動化裝置的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張福東，任素龍，李帥華

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊050021)

摘要：介紹400 V農(nóng)網(wǎng)綜合自動化裝置的結(jié)構(gòu)，從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計、GPRS和虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)技術(shù)、通信接口設(shè)計、數(shù)據(jù)庫等方面分析該自動化裝置的關(guān)鍵技術(shù)，并說明該自動化裝置的應(yīng)用情況及效果。

關(guān)鍵詞：農(nóng)網(wǎng)；綜合自動化裝置；ARM

收稿日期：2014-06-01

作者簡介：張福東(1983-)，男，工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及配網(wǎng)自動化研究工作。

中圖分類號：TM63

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1001-9898(2015)01-0047-03

Abstract:This paper introduces the structure of 400 vrural power grid intelligent integrated automation system, Which analysis of the key technologies of network topology design, GPRS and virtual private network (VPN) technology, communication interface design, database and so on, and explains the application of automation devices and effect.

Design and Implementation of 400 V Rural Power Grid IntegratedAutomation Equipment

Zhang Fudong,Ren Sulong,Li Shuaihua

(1. State Grid HeBei Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050021, China)

Key words: The Rural Power Grid; Integrated Automation Equipment; ARM

1概述

400 V配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中最后一個直接面向用戶供電的環(huán)節(jié)，用戶能否得到安全可靠經(jīng)濟(jì)優(yōu)質(zhì)的電能，配電網(wǎng)的建設(shè)水平起到極為重要的作用。在我國廣大的農(nóng)村地區(qū)，配電網(wǎng)的綜合自動化水平普遍較低，電網(wǎng)功率因數(shù)低，電能質(zhì)量較差。各個廠家也生產(chǎn)制造了大量的產(chǎn)品，提出了很多技術(shù)解決對策，但這些產(chǎn)品和技術(shù)往往針對農(nóng)網(wǎng)運(yùn)行的某一方面(如保護(hù)、無功補(bǔ)償?shù)?。要滿足不同的需求，往往需要采用不同廠家的不同產(chǎn)品和技術(shù)，造成部分設(shè)備電氣部件的重復(fù)投資，對不同廠家產(chǎn)品和技術(shù)的集成也比較困難[1]。因此，非常有必要研發(fā)制造一種綜合的農(nóng)網(wǎng)自動化裝置，以滿足農(nóng)網(wǎng)運(yùn)行的主要需求，并提升400 V農(nóng)網(wǎng)的綜合自動化水平。

2農(nóng)網(wǎng)綜合自動化裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

農(nóng)網(wǎng)綜合自動化裝置由以下幾個部分構(gòu)成，分別是電力計量模塊、無功補(bǔ)償模塊、繼電保護(hù)模塊、防竊電模塊等，農(nóng)網(wǎng)綜合自動化裝置結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　農(nóng)網(wǎng)綜合自動化裝置結(jié)構(gòu)

2.1　硬件結(jié)構(gòu)

控制核心采用ARM926EJ-STM ARM處理器，該處理器接口豐富，處理器性能優(yōu)越，可以流暢運(yùn)行l(wèi)inux嵌入式操作系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)控制中心與各功能子模塊的信息交互和控制指令收發(fā)。嵌入式控制中心硬件結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　嵌入式控制中心硬件結(jié)構(gòu)

自動化柜采用模塊化結(jié)構(gòu)，內(nèi)部按功能不同分割為：繼電保護(hù)及配電室、無功補(bǔ)償室、電量計量室、中心控制室。每個室內(nèi)布置相應(yīng)的模塊組件，在中心控制室內(nèi)布置ARM板控制中心和通信模塊，ARM板控制中心與各功能模塊通信，獲取電量及報警信息；在柜門處的防竊電行程開關(guān)串接在一起連接到ARM板控制中心的口線上，監(jiān)測防竊電行為；控制中心通過GPRS通信模塊與調(diào)度中心服務(wù)器通信，上傳數(shù)據(jù)或接受遠(yuǎn)程命令。就地與顯示屏采用串口連接，應(yīng)用MODBUS通信協(xié)議傳輸相應(yīng)數(shù)據(jù)[4]。

2.2　軟件結(jié)構(gòu)

該裝置應(yīng)用到實(shí)際現(xiàn)場需要3個主要軟件支持，分別是遠(yuǎn)程調(diào)度中心的客戶端和服務(wù)器端軟件以及就地裝置中arm嵌入式軟件。

電力調(diào)度中心服務(wù)器端軟件在本地調(diào)度中心運(yùn)行，采用WINDOWS2003SERVER 作為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。 應(yīng)用程序采用3層結(jié)構(gòu)： 通信層(底層)、數(shù)據(jù)庫層(中間層)、用戶界面層(頂層)。自智能配電柜由通信網(wǎng)絡(luò)傳入的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)從底層流向頂層；用戶命令自頂層流向底層然后通過載波通信或光纖通信傳往智能配電柜。服務(wù)器端軟件結(jié)構(gòu)見圖3。底層程序以透明的方式管理來自智能配電柜的通信連接。中間數(shù)據(jù)庫層作為頂層和底層之間的橋梁，實(shí)時及歷史數(shù)據(jù)存放在這里。頂層基于.NET網(wǎng)站，提供配電管理的用戶界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢、遠(yuǎn)控、遠(yuǎn)程抄表等功能。所有管理工作可通過瀏覽器進(jìn)行，客戶端無需設(shè)置。

綜合自動化裝置就地端的arm嵌入式軟件是在linux系統(tǒng)下應(yīng)用基于Eclipse平臺進(jìn)行的C語言開發(fā)。由于該裝置采用的是模塊化設(shè)計，故需要編寫的進(jìn)程較多，基于對數(shù)據(jù)交互的需要，程序中涉及較多的是進(jìn)程間通信。 arm嵌入式軟件主程序簡化流程見圖4。

圖3　服務(wù)器端軟件結(jié)構(gòu)

圖4　arm嵌入式軟件主程序簡化流程

系統(tǒng)上電初始化工作中，數(shù)據(jù)初始化部分的主要工作是生成正弦和余弦函數(shù)數(shù)值表，SV6PWM扇區(qū)分布表，內(nèi)存分配等。在后期計算過程中可以使用查表的方法近似求得相應(yīng)的函數(shù)值，這樣可以大大的減少直接計算使用的機(jī)器周期，提高系統(tǒng)的實(shí)時性。

關(guān)鍵監(jiān)視點(diǎn)中斷上報主要監(jiān)視點(diǎn)包括柜門打開、漏電保護(hù)器合閘、漏電保護(hù)器跳閘、無功補(bǔ)償自動投入和切除等。GPRS模塊采用中斷方式與控制器進(jìn)行通信，功能子模塊中人機(jī)界面作為人機(jī)接口與 arm核心應(yīng)用MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)主從站之間通信。

3關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計

基于arm的嵌入式控制中心對下與各模塊通過RS-485通信[2-3]，獲取各種電量、報警信息，對上與電力調(diào)度中心通過GPRS通信，將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，并接受來自調(diào)度中心的遠(yuǎn)程命令，綜合自動化裝置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖5。

圖5　農(nóng)網(wǎng)綜合自動化裝置管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2　GPRS和虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)技術(shù)

虛擬專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用隧道技術(shù)以及加密、身份認(rèn)證等方法，利用公共網(wǎng)絡(luò)設(shè)施在遠(yuǎn)端用戶之間提供類似專網(wǎng)的連接技術(shù)。該裝置及其系統(tǒng)應(yīng)用時向中國移動通信公司申請 VPN業(yè)務(wù)，從而可以把所有的自動化數(shù)據(jù)采集終端和調(diào)度中心集中監(jiān)控主站連接成VPN。這樣集中監(jiān)控主站與自動化裝置之間可以進(jìn)行通信。

GPRS 無線終端與集中監(jiān)控主站系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)是在加密后"虛擬專用網(wǎng)絡(luò)"中傳輸?shù)?，?shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩詮?qiáng)，而且終端設(shè)備之間也可以進(jìn)行通信。

3.3　通信接口設(shè)計

裝置內(nèi)繼電保護(hù)控制板、無功補(bǔ)償控制板、電能表、GPR通信板、核心控制板5塊主要電路板之間的通信統(tǒng)一采用兩線制RS-485接口通信，配電柜內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜，采用阻抗匹配(120 Ω)的RS-485鎧裝型雙絞屏蔽電纜。由于RS-485采用差分信號負(fù)邏輯，是一種單工通信方式，故在處理問詢機(jī)制和主動上報機(jī)制時對時間進(jìn)行嚴(yán)格劃分，在軟件邏輯中犧牲一部分實(shí)時性，確保各模塊通信不發(fā)生沖突。

3.4　數(shù)據(jù)庫

裝置規(guī)模較小，正處于研發(fā)和試運(yùn)階段，采用了MySQL數(shù)據(jù)庫軟件，該軟件開放源碼，可搭配PHP和Apache組成良好的開發(fā)環(huán)境，體積小、速度快、基本免費(fèi)。為保證數(shù)據(jù)庫運(yùn)行良好，進(jìn)程間

通信順暢，采用共享內(nèi)存技術(shù)，當(dāng)成功導(dǎo)入一塊共享內(nèi)存后，它只是相當(dāng)于一個字符串指針來指向一塊內(nèi)存，在當(dāng)前進(jìn)程下用戶可以隨意的訪問。這樣多個農(nóng)網(wǎng)自動化終端可以同時訪問MySQL數(shù)據(jù)庫。

3.5　其他技術(shù)措施

柜體采用加強(qiáng)絕緣型，開關(guān)柜內(nèi)相間完全靠空氣絕緣，不使用絕緣隔板，消除了絕緣老化給電網(wǎng)帶來的安全隱患；強(qiáng)電和弱電走線的合理布置，使系統(tǒng)的可靠性大大提高；通過軟件看門狗，指令冗余，軟件陷阱，循環(huán)重定位等軟件措施解決了裝置內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境下的電磁干擾問題。

4應(yīng)用情況及效果

2011年8月底，該型智能配電柜開始在永年供電公司西蘇供電所掛網(wǎng)試運(yùn)，到目前為止系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)死機(jī)、通信不暢等異常情況，服務(wù)器端成功積累了電壓、電流、有功功率、無功功率、有功電量、無功電量、有無異常等數(shù)據(jù)，管理網(wǎng)站運(yùn)行正常，客戶端各種查詢、設(shè)置操作功能正常。

5結(jié)束語

以上提出的400 V農(nóng)網(wǎng)綜合自動化裝置具備“智能電網(wǎng)”信息化、數(shù)字化、自動化、互動化的'智能'技術(shù)特征[5-6]，能夠滿足并提升農(nóng)網(wǎng)400 V的綜合自動化水平。但出于對該裝置各功能模塊的穩(wěn)定性與安全性考慮，采用一個主控加四個分控的模式，后期考慮采用一個主控制器實(shí)現(xiàn)全部功能以節(jié)省投資成本。

參考文獻(xiàn)：

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本文責(zé)任編輯：楊秀敏