符國勇

（海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司萬寧供電局，海南萬寧 571500）

0 引言

低壓農(nóng)村電網(wǎng)配電臺區(qū)普遍存在電力設(shè)備種類繁多[1]、智能化水平低[2]、供給側(cè)和需求側(cè)之間雙向互動性不足、電壓在線監(jiān)測實時性差[3]以及能效管理環(huán)節(jié)薄弱等問題，使得供電側(cè)對用戶信息、電氣量和開關(guān)量的獲取能力不足，給電力系統(tǒng)的正常運行、調(diào)度管理、安全監(jiān)控、故障情況的緊急處理帶來了困難。

隨著國內(nèi)配電網(wǎng)的自動化發(fā)展[4]，靈活構(gòu)建配電網(wǎng)智能臺區(qū)綜合控制系統(tǒng)，對于實現(xiàn)低壓配電臺區(qū)的運行狀態(tài)在線監(jiān)測與控制、系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的綜合分析、臺區(qū)智能化水平提升具有重要意義[5-6]。

電力學(xué)術(shù)界和工業(yè)界也逐步開展了低壓配電智能臺區(qū)的研究，目前對智能臺區(qū)的研究主要集中在臺區(qū)三相不平衡治理[7]、臺區(qū)低壓線損降損[8]、智能臺區(qū)風(fēng)光儲能量管理[9]、智能配電臺區(qū)協(xié)議[10]以及智能臺區(qū)經(jīng)濟運行[11]的研究，而對智能臺區(qū)終端的研究相對較少。

本文將重點進行新型智能臺區(qū)終端的研究。首先分析電網(wǎng)智能臺區(qū)系統(tǒng)現(xiàn)狀和智能臺區(qū)終端需求，接著研發(fā)一種基于F28335控制器的新型終端，詳細(xì)介紹該新型終端的硬件結(jié)構(gòu)，包括模擬量/開關(guān)量輸入、通信模塊、人機交界面模塊、電源模塊4個部分，最后分析其軟件系統(tǒng)所涉及的功能。

該新型智能臺區(qū)終端通過對原有低壓配電臺區(qū)的升級改造，實現(xiàn)對低壓配電臺區(qū)的基本監(jiān)測和分析功能。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)配電網(wǎng)智能臺區(qū)的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和數(shù)據(jù)傳輸分析，對臺區(qū)發(fā)生的故障具有高效的響應(yīng)能力，從而實現(xiàn)對配電臺區(qū)的智能化和精細(xì)化管理。

1 終端需求分析

智能臺區(qū)終端負(fù)責(zé)配電網(wǎng)智能臺區(qū)的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和數(shù)據(jù)傳輸，是實現(xiàn)智能配電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。通過廣泛采集配電側(cè)用戶信息，并經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)挖掘提取有用信息，對提高配電網(wǎng)可靠性、提高供電質(zhì)量、改進用戶的用電體驗具有重要意義。

1.1 智能臺區(qū)數(shù)據(jù)量采集

用于負(fù)荷監(jiān)測的電力設(shè)備以及用戶側(cè)的智能電子設(shè)備可以采用無線通信技術(shù)對采集到的數(shù)據(jù)進行實時傳輸。具體實施時，可在負(fù)責(zé)采集信息的智能電子設(shè)備之間設(shè)置基于認(rèn)知無線電技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊的采集點，每個采集點負(fù)責(zé)采集匯總附近的智能電子設(shè)備所采集的信息。由于實際環(huán)境的不同，無線傳輸距離受建筑物的屏蔽和遮擋較為嚴(yán)重，所以每個采集點采集數(shù)量的多少可根據(jù)實際情況決定。在變電站安裝中心收發(fā)模塊組，與采集點相對，共同組建變電站的無線通信骨干網(wǎng)。

1.2 智能臺區(qū)數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理（data preprocessing）是指在主要的處理以前對數(shù)據(jù)進行的一些處理。由于智能電子設(shè)備采集到的電力原始數(shù)據(jù)中往往存在不一致、不正確、不準(zhǔn)確、不完整、含噪聲、高維度、違反業(yè)務(wù)規(guī)則或出現(xiàn)重復(fù)數(shù)據(jù)等諸多問題，無法直接進行數(shù)據(jù)挖掘，或直接挖掘?qū)⑹沟猛诰蚪Y(jié)果不準(zhǔn)確、無價值，故為了提高數(shù)據(jù)挖掘的質(zhì)量產(chǎn)生了數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)[12]。

數(shù)據(jù)預(yù)處理首先是理解數(shù)據(jù)本身，可以先從單變量統(tǒng)計分布的假設(shè)開始，假如效果不佳，再逐漸增加分析的復(fù)雜度。例如可以用中位數(shù)和箱線圖這樣的重要統(tǒng)計方法得到關(guān)于這些數(shù)據(jù)的一個總體分布，據(jù)此理解真正分析前數(shù)據(jù)存在的潛在問題，合理選擇數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法。數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法主要有下列幾種。

（1）缺失值處理。使用最可能的值代替缺失值，使缺失值與其他數(shù)值之間的關(guān)系保持最大。例如可以使用人工填充、用最可能的值填充。

（2）異常值處理。異常值是指某一數(shù)據(jù)集中偏離大部分?jǐn)?shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)值上表現(xiàn)為數(shù)據(jù)集中與平均值的偏差超過2倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)，其中與平均值的偏差超過3倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)，稱為高度異常的異常值。由于電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的特殊性，考慮到電力設(shè)備的安全性問題，對于異常的數(shù)據(jù)要引起足夠重視，需要結(jié)合整體模型作具體分析。

（3）數(shù)據(jù)集成。將來自多個不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)合并在一起，形成相一致的數(shù)據(jù)存儲，從而將不同數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)集成到一個數(shù)據(jù)倉庫中存儲。主要涉及冗余處理和沖突數(shù)據(jù)檢測和處理兩方面。

（4）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。將數(shù)據(jù)按比例縮放，使之落入一個小的特定區(qū)間，而不改變原始數(shù)據(jù)的分布?？梢酝ㄟ^z-score方法對原始數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差進行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。

（5）數(shù)據(jù)離散化。也稱作分箱，是將數(shù)值屬性的原始值用區(qū)間標(biāo)簽或概念標(biāo)簽進行替換。

1.3 智能臺區(qū)數(shù)據(jù)傳輸

配電網(wǎng)廣泛具有地域分布廣、設(shè)備數(shù)量和種類繁多、電壓等級多、現(xiàn)場情況復(fù)雜多變等特點，所以智能臺區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸方式并不是一成不變的，可以因地制宜采用多種傳輸方式相結(jié)合的方法?？梢造`活選擇無線傳輸?shù)姆绞綄Φ讓釉O(shè)備的數(shù)據(jù)信息進行匯總，再通過骨干網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。為保護數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被截獲和篡改，數(shù)據(jù)傳輸過程中可以采用散列算法、對稱加密和非對稱加密對數(shù)據(jù)進行加密，以保證即使信息被劫持，仍不能獲取有用的信息。

2 硬件終端

2.1 基于F28335的硬件結(jié)構(gòu)

新型的智能臺區(qū)涉及到數(shù)據(jù)采集、邏輯判斷和通信等諸多功能，對控制器要求較高。因此，選擇具有浮點功能的F28335作為主控制器。

F28335 采用哈佛結(jié)構(gòu)，2812DSP 采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，程序總線和數(shù)據(jù)總線分開，取指令和取數(shù)據(jù)并行操作，使得數(shù)據(jù)吞吐量提高1 倍。2812DSP 內(nèi)嵌32 位的高性能CPU，具有高速的運算能力，極大地滿足了傅式算法等各種算法的要求，保證了信號處理的實時性。2812DSP 外圍接口豐富，具有片內(nèi)定時/計數(shù)器、同步串行口、DMA接口、中斷控制器等硬件資源，較好滿足了擴展功能。

智能終端基于F28335，采用插件式結(jié)構(gòu)進行主要模塊設(shè)計，主要包括模擬量/開關(guān)量輸入、通信模塊、人機界面模塊、電源模塊4個插件，如圖1所示。

圖1 F28335硬件結(jié)構(gòu)

2.2 基于F28335的硬件模塊

監(jiān)控功能和錄波功能能否有效地實現(xiàn)，很大程度上依賴于數(shù)據(jù)采集的實時性和準(zhǔn)確性。本新型智能臺區(qū)終端模擬量輸入采集采用高精度的AD芯片，通過采集配電變壓器低壓側(cè)或者分支線的電流和電壓信息，并通過濾波和AD轉(zhuǎn)換將得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽28335進行分析處理。

智能臺區(qū)終端采集的模擬信號主要有以下2類。

（1）來自電壓互感器（或電流互感器）的交流電壓（或電流）信號。這些信號首先被轉(zhuǎn)換到與終端相匹配的電平，通過有源模擬濾波器濾去其中的高頻成分，并隔離和抑制隨有用信號進入的干擾，然后由采樣保持環(huán)節(jié)將連續(xù)信號離散化。

開關(guān)量輸入模塊采用高速光耦隔離芯片，將開關(guān)等信息實時采集到F28335主控制器中，采用光耦隔離芯片避免電磁環(huán)境的干擾。

隨著配電網(wǎng)朝著數(shù)字配電網(wǎng)的方向發(fā)展，對智能臺區(qū)終端的通信性能要求也越來越高，尤其對數(shù)據(jù)傳送的實時性和可靠性要求更高。

若采用傳統(tǒng)的總線和串口，很容易造成數(shù)據(jù)傳送瓶頸問題，實時性和可靠性得不到保證。嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展和完善，其有著其他網(wǎng)絡(luò)所不可比擬的高速性、實時性、安全性、可靠性和靈活性；而CAN控制器局域網(wǎng)具有簡單易用、組網(wǎng)方便、抗干擾性強等優(yōu)點。因此，本設(shè)計在保留傳統(tǒng)RS485通信方式基礎(chǔ)上，將嵌入式以太網(wǎng)和CAN現(xiàn)場總線相互結(jié)合，同時提供以太網(wǎng)、CAN和RS485三種通信方式供現(xiàn)場靈活選用。

電源插件采用直流逆變電源插件，直流220 V或110 V電壓輸入經(jīng)抗干擾濾波回路后，利用逆變原理輸出本裝置需要的3 組直流電壓，即5 V、±24 V、±12 V。3 組電壓均不共地，且采用浮地方式，不同裝置的外殼相連，防止外部電位由于雷擊等原因升高而導(dǎo)致裝置受干擾甚至損壞。為增強電源模件的抗干擾能力，本模塊的直流輸入裝設(shè)了濾波器以濾除高頻及干擾分量再接入本插件。

智能臺區(qū)終端采用良好的人機界面方式，人機界面插件可以運行數(shù)據(jù)的實時顯示，以及各種參數(shù)的設(shè)置，通過鍵盤、LCD 等實現(xiàn)人機交互。LCD 在正常情況下可以實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)，當(dāng)CPU 插件異常時給出警告信號以及當(dāng)電網(wǎng)故障時給出簡單的事故報告，方便運行人員及時了解運行狀態(tài)。

3 軟件功能

該新型智能臺區(qū)終端的主程序流程如圖2所示。

系統(tǒng)開機后首先進行系統(tǒng)初始化和人機界面初始化，初始化成功后進行中斷的發(fā)生及處理，并接收配電網(wǎng)眾多的智能電子設(shè)備在線實時采集線路的電流、電壓等模擬量參數(shù)和開關(guān)量參數(shù)。為了達到高效的數(shù)據(jù)響應(yīng)能力，裝置每周波采樣24點，采樣周期為0.833 ms，將采集到的數(shù)據(jù)存放到相應(yīng)的數(shù)組中。

正因為各種定義的出發(fā)點和視角不一，所以需要公認(rèn)機構(gòu)對標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)化的概念進行統(tǒng)一界定。這也是標(biāo)準(zhǔn)化的基本概念演進趨于成熟的過程。

主處理器根據(jù)接收到的報文是否為固定長度報文分別進行解包，將解包后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)預(yù)處理以提高數(shù)據(jù)挖掘的質(zhì)量，主處理器是一切測量、通信數(shù)據(jù)的來源，對內(nèi)需要響應(yīng)上位機人機界面處理器的請求，對外通過RS485 總線（或者載波通信），向其上傳電壓、電流、無功、有功測量參數(shù)、保護動作告警等信息，并接收來自配電主站發(fā)出的操作命令。

圖2 智能臺區(qū)終端軟件流程圖

主處理器將預(yù)處理過后的數(shù)據(jù)信息通過電力報文的形式進行組包發(fā)送、匯總傳輸，以供數(shù)據(jù)后臺分析處理。后臺可分析判斷接收到的數(shù)據(jù)信息是否存在三相不平衡度、電壓、電流、功率因素異常等情況，并作出及時處理。

此外，智能終端采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)可能由于各種干擾，存在高次諧波，難以進行數(shù)據(jù)挖掘。因此，為抑制和防止干擾，可以使用全波傅氏算法及差分算法對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波，濾取電流、電壓中的基波分量。

傅里葉算法通過建立傅里葉濾波系統(tǒng)進行濾波，假設(shè)被采樣信號是一個周期性的時間函數(shù)，則可以表示為：

式（1）～（3）中：n=0，1，···，為正整數(shù)；XRen、XImn分別為n 次諧波的正弦項（實部）和余弦項（虛部）的系數(shù)；Xn為第n 次諧波分量的幅值；ω為基波角頻率，ω=2πf0，f0=50 Hz。

則第n次諧波分量的幅值為：

此算法在實現(xiàn)時，需對式（2）～（3）中的XRe、XIm離散化，用離散的采樣值進行計算，以求和代替積分：

式中：n為諧波次數(shù)，如果為基波，n=1。

離散化并利用梯形積分進行邊界平滑處理，可得：

式中：N 為每周波采樣點數(shù)；n 為諧波次數(shù)；k 為第k 個采樣點。例如：N=24，即每周波采樣24個點，n=1，即對基波進行全波傅氏變換。

傅里葉算法具有很好的濾波能力，可以完全濾除整次諧波分量和純直流分量，也能較好地濾除線路分布電容引起的高頻分量。但是由于短路電流中含有按指數(shù)衰減的非周期分量，具有很寬的連續(xù)頻譜，在低頻段密度最大，傅氏算法在這種情況下計算誤差較大。為此，在實際應(yīng)用中，為了消弱直流分量和非周期分量的影響，在利用傅氏算法進行計算之前，可以先對各采樣點進行一點差分計算，即：

這樣式（7）～（8）改寫為：

式中：ω=2πf=100π；Ts為兩采樣點的時間間隔，此處每個周波采樣24個點，由于經(jīng)過一點差分計算后的值與原來的值在幅值上有個系數(shù)差，所以上面實部和虛部還要除上差分系數(shù)2sin7.5°。

4 結(jié)束語

智能終端作為臺區(qū)核心監(jiān)控部件，能夠高效、安全地進行配變電數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理和傳輸，對智能臺區(qū)的建設(shè)具有重要的意義。本文基于F28335控制器，研發(fā)了一種新型的智能臺區(qū)終端，詳細(xì)介紹了該終端的模擬量/開關(guān)量輸入、通信模塊、人機界面模塊、電源模塊4個主要組成部分，并進一步詳細(xì)研究其軟件系統(tǒng)，利用全波傅氏算法及差分算法去除數(shù)據(jù)噪聲。通過對高性能智能終端的研究，能夠更好地實現(xiàn)對配電臺區(qū)的智能化管理、精益化運維以及定制化服務(wù)，提高了供電質(zhì)量，改善了用戶的用電體驗，更好地滿足現(xiàn)代社會對于電力能源的多樣化需求。