配電臺區中智能配變終端的軟硬件構架設計

許昆 董丹丹 張喬悅 趙張磊

【摘要】介紹了智能配電臺區中的控制中樞——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、交流采樣、多種通信接口、TCP/IP網絡等技術，硬件功能模塊化設計保證了終端的可靠性和穩定性，實時嵌入式Vxworks操作系統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】配變監測;ARM9;Vxworks操作系統

引言

近年來，隨著經濟的快速發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、高校對電力用戶日益關心的供電可靠性和電能質量要求進行了不斷深入的研究，從而加強對電能質量的監視以及治理。其中，應用于低壓配電系統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、配變監測、電能質量監視、電能質量調節/諧波治理、無功優化控制補償、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量[1]。

1.智能配變終端在配電臺區中的功能

作為智能配電臺區的控制中樞——智能配變終端是根據國家有關標準、規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技術、交流采樣、多種通信方式、TCP/IP網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380V供電系統，負責對配電變壓器各參量進行全面監測、監視剩余電流動作保護器中剩余電流值以及運行狀態、監測配電臺區進出線開關狀態、無功補償電容器以及濾波器的投切狀態、實現配電臺區的電能信息采集以及電能質量管理等[2]。它既能實時監測電能表的數據，又能實時與主站通信，將配電臺區監測采集到的數據以及監測電能表的數據上送主站，同時主站可向終端用戶提供數據查看和設備遠程操作功能。

圖1 智能配電臺區總體結構圖[3]

2.硬件實現

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構圖

2.1 CPU核心模塊

CPU選用主流工業級32位ARM9處理內核微處理器，與外設的NAND Flash、Nor Flash、SDRAM、FPGA、RTC、WATCHDOG等構建統一的核心硬件平臺。

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）數據進行處理、存儲、傳輸等處理，最高頻率可達200MHz，擁有16KB指令高速緩存以及8KB數據高速緩存。SDRAM選用大容量8Mbytes作為內存，能達到與系統總線速度同步，也就是與系統時鐘同步，這樣就避免了不必要的等待周期，大大減少了數據存儲時間，使得ARM9能夠高效地處理大量數據。Nor Flash用于存儲底層驅動相關程序。NAND Flash用于存儲CPU所采集到的所有數據，容量高達128Mbytes。FPGA作為協處理器，主要負責對采集到的遙測數據進行預處理，并將處理后的數據存入SDRAM同時通知ARM9對這些數據完成再處理。RTC為CPU提供精準時鐘，WATCHDOG保證程序運行的穩定性。

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，足以滿足國網要求，另外電流采集能夠對二次側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，內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，并且可選配多種規約，以太網通信的波特率為10Mbit/s或100Mbit/s自適應。通信規約有IEC60870-5-104規約、IEC60870-5-101規約、DL/T 645-1997規約、DL/T 645-2007規約、IEC61850規約、以及其他自定義規約，能夠滿足各種現場通信需求。

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、瓦斯濃度等直流量的監測。為方便工程人員于現場調試臺區各項功能、配置相關參數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操作系統構建統一的系統平臺，具有很好的可靠性和卓越的實時性，從而能夠滿足工業的各種苛刻需求。采用嵌入式SQLite數據庫技術，實現數據的統一管理和存儲功能。

圖3 軟件架構框圖

3.1 終端軟件總體設計

軟件系統采用三層結構：

操作系統層：采用Vxworks做為上層應用程序運行的軟件平臺，實現應用軟件的多任務多進程調度（采用基于優先級搶占方式，同時支持同優先級任務間的分時間片調度），此外，還可以有效地優化系統硬件資源的管理。

業務支撐層：提供應用軟件實時數據支撐，以及任務調度、通信管理、存儲管理等，并且與數據庫實時同步。

應用功能層：實現應用軟件數據分析、通信規約解析、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 規約轉換設計

配變終端與系統主站的通信規約為IEC60870-5-104規約，而與電能表的通信規約為DL/T 645規約，為實現主站對臺區內部電能表的電能質量信息的實時監控，必須在配變終端內實現這兩類規約之間的相互轉換。

規約轉換的模型如圖4所示，IEC60870-5-104規約與DL/T 645規約的相互轉換主要集中于報文的解析、命令碼解析、數據格式轉換、以及報文的重新組裝。通常情況下，主站一次召喚的數據類型較多，配變終端就需要向電能表多次下發645規約數據幀，每次在電能表返回數據后，配變終端須首先將數據解析出來并存入數據庫中，如此反復，待主站所召數據全部齊備后再組裝104規約報文上送給主站。

圖4 104規約與645規約相互轉換的模型

圖5 主站讀取電能表數據軟件實現流程圖

圖6 智能配電臺區現場實物圖

規約轉換軟件實現流程圖如圖5所示，當主站定時讀取其下掛電能表時，配變終端首先從數據庫中查找所需數據，若數據庫中的數據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碼數據轉換成16進制格式，最后將所需數據打包成104規約回應報文回傳給主站，同時將數據更新到數據庫中。

4.智能配變終端的實際運行

該智能配電臺區已成功應用于南京溧水、常州溧陽低壓配電網中，經過近1年的投運，取得了良好的效果。現場實物圖如圖6所示。

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

表1 臺區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系統運行的可靠性和穩定性，從而使得智能配電臺區既節約了成本，又能夠及時準確的為供電企業提供各個供電區域的負荷情況、以及各種電力用戶的實際用電情況、電能質量、電量以及無功功率等信息，很好的實現了配電線路的諧波治理、節能降損、無功補償，提高了供電企業工作效率，具有推廣應用的價值。

參考文獻

[1]曹建平，倪瑛.配電變壓器監測終端現狀及發展[J].電氣應用，2005，01：18-21.

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

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