基于嵌入式農(nóng)網(wǎng)智能終端的設(shè)計(jì)

滕廣力　李強(qiáng)

摘 要：隨著配電系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展以及智能電網(wǎng)的提出，我國(guó)城市內(nèi)有些地區(qū)已經(jīng)使用了智能終端設(shè)備。然而在農(nóng)村，抄表手段落后的現(xiàn)象依然存在，因此急需解決農(nóng)村電網(wǎng)的智能化。本文設(shè)計(jì)出農(nóng)網(wǎng)智能終端的硬件電路，并在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上將智能終端的各個(gè)功能模塊用軟件封裝成μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下的任務(wù)程序，通過(guò)任務(wù)的調(diào)度來(lái)完成并實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)的智能終端，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電參數(shù)的監(jiān)測(cè)，異常報(bào)警，諧波分析以及用戶電量信息的采集等多種功能。

關(guān)鍵詞：智能終端；智能電網(wǎng)；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；自動(dòng)化；諧波分析

智能終端全稱是智能配電終端，是配電自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，用于配電系統(tǒng)變壓器、斷路器、無(wú)功補(bǔ)償電容器等的監(jiān)視與控制，與配電自動(dòng)化主站通信，提供配電系統(tǒng)運(yùn)行控制及管理所需的數(shù)據(jù)，執(zhí)行主站給出的對(duì)配電設(shè)備的控制調(diào)節(jié)命令[1]。在我國(guó)農(nóng)村，輸電電路比較長(zhǎng)，電壓質(zhì)量較差，配電設(shè)備陳舊，且大多數(shù)設(shè)備不能遠(yuǎn)程遙控。同時(shí)信息傳輸通道缺乏，導(dǎo)致對(duì)配電網(wǎng)的故障處理的時(shí)間較長(zhǎng)，故障處理結(jié)束后恢復(fù)供電也比較緩慢。

因此，我國(guó)現(xiàn)如今需要加快農(nóng)網(wǎng)智能終端的研究，將其盡快應(yīng)用到實(shí)踐中，以解決農(nóng)網(wǎng)中存在的各種問(wèn)題。該智能終端主要用于農(nóng)網(wǎng)智能型低壓配電箱內(nèi)，終端采用GPRS和以太網(wǎng)兩種數(shù)據(jù)通訊方式，將農(nóng)網(wǎng)配電變壓器工況、計(jì)量電表等為主要控制管理對(duì)象，對(duì)相關(guān)的用電信息進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)供用電監(jiān)測(cè)、控制和管理。

1 功能需求

智能終端的主要功能是對(duì)電網(wǎng)中電量信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及對(duì)漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)和其它設(shè)備進(jìn)行控制，具體的功能主要有以下幾個(gè)。

1.1監(jiān)測(cè)功能

智能終端可以對(duì)配電變壓器，配變計(jì)量總表，居民用戶用電信息，漏電保護(hù)器等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)可監(jiān)測(cè)漏電保護(hù)器的電壓、電流、當(dāng)前剩余電流、漏電告警、漏電動(dòng)作記錄和開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

1.2配電變壓器保護(hù)功能

智能終端根據(jù)參數(shù)設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、欠壓保護(hù)，終端進(jìn)線斷路器的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，終端根據(jù)變壓器工況的電壓、電流越限值，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跳閘，實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能。

1.3無(wú)功補(bǔ)償控制功能

智能終端具有本地?zé)o功補(bǔ)償和遠(yuǎn)程無(wú)功補(bǔ)償兩種控制方式。通過(guò)采集電壓電流值，計(jì)算出功率因數(shù)，可直接控制電容器投切開(kāi)關(guān)的投切，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，并將無(wú)功補(bǔ)償狀態(tài)上傳至主站。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

本論文的智能終端將變電站、供用配變、居民用戶等為主要控制管理對(duì)象，實(shí)現(xiàn)從變電站到供電線路再至電力用戶的綜合供用電監(jiān)測(cè)、控制和管理。

其中ARM Cortex-M3芯片是系統(tǒng)的核心模塊，用來(lái)協(xié)調(diào)控制外圍電路的正常工作。本設(shè)計(jì)核心模塊芯片選用基于ARM Cortex-M3的微控制器LPC1788。電源模塊給系統(tǒng)中其它模塊進(jìn)行供電，并設(shè)計(jì)了鋰電池充放電電路作為備用電源。該終端的存儲(chǔ)模塊用于對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與運(yùn)算。時(shí)鐘日歷模塊可以為系統(tǒng)提供精確的時(shí)間信息，通過(guò)I2C總線將時(shí)鐘日歷芯片的精確時(shí)鐘信息傳遞給處理器；交采模塊選用SPI總線，通過(guò)SPI總線將交采芯片采集到的電量信息傳遞給處理器。

以太網(wǎng)模塊主要用于終端與主站軟件的通信，采用376.1電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。同時(shí)，終端還具有主動(dòng)將當(dāng)前重要信息和異常狀態(tài)及時(shí)反饋給主站的功能。通信接口選用UART串口接入GPRS無(wú)線模塊，用來(lái)與主站軟件進(jìn)行無(wú)線通信，同時(shí)載波模塊也可以通過(guò)UART來(lái)傳遞用戶電表的電量信息給終端處理器。最后，設(shè)計(jì)6個(gè)獨(dú)立按鍵，并外接液晶顯示屏，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互。

3 智能配變終端的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1軟件總體構(gòu)架

本文所設(shè)計(jì)研究的智能配變終端其主要功能如圖1所示，主要分為三大塊：底層驅(qū)動(dòng)，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。

當(dāng)硬件電路設(shè)計(jì)好后，電路中的每個(gè)芯片如何正常工作是首要的解決問(wèn)題。本設(shè)計(jì)中連接處理器與其他外圍設(shè)備編寫的驅(qū)動(dòng)程序稱之為底層驅(qū)動(dòng)，它能使每個(gè)芯片在正常工作的同時(shí)可以與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

該智能終端是基于μC/OS-Ⅱ內(nèi)核的操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，μC/OS-Ⅱ是一個(gè)公開(kāi)源代碼的占先式多任務(wù)的微內(nèi)核嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[2]，具有公開(kāi)源代碼且代碼結(jié)構(gòu)清晰明了，移植性好等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)利用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)對(duì)整個(gè)智能終端的功能以及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)度和分配，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行及迅速響應(yīng)請(qǐng)求和異常狀況及時(shí)報(bào)警。

應(yīng)用程序是根據(jù)圖3所劃分的功能進(jìn)行分別實(shí)現(xiàn)的，再將各個(gè)功能封裝成μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下的任務(wù)，這樣操作系統(tǒng)便可以通過(guò)任務(wù)的調(diào)度來(lái)完成并分配各個(gè)功能的最終實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)一共分配了16個(gè)任務(wù)。通過(guò)在硬件平臺(tái)上添加軟件功能，最終實(shí)現(xiàn)了智能終端的全部需求，當(dāng)查看終端的諧波含量。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)

3.2.1 諧波分析

在智能終端設(shè)計(jì)中，需要對(duì)電力系統(tǒng)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析解決，其中最主要的是諧波分析。供電系統(tǒng)諧波，是指一些頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦波分量，又稱為高次諧波[3][4]。諧波過(guò)大，將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響，因此對(duì)電力系統(tǒng)中的諧波含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 確切掌握電力系統(tǒng)中的諧波狀況， 對(duì)于防止諧波危害， 維護(hù)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行是十分必要的。

本設(shè)計(jì)研究的終端，首先在電網(wǎng)中采集64個(gè)點(diǎn)的電壓電流數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換，接著根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公式可計(jì)算出電壓電流的諧波總畸變率、有效值、各次諧波含有率，最終將計(jì)算數(shù)據(jù)上傳至主站，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的監(jiān)測(cè)與分析功能。

如圖4所示，每個(gè)2點(diǎn)離散傅里葉變換均由一個(gè)蝶形運(yùn)算組成。該運(yùn)算包含兩個(gè)復(fù)數(shù)x和y。y和相位因子 進(jìn)行乘法運(yùn)算，然后和x進(jìn)行加減運(yùn)算。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-2-2，文獻(xiàn)[6]規(guī)定了中壓和低壓電網(wǎng)中諧波兼容值為8%，其中各次諧波的兼容水平如表1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

此次研究設(shè)計(jì)智能終端是以低成本、高穩(wěn)定性為目標(biāo)，最終設(shè)計(jì)出一個(gè)穩(wěn)定高效的產(chǎn)品。該智能終端不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)配電變壓器、進(jìn)出線開(kāi)關(guān)、剩余電流動(dòng)作保護(hù)器、智能電能表等運(yùn)行信息進(jìn)行采集和用戶用電信息進(jìn)行收集，完成配電變壓器計(jì)量總表監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、諧波監(jiān)測(cè)等功能，而且具有遠(yuǎn)程抄表、用電異常信息報(bào)警、負(fù)荷管理與控制等多種功能。此外，本文所設(shè)計(jì)出的智能終端已經(jīng)在部分地區(qū)進(jìn)行試運(yùn)行，其運(yùn)行效果滿足了所有設(shè)計(jì)的功能需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]配電網(wǎng)終端現(xiàn)場(chǎng)智能通信裝置的研究與實(shí)施.中南大學(xué)碩士論文.2009.4.

[2]Jos Arrillaga Neville R.Watson著，林海雪，范明天，薛蕙譯。電力系統(tǒng)諧波。中國(guó)電力出版社.

[3]基于ARM的配電變壓器監(jiān)測(cè)終端（TTU）的設(shè)計(jì).華北電力大學(xué)碩士論文.2010.12.

[4]李于達(dá)，王海燕，劉剛，何毅思。配電網(wǎng)中的饋電自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，S1：248-251.

[5]王廷良.配電自動(dòng)化系統(tǒng)終端的現(xiàn)狀及發(fā)展方向.電力設(shè)備期刊.2004.12.第5第12期.