基于嵌入式農網智能終端的設計

滕廣力　李強

摘 要：隨著配電系統(tǒng)自動化的發(fā)展以及智能電網的提出，我國城市內有些地區(qū)已經使用了智能終端設備。然而在農村，抄表手段落后的現象依然存在，因此急需解決農村電網的智能化。本文設計出農網智能終端的硬件電路，并在硬件平臺的基礎上將智能終端的各個功能模塊用軟件封裝成μC/OS-II實時操作系統(tǒng)下的任務程序，通過任務的調度來完成并實現各個功能。系統(tǒng)最終設計的智能終端，可以實現對電網電參數的監(jiān)測，異常報警，諧波分析以及用戶電量信息的采集等多種功能。

關鍵詞：智能終端；智能電網；實時操作系統(tǒng)；自動化；諧波分析

智能終端全稱是智能配電終端，是配電自動化系統(tǒng)的重要組成部分，用于配電系統(tǒng)變壓器、斷路器、無功補償電容器等的監(jiān)視與控制，與配電自動化主站通信，提供配電系統(tǒng)運行控制及管理所需的數據，執(zhí)行主站給出的對配電設備的控制調節(jié)命令[1]。在我國農村，輸電電路比較長，電壓質量較差，配電設備陳舊，且大多數設備不能遠程遙控。同時信息傳輸通道缺乏，導致對配電網的故障處理的時間較長，故障處理結束后恢復供電也比較緩慢。

因此，我國現如今需要加快農網智能終端的研究，將其盡快應用到實踐中，以解決農網中存在的各種問題。該智能終端主要用于農網智能型低壓配電箱內，終端采用GPRS和以太網兩種數據通訊方式，將農網配電變壓器工況、計量電表等為主要控制管理對象，對相關的用電信息進行檢測，實現供用電監(jiān)測、控制和管理。

1 功能需求

智能終端的主要功能是對電網中電量信息進行監(jiān)測以及對漏電保護開關和其它設備進行控制，具體的功能主要有以下幾個。

1.1監(jiān)測功能

智能終端可以對配電變壓器，配變計量總表，居民用戶用電信息，漏電保護器等進行實時監(jiān)測，同時可監(jiān)測漏電保護器的電壓、電流、當前剩余電流、漏電告警、漏電動作記錄和開關狀態(tài)。

1.2配電變壓器保護功能

智能終端根據參數設置，可實現過壓保護、過流保護、過負荷保護、欠壓保護，終端進線斷路器的電動操作機構，終端根據變壓器工況的電壓、電流越限值，可實現自動跳閘，實現各種保護功能。

1.3無功補償控制功能

智能終端具有本地無功補償和遠程無功補償兩種控制方式。通過采集電壓電流值，計算出功率因數，可直接控制電容器投切開關的投切，實現無功補償，并將無功補償狀態(tài)上傳至主站。

2 系統(tǒng)設計架構

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象，實現從變電站到供電線路再至電力用戶的綜合供用電監(jiān)測、控制和管理。

其中ARM Cortex-M3芯片是系統(tǒng)的核心模塊，用來協調控制外圍電路的正常工作。本設計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)中其它模塊進行供電，并設計了鋰電池充放電電路作為備用電源。該終端的存儲模塊用于對大量的數據進行存儲與運算。時鐘日歷模塊可以為系統(tǒng)提供精確的時間信息，通過I2C總線將時鐘日歷芯片的精確時鐘信息傳遞給處理器；交采模塊選用SPI總線，通過SPI總線將交采芯片采集到的電量信息傳遞給處理器。

以太網模塊主要用于終端與主站軟件的通信，采用376.1電網數據傳輸規(guī)約進行數據的傳輸。同時，終端還具有主動將當前重要信息和異常狀態(tài)及時反饋給主站的功能。通信接口選用UART串口接入GPRS無線模塊，用來與主站軟件進行無線通信，同時載波模塊也可以通過UART來傳遞用戶電表的電量信息給終端處理器。最后，設計6個獨立按鍵，并外接液晶顯示屏，從而實現現場人機交互。

3 智能配變終端的軟件實現

3.1軟件總體構架

本文所設計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：底層驅動，操作系統(tǒng)和應用程序。

當硬件電路設計好后，電路中的每個芯片如何正常工作是首要的解決問題。本設計中連接處理器與其他外圍設備編寫的驅動程序稱之為底層驅動，它能使每個芯片在正常工作的同時可以與處理器進行數據交互。

該智能終端是基于μC/OS-Ⅱ內核的操作系統(tǒng)來實現的，μC/OS-Ⅱ是一個公開源代碼的占先式多任務的微內核嵌入式實時操作系統(tǒng)[2]，具有公開源代碼且代碼結構清晰明了，移植性好等特點。本設計利用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)對整個智能終端的功能以及運行參數進行實時的調度和分配，實現穩(wěn)定運行及迅速響應請求和異常狀況及時報警。

應用程序是根據圖3所劃分的功能進行分別實現的，再將各個功能封裝成μC/OS-II實時操作系統(tǒng)下的任務，這樣操作系統(tǒng)便可以通過任務的調度來完成并分配各個功能的最終實現。本設計一共分配了16個任務。通過在硬件平臺上添加軟件功能，最終實現了智能終端的全部需求，當查看終端的諧波含量。

3.2 關鍵技術與難點

3.2.1 諧波分析

在智能終端設計中，需要對電力系統(tǒng)的相關問題進行分析解決，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倍的正弦波分量，又稱為高次諧波[3][4]。諧波過大，將會對電力系統(tǒng)產生巨大的影響，因此對電力系統(tǒng)中的諧波含量進行實時監(jiān)測， 確切掌握電力系統(tǒng)中的諧波狀況， 對于防止諧波危害， 維護電力系統(tǒng)的安全運行是十分必要的。

本設計研究的終端，首先在電網中采集64個點的電壓電流數據，然后對其進行快速傅里葉變換，接著根據標準公式可計算出電壓電流的諧波總畸變率、有效值、各次諧波含有率，最終將計算數據上傳至主站，從而實現對諧波的監(jiān)測與分析功能。

如圖4所示，每個2點離散傅里葉變換均由一個蝶形運算組成。該運算包含兩個復數x和y。y和相位因子 進行乘法運算，然后和x進行加減運算。

3.2.2 實驗結果分析

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

4 結語

此次研究設計智能終端是以低成本、高穩(wěn)定性為目標，最終設計出一個穩(wěn)定高效的產品。該智能終端不僅能夠實現對配電變壓器、進出線開關、剩余電流動作保護器、智能電能表等運行信息進行采集和用戶用電信息進行收集，完成配電變壓器計量總表監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測、諧波監(jiān)測等功能，而且具有遠程抄表、用電異常信息報警、負荷管理與控制等多種功能。此外，本文所設計出的智能終端已經在部分地區(qū)進行試運行，其運行效果滿足了所有設計的功能需求。

參考文獻：

[1]配電網終端現場智能通信裝置的研究與實施.中南大學碩士論文.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。中國電力出版社.

[3]基于ARM的配電變壓器監(jiān)測終端（TTU）的設計.華北電力大學碩士論文.2010.12.

[4]李于達，王海燕，劉剛，何毅思。配電網中的饋電自動化技術發(fā)展綜述[J].電網技術，2006，S1：248-251.

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