400 V農網綜合自動化裝置的設計與實現

400 V農網綜合自動化裝置的設計與實現

張福東，任素龍，李帥華

(國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊050021)

摘要：介紹400 V農網綜合自動化裝置的結構，從網絡拓撲設計、GPRS和虛擬專用網絡(VPN)技術、通信接口設計、數據庫等方面分析該自動化裝置的關鍵技術，并說明該自動化裝置的應用情況及效果。

關鍵詞：農網；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開發及配網自動化研究工作。

中圖分類號：TM63

文獻標志碼：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配電網是電力系統中最后一個直接面向用戶供電的環節，用戶能否得到安全可靠經濟優質的電能，配電網的建設水平起到極為重要的作用。在我國廣大的農村地區，配電網的綜合自動化水平普遍較低，電網功率因數低，電能質量較差。各個廠家也生產制造了大量的產品，提出了很多技術解決對策，但這些產品和技術往往針對農網運行的某一方面(如保護、無功補償等)。要滿足不同的需求，往往需要采用不同廠家的不同產品和技術，造成部分設備電氣部件的重復投資，對不同廠家產品和技術的集成也比較困難[1]。因此，非常有必要研發制造一種綜合的農網自動化裝置，以滿足農網運行的主要需求，并提升400 V農網的綜合自動化水平。

2農網綜合自動化裝置的結構設計

農網綜合自動化裝置由以下幾個部分構成，分別是電力計量模塊、無功補償模塊、繼電保護模塊、防竊電模塊等，農網綜合自動化裝置結構見圖1。

圖1　農網綜合自動化裝置結構

2.1　硬件結構

控制核心采用ARM926EJ-STM ARM處理器，該處理器接口豐富，處理器性能優越，可以流暢運行linux嵌入式操作系統；實現控制中心與各功能子模塊的信息交互和控制指令收發。嵌入式控制中心硬件結構見圖2。

圖2　嵌入式控制中心硬件結構

自動化柜采用模塊化結構，內部按功能不同分割為：繼電保護及配電室、無功補償室、電量計量室、中心控制室。每個室內布置相應的模塊組件，在中心控制室內布置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串接在一起連接到ARM板控制中心的口線上，監測防竊電行為；控制中心通過GPRS通信模塊與調度中心服務器通信，上傳數據或接受遠程命令。就地與顯示屏采用串口連接，應用MODBUS通信協議傳輸相應數據[4]。

2.2　軟件結構

該裝置應用到實際現場需要3個主要軟件支持，分別是遠程調度中心的客戶端和服務器端軟件以及就地裝置中arm嵌入式軟件。

電力調度中心服務器端軟件在本地調度中心運行，采用WINDOWS2003SERVER 作為數據中心服務器。 應用程序采用3層結構： 通信層(底層)、數據庫層(中間層)、用戶界面層(頂層)。自智能配電柜由通信網絡傳入的配電網數據從底層流向頂層；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。服務器端軟件結構見圖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。中間數據庫層作為頂層和底層之間的橋梁，實時及歷史數據存放在這里。頂層基于.NET網站，提供配電管理的用戶界面，實現實時數據監控、歷史數據查詢、遠控、遠程抄表等功能。所有管理工作可通過瀏覽器進行，客戶端無需設置。

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

圖3　服務器端軟件結構

圖4　arm嵌入式軟件主程序簡化流程

系統上電初始化工作中，數據初始化部分的主要工作是生成正弦和余弦函數數值表，SV6PWM扇區分布表，內存分配等。在后期計算過程中可以使用查表的方法近似求得相應的函數值，這樣可以大大的減少直接計算使用的機器周期，提高系統的實時性。

關鍵監視點中斷上報主要監視點包括柜門打開、漏電保護器合閘、漏電保護器跳閘、無功補償自動投入和切除等。GPRS模塊采用中斷方式與控制器進行通信，功能子模塊中人機界面作為人機接口與 arm核心應用MODBUS協議實現主從站之間通信。

3關鍵技術的實現

3.1　網絡拓撲設計

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，對上與電力調度中心通過GPRS通信，將數據上傳至數據中心服務器，并接受來自調度中心的遠程命令，綜合自動化裝置系統網絡拓撲結構見圖5。

圖5　農網綜合自動化裝置管理系統網絡拓撲結構

3.2　GPRS和虛擬專用網絡(VPN)技術

虛擬專用網絡技術采用隧道技術以及加密、身份認證等方法，利用公共網絡設施在遠端用戶之間提供類似專網的連接技術。該裝置及其系統應用時向中國移動通信公司申請 VPN業務，從而可以把所有的自動化數據采集終端和調度中心集中監控主站連接成VPN。這樣集中監控主站與自動化裝置之間可以進行通信。

GPRS 無線終端與集中監控主站系統之間數據是在加密后"虛擬專用網絡"中傳輸的，數據傳輸的安全性強，而且終端設備之間也可以進行通信。

3.3　通信接口設計

裝置內繼電保護控制板、無功補償控制板、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一采用兩線制RS-485接口通信，配電柜內電磁環境復雜，采用阻抗匹配(120 Ω)的RS-485鎧裝型雙絞屏蔽電纜。由于RS-485采用差分信號負邏輯，是一種單工通信方式，故在處理問詢機制和主動上報機制時對時間進行嚴格劃分，在軟件邏輯中犧牲一部分實時性，確保各模塊通信不發生沖突。

3.4　數據庫

裝置規模較小，正處于研發和試運階段，采用了MySQL數據庫軟件，該軟件開放源碼，可搭配PHP和Apache組成良好的開發環境，體積小、速度快、基本免費。為保證數據庫運行良好，進程間

通信順暢，采用共享內存技術，當成功導入一塊共享內存后，它只是相當于一個字符串指針來指向一塊內存，在當前進程下用戶可以隨意的訪問。這樣多個農網自動化終端可以同時訪問MySQL數據庫。

3.5　其他技術措施

柜體采用加強絕緣型，開關柜內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帶來的安全隱患；強電和弱電走線的合理布置，使系統的可靠性大大提高；通過軟件看門狗，指令冗余，軟件陷阱，循環重定位等軟件措施解決了裝置內復雜的電磁環境下的電磁干擾問題。

4應用情況及效果

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試運，到目前為止系統運行穩定，未出現死機、通信不暢等異常情況，服務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、有無異常等數據，管理網站運行正常，客戶端各種查詢、設置操作功能正常。

5結束語

以上提出的400 V農網綜合自動化裝置具備“智能電網”信息化、數字化、自動化、互動化的'智能'技術特征[5-6]，能夠滿足并提升農網400 V的綜合自動化水平。但出于對該裝置各功能模塊的穩定性與安全性考慮，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現全部功能以節省投資成本。

參考文獻：

[1]李乃湖,倪以信,孫舒捷,等.智能電網及其關鍵技術綜述[J].南方電網技術2010,4(3):1-7.

[2]DL/T 645-2007,多功能電表通信規約[S].

[3]DL/T 5136-2001,火力發電廠、變電所二次接線設計技術規程[S]．

[4]文小玲,余飛,盧圣文,等.基于MODBUS 協議的串口通信軟件設計[J].湖南工業大學學報,2008, 22(6):100-102.

[5]申忠如,郭福田,丁暉.現代測控技術與系統設計[M]. 西安: 西安交通大學出版社, 2006.

[6]John Catsoulis.嵌入式硬件設計[M].徐君明,許鐵軍,譯．北京：中國電力出版社，2004.

本文責任編輯：楊秀敏