基于嵌入式網(wǎng)關(guān)的微網(wǎng)自控系統(tǒng)的研究

匡　博，王　穎

(1.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊050091；2.河北地質(zhì)大學(xué)，河北石家莊050031)

基于嵌入式網(wǎng)關(guān)的微網(wǎng)自控系統(tǒng)的研究

匡博1，王穎2

(1.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊050091；2.河北地質(zhì)大學(xué)，河北石家莊050031)

微網(wǎng)的重要地位決定了對于微電網(wǎng)電能質(zhì)量的高要求。結(jié)合微網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀，提出一套基于嵌入式網(wǎng)關(guān)的微網(wǎng)自控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以有效地提高現(xiàn)場參數(shù)的采集質(zhì)量，增強(qiáng)控制能力，具有一定的推廣價(jià)值。

微網(wǎng)；嵌入式；智能電網(wǎng)

傳統(tǒng)的發(fā)電站主要是以火電和水電為主，其中火電消耗了大量的煤炭資源并且排放大量的溫室氣體。隨著化石資源的逐漸枯竭以及越來越高的環(huán)保意識，人們迫切要求一種新的能源方式來代替這種落后的發(fā)電模式。隨著研究的深入，分布式的太陽能、風(fēng)能發(fā)電方式是解決這一問題的最佳方案。但是傳統(tǒng)的電站管理方式難以在分布式的小型配電系統(tǒng)上使用，微網(wǎng)的發(fā)展遇到了瓶頸。

近年來以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的新一代科技革命催生了一系列的智能化系統(tǒng)，已經(jīng)被我們熟知的主要有智能家居、智能交通同時(shí)還有旨在促進(jìn)電力行業(yè)發(fā)展的智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)是電網(wǎng)發(fā)展的趨勢，通過一系列智能化的設(shè)備實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化運(yùn)行與控制，這樣可以最大程度上提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率。開發(fā)微網(wǎng)可以使得更多的分布式能源和可再生能源接入電網(wǎng)，較大程度地?cái)U(kuò)充電網(wǎng)容量，是實(shí)現(xiàn)主動式配電網(wǎng)的一種非常有效的方式，也有利于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的平穩(wěn)過渡。

由于分布式能源的一些特點(diǎn)使得微網(wǎng)的電能質(zhì)量具有穩(wěn)定性較低的劣勢，因此需要對微網(wǎng)進(jìn)行必要且有效的監(jiān)控設(shè)置。結(jié)合現(xiàn)在微網(wǎng)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)提出了基于嵌入式網(wǎng)關(guān)的微網(wǎng)自控系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)的主體設(shè)計(jì)

微電網(wǎng)是由分布式的電源、大容量的儲能裝置、高效的能量轉(zhuǎn)換裝置以及一整套的監(jiān)控和保護(hù)裝置組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。因?yàn)榉植际诫娫吹氖褂檬沟梦⒕W(wǎng)成為提高綠色能源使用率的有效方式。隨著大量的微網(wǎng)并入大電網(wǎng)，對微網(wǎng)有效的監(jiān)控和微網(wǎng)本身的自我控制就顯得尤為重要。

微網(wǎng)的控制系統(tǒng)是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、自我保護(hù)和自我管理的自治系統(tǒng)[1]。近年來，美國、歐洲和日本對于微電網(wǎng)均展開了示范性的研究。中國微網(wǎng)發(fā)展比較晚，相對而言還處于發(fā)展的起步階段。通過綜合研究比較外國關(guān)于微網(wǎng)自控系統(tǒng)的研究，本設(shè)計(jì)提出一套以光伏微網(wǎng)為例，基于嵌入式網(wǎng)關(guān)的微網(wǎng)自控系統(tǒng)。整體模型設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)主要由產(chǎn)電設(shè)備、儲能設(shè)備、管理系統(tǒng)以及負(fù)荷組成。產(chǎn)電設(shè)備一方面通過公共連接點(diǎn)(PCC)與大電網(wǎng)相連，另一方面通過逆變器直接與負(fù)載相連。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在微網(wǎng)與大電網(wǎng)的接口處全部設(shè)置了斷路器，以保護(hù)電網(wǎng)的運(yùn)行安全。除此之外還加以電壓和功率的控制器，實(shí)現(xiàn)了對能量的有效控制管理。

2　下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

該自控系統(tǒng)主要分為下位機(jī)和上位機(jī)兩大部分。

下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整個(gè)微網(wǎng)的電壓、電流以及溫度等數(shù)據(jù)信息的采集工作，這些采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)ZigBee傳送到嵌入式網(wǎng)關(guān)，在嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行初步的分析處理后通過網(wǎng)關(guān)傳送到遠(yuǎn)程的服務(wù)器端進(jìn)行更深層次的處理。

上位機(jī)則主要是數(shù)據(jù)庫和友好界面的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)使用Java語言進(jìn)行服務(wù)器、PC客戶端和基于Android的客戶端的設(shè)計(jì)，并通過MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲處理。

2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制的信息來源。基于微網(wǎng)的實(shí)際特點(diǎn)，系統(tǒng)在底層設(shè)計(jì)了關(guān)于電壓、電流以及設(shè)備溫度的采集電路，下面以電流的采集電路為例進(jìn)行詳細(xì)說明。

穩(wěn)定的電流輸出是微網(wǎng)接入大電網(wǎng)之前必須檢測的電能質(zhì)量之一。本設(shè)計(jì)的電流信息采集原理是：通過檢測電路中電阻兩端的壓降再結(jié)合歐姆定律來計(jì)算實(shí)時(shí)的電流值。由于電流信息的采集電路需要嵌入到主電路之中，所以為了減少對電路的影響，系統(tǒng)選擇毫歐級別的電阻和電流放電電路進(jìn)行綜合檢測分析。電流放大采集電路如圖2所示。

圖2　電流放大采集電路

該電流放大采集電路可以將采集到的放大數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，通過A/D轉(zhuǎn)換之后直接反饋到控制端從而實(shí)現(xiàn)控制管理。MCP6002是一個(gè)1 MHz的低功率的運(yùn)算放大器，該運(yùn)放的工作電壓為1.8 V到5.5 V，滿足設(shè)計(jì)需要。經(jīng)過放大的信號從VOUTB輸出，從而得到準(zhǔn)確的電流值。

2.2信息的傳輸

下位機(jī)通過傳感器進(jìn)行各種物理信息的采集之后，便需要有高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將采集數(shù)據(jù)傳送到嵌入式網(wǎng)關(guān)，以進(jìn)行下一步的分析。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)布置靈活的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸工作。ZigBee協(xié)議具有低成本、低功耗、高網(wǎng)絡(luò)容量等特點(diǎn)，符合微網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集的實(shí)際需求。各個(gè)運(yùn)行著的傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間采用星型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)均采用CC2530開發(fā)板，傳感器利用I/O口與各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)相連，再通過路由節(jié)點(diǎn)傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)傳送到嵌入式的網(wǎng)關(guān)，完成數(shù)據(jù)的采集任務(wù)。

系統(tǒng)的控制過程與信息采集過程正好相反，嵌入式網(wǎng)關(guān)接收到控制命令之后將命令傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再通過廣播的方式傳送到各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制工作。

2.3嵌入式網(wǎng)關(guān)的選擇

嵌入式網(wǎng)關(guān)是把TCP/IP協(xié)議棧固化在芯片內(nèi)以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)采用的嵌入式開發(fā)平臺是由三星公司ATM9系列的S3C2440A核心處理器和CS8900網(wǎng)卡芯片以及內(nèi)存芯片組成。嵌入式網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　嵌入式網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

在嵌入式網(wǎng)關(guān)體系結(jié)構(gòu)中，嵌入式處理器是核心部件[2]。本系統(tǒng)采用ARM920T內(nèi)核的S3C2440A處理器。該處理器為16/32位處理器，具有低功耗、高效、簡單的優(yōu)點(diǎn)。此外，該處理器實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBU BUS的高速緩存體系，符合本設(shè)計(jì)的要求。在嵌入式的應(yīng)用系統(tǒng)中，還采用了CS8900A以太網(wǎng)控制器芯片，SDRAM，F(xiàn)LASH高速緩存和串口芯片MAX232。其中CS8900A以太網(wǎng)控制芯片是一個(gè)高度集成的以太網(wǎng)控制器，不再需要其他的昂貴以太網(wǎng)外部器件，既簡化了設(shè)計(jì)流程又降低了開發(fā)成本。

3　上位機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

有了下位機(jī)良好的數(shù)據(jù)采集和傳輸，要想整個(gè)系統(tǒng)更加具有實(shí)用性就需要有良好的上位機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)中，上位機(jī)的主要開發(fā)可以分為兩部分：基于數(shù)據(jù)庫的開發(fā)和基于遠(yuǎn)程控制的開發(fā)。

3.1基于數(shù)據(jù)庫的開發(fā)

下位機(jī)采集的大量數(shù)據(jù)需要一個(gè)性能良好的數(shù)據(jù)庫對其進(jìn)行存儲處理，以便于日后出現(xiàn)故障之后可以更好地分析故障原因。由于該系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)包括電壓、電流以及溫度等信息，單位信息量不大，所以選擇MySQL數(shù)據(jù)庫。主要建立的表項(xiàng)有：voltage(用來存儲電壓信息)、electricity(用以存儲電流信息)以及Tem(用來存儲溫度信息)等。

3.2基于界面的開發(fā)

將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息上傳到服務(wù)器，需要有服務(wù)器程序?qū)ζ溥M(jìn)行下一步的處理操作，并根據(jù)一定的判斷標(biāo)準(zhǔn)判斷微網(wǎng)是否在正常的工作。

在本設(shè)計(jì)中服務(wù)器程序主要使用Java語言進(jìn)行編寫，服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)的功能為：

(1)通過JDBC連接MySQL數(shù)據(jù)庫，將采集到的數(shù)據(jù)信息存儲到數(shù)據(jù)庫中。

(2)設(shè)置相應(yīng)的閾值，根據(jù)危險(xiǎn)程度的不同，做出自動控制和自動控制加上報(bào)管理員的不同操作。

此外為了更加方便地對系統(tǒng)進(jìn)行管理，還進(jìn)行了移動客戶端的開發(fā)工作，使得微網(wǎng)管理人員可以在移動設(shè)備上實(shí)時(shí)地查看系統(tǒng)信息和進(jìn)行相應(yīng)的控制管理。

4　總結(jié)

在智能電網(wǎng)發(fā)展的大趨勢下，針對分布式電源的微網(wǎng)，本設(shè)計(jì)提出一套基于嵌入式網(wǎng)關(guān)的微網(wǎng)自控系統(tǒng)。利用ZigBee節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)，通過嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、高效的傳輸工作，并在高性能的服務(wù)器之中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合處理以及對系統(tǒng)的自動控制。該系統(tǒng)具有反應(yīng)速度快，系統(tǒng)控制穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的推廣價(jià)值。

[1]張永健.電網(wǎng)監(jiān)控與調(diào)度自動化[M].北京：中國電力出版社,2011: 3-5.

[2]王成山,肖朝霞,王守相.微電網(wǎng)綜合控制與分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,32(7):98-103.

Study of micro network control system based on embedded gateway

KUANG Bo1,WANG Ying2
(1.Hebei Jiaotong Vocational and Technical College,Shijiazhuang Hebei 050091,China; 2.Hebei GEO University,Shijiazhuang Hebei 050031,China)

The important role of micro grid determines the high quality of micro grid power.Combined with the development of the micro grid,a set of micro grid control system based on embedded gateway was proposed.The system can effectively improve the quality of field parameters collection and enhance the control ability with certain promotion value.

micro grid;embedded;smart grid

TM 7

A

1002-087 X(2016)10-2074-03

2016-03-02

匡博(1978—)，男，河北省人，本科，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)庫。