一種新型智能臺區終端的研發

符國勇

（海南電網有限責任公司萬寧供電局，海南萬寧 571500）

0 引言

低壓農村電網配電臺區普遍存在電力設備種類繁多[1]、智能化水平低[2]、供給側和需求側之間雙向互動性不足、電壓在線監測實時性差[3]以及能效管理環節薄弱等問題，使得供電側對用戶信息、電氣量和開關量的獲取能力不足，給電力系統的正常運行、調度管理、安全監控、故障情況的緊急處理帶來了困難。

隨著國內配電網的自動化發展[4]，靈活構建配電網智能臺區綜合控制系統，對于實現低壓配電臺區的運行狀態在線監測與控制、系統運行數據的綜合分析、臺區智能化水平提升具有重要意義[5-6]。

電力學術界和工業界也逐步開展了低壓配電智能臺區的研究，目前對智能臺區的研究主要集中在臺區三相不平衡治理[7]、臺區低壓線損降損[8]、智能臺區風光儲能量管理[9]、智能配電臺區協議[10]以及智能臺區經濟運行[11]的研究，而對智能臺區終端的研究相對較少。

本文將重點進行新型智能臺區終端的研究。首先分析電網智能臺區系統現狀和智能臺區終端需求，接著研發一種基于F28335控制器的新型終端，詳細介紹該新型終端的硬件結構，包括模擬量/開關量輸入、通信模塊、人機交界面模塊、電源模塊4個部分，最后分析其軟件系統所涉及的功能。

該新型智能臺區終端通過對原有低壓配電臺區的升級改造，實現對低壓配電臺區的基本監測和分析功能。該系統負責配電網智能臺區的數據采集、預處理和數據傳輸分析，對臺區發生的故障具有高效的響應能力，從而實現對配電臺區的智能化和精細化管理。

1 終端需求分析

智能臺區終端負責配電網智能臺區的數據采集、預處理和數據傳輸，是實現智能配電網的重要環節。通過廣泛采集配電側用戶信息，并經過數據預處理和數據挖掘提取有用信息，對提高配電網可靠性、提高供電質量、改進用戶的用電體驗具有重要意義。

1.1 智能臺區數據量采集

用于負荷監測的電力設備以及用戶側的智能電子設備可以采用無線通信技術對采集到的數據進行實時傳輸。具體實施時，可在負責采集信息的智能電子設備之間設置基于認知無線電技術的無線數據采集發送模塊的采集點，每個采集點負責采集匯總附近的智能電子設備所采集的信息。由于實際環境的不同，無線傳輸距離受建筑物的屏蔽和遮擋較為嚴重，所以每個采集點采集數量的多少可根據實際情況決定。在變電站安裝中心收發模塊組，與采集點相對，共同組建變電站的無線通信骨干網。

1.2 智能臺區數據預處理

數據預處理（data preprocessing）是指在主要的處理以前對數據進行的一些處理。由于智能電子設備采集到的電力原始數據中往往存在不一致、不正確、不準確、不完整、含噪聲、高維度、違反業務規則或出現重復數據等諸多問題，無法直接進行數據挖掘，或直接挖掘將使得挖掘結果不準確、無價值，故為了提高數據挖掘的質量產生了數據預處理技術[12]。

數據預處理首先是理解數據本身，可以先從單變量統計分布的假設開始，假如效果不佳，再逐漸增加分析的復雜度。例如可以用中位數和箱線圖這樣的重要統計方法得到關于這些數據的一個總體分布，據此理解真正分析前數據存在的潛在問題，合理選擇數據預處理的方法。數據預處理的方法主要有下列幾種。

（1）缺失值處理。使用最可能的值代替缺失值，使缺失值與其他數值之間的關系保持最大。例如可以使用人工填充、用最可能的值填充。

（2）異常值處理。異常值是指某一數據集中偏離大部分數據。從數據值上表現為數據集中與平均值的偏差超過2倍標準差的數據，其中與平均值的偏差超過3倍標準差的數據，稱為高度異常的異常值。由于電力系統數據的特殊性，考慮到電力設備的安全性問題，對于異常的數據要引起足夠重視，需要結合整體模型作具體分析。

（3）數據集成。將來自多個不同數據源的數據合并在一起，形成相一致的數據存儲，從而將不同數據庫中的數據集成到一個數據倉庫中存儲。主要涉及冗余處理和沖突數據檢測和處理兩方面。

（4）數據標準化。將數據按比例縮放，使之落入一個小的特定區間，而不改變原始數據的分布。可以通過z-score方法對原始數據的均值和標準差進行數據的標準化。

（5）數據離散化。也稱作分箱，是將數值屬性的原始值用區間標簽或概念標簽進行替換。

1.3 智能臺區數據傳輸

配電網廣泛具有地域分布廣、設備數量和種類繁多、電壓等級多、現場情況復雜多變等特點，所以智能臺區的數據傳輸方式并不是一成不變的，可以因地制宜采用多種傳輸方式相結合的方法。可以靈活選擇無線傳輸的方式對底層設備的數據信息進行匯總，再通過骨干網將數據傳輸到數據中心。為保護數據在傳輸過程中不被截獲和篡改，數據傳輸過程中可以采用散列算法、對稱加密和非對稱加密對數據進行加密，以保證即使信息被劫持，仍不能獲取有用的信息。

2 硬件終端

2.1 基于F28335的硬件結構

新型的智能臺區涉及到數據采集、邏輯判斷和通信等諸多功能，對控制器要求較高。因此，選擇具有浮點功能的F28335作為主控制器。

F28335 采用哈佛結構，2812DSP 采用哈佛總線結構，程序總線和數據總線分開，取指令和取數據并行操作，使得數據吞吐量提高1 倍。2812DSP 內嵌32 位的高性能CPU，具有高速的運算能力，極大地滿足了傅式算法等各種算法的要求，保證了信號處理的實時性。2812DSP 外圍接口豐富，具有片內定時/計數器、同步串行口、DMA接口、中斷控制器等硬件資源，較好滿足了擴展功能。

智能終端基于F28335，采用插件式結構進行主要模塊設計，主要包括模擬量/開關量輸入、通信模塊、人機界面模塊、電源模塊4個插件，如圖1所示。

圖1 F28335硬件結構

2.2 基于F28335的硬件模塊

監控功能和錄波功能能否有效地實現，很大程度上依賴于數據采集的實時性和準確性。本新型智能臺區終端模擬量輸入采集采用高精度的AD芯片，通過采集配電變壓器低壓側或者分支線的電流和電壓信息，并通過濾波和AD轉換將得到的數據傳輸到F28335進行分析處理。

智能臺區終端采集的模擬信號主要有以下2類。

（1）來自電壓互感器（或電流互感器）的交流電壓（或電流）信號。這些信號首先被轉換到與終端相匹配的電平，通過有源模擬濾波器濾去其中的高頻成分，并隔離和抑制隨有用信號進入的干擾，然后由采樣保持環節將連續信號離散化。

開關量輸入模塊采用高速光耦隔離芯片，將開關等信息實時采集到F28335主控制器中，采用光耦隔離芯片避免電磁環境的干擾。

隨著配電網朝著數字配電網的方向發展，對智能臺區終端的通信性能要求也越來越高，尤其對數據傳送的實時性和可靠性要求更高。

若采用傳統的總線和串口，很容易造成數據傳送瓶頸問題，實時性和可靠性得不到保證。嵌入式以太網技術不斷發展和完善，其有著其他網絡所不可比擬的高速性、實時性、安全性、可靠性和靈活性；而CAN控制器局域網具有簡單易用、組網方便、抗干擾性強等優點。因此，本設計在保留傳統RS485通信方式基礎上，將嵌入式以太網和CAN現場總線相互結合，同時提供以太網、CAN和RS485三種通信方式供現場靈活選用。

電源插件采用直流逆變電源插件，直流220 V或110 V電壓輸入經抗干擾濾波回路后，利用逆變原理輸出本裝置需要的3 組直流電壓，即5 V、±24 V、±12 V。3 組電壓均不共地，且采用浮地方式，不同裝置的外殼相連，防止外部電位由于雷擊等原因升高而導致裝置受干擾甚至損壞。為增強電源模件的抗干擾能力，本模塊的直流輸入裝設了濾波器以濾除高頻及干擾分量再接入本插件。

智能臺區終端采用良好的人機界面方式，人機界面插件可以運行數據的實時顯示，以及各種參數的設置，通過鍵盤、LCD 等實現人機交互。LCD 在正常情況下可以實時顯示系統狀態和測量數據，當CPU 插件異常時給出警告信號以及當電網故障時給出簡單的事故報告，方便運行人員及時了解運行狀態。

3 軟件功能

該新型智能臺區終端的主程序流程如圖2所示。

系統開機后首先進行系統初始化和人機界面初始化，初始化成功后進行中斷的發生及處理，并接收配電網眾多的智能電子設備在線實時采集線路的電流、電壓等模擬量參數和開關量參數。為了達到高效的數據響應能力，裝置每周波采樣24點，采樣周期為0.833 ms，將采集到的數據存放到相應的數組中。

正因為各種定義的出發點和視角不一，所以需要公認機構對標準和標準化的概念進行統一界定。這也是標準化的基本概念演進趨于成熟的過程。

主處理器根據接收到的報文是否為固定長度報文分別進行解包，將解包后的數據通過數據預處理以提高數據挖掘的質量，主處理器是一切測量、通信數據的來源，對內需要響應上位機人機界面處理器的請求，對外通過RS485 總線（或者載波通信），向其上傳電壓、電流、無功、有功測量參數、保護動作告警等信息，并接收來自配電主站發出的操作命令。

圖2 智能臺區終端軟件流程圖

主處理器將預處理過后的數據信息通過電力報文的形式進行組包發送、匯總傳輸，以供數據后臺分析處理。后臺可分析判斷接收到的數據信息是否存在三相不平衡度、電壓、電流、功率因素異常等情況，并作出及時處理。

此外，智能終端采集到的現場數據可能由于各種干擾，存在高次諧波，難以進行數據挖掘。因此，為抑制和防止干擾，可以使用全波傅氏算法及差分算法對采集到的數據進行濾波，濾取電流、電壓中的基波分量。

傅里葉算法通過建立傅里葉濾波系統進行濾波，假設被采樣信號是一個周期性的時間函數，則可以表示為：

式（1）～（3）中：n=0，1，···，為正整數；XRen、XImn分別為n 次諧波的正弦項（實部）和余弦項（虛部）的系數；Xn為第n 次諧波分量的幅值；ω為基波角頻率，ω=2πf0，f0=50 Hz。

則第n次諧波分量的幅值為：

此算法在實現時，需對式（2）～（3）中的XRe、XIm離散化，用離散的采樣值進行計算，以求和代替積分：

式中：n為諧波次數，如果為基波，n=1。

離散化并利用梯形積分進行邊界平滑處理，可得：

式中：N 為每周波采樣點數；n 為諧波次數；k 為第k 個采樣點。例如：N=24，即每周波采樣24個點，n=1，即對基波進行全波傅氏變換。

傅里葉算法具有很好的濾波能力，可以完全濾除整次諧波分量和純直流分量，也能較好地濾除線路分布電容引起的高頻分量。但是由于短路電流中含有按指數衰減的非周期分量，具有很寬的連續頻譜，在低頻段密度最大，傅氏算法在這種情況下計算誤差較大。為此，在實際應用中，為了消弱直流分量和非周期分量的影響，在利用傅氏算法進行計算之前，可以先對各采樣點進行一點差分計算，即：

這樣式（7）～（8）改寫為：

式中：ω=2πf=100π；Ts為兩采樣點的時間間隔，此處每個周波采樣24個點，由于經過一點差分計算后的值與原來的值在幅值上有個系數差，所以上面實部和虛部還要除上差分系數2sin7.5°。

4 結束語

智能終端作為臺區核心監控部件，能夠高效、安全地進行配變電數據的采集、預處理和傳輸，對智能臺區的建設具有重要的意義。本文基于F28335控制器，研發了一種新型的智能臺區終端，詳細介紹了該終端的模擬量/開關量輸入、通信模塊、人機界面模塊、電源模塊4個主要組成部分，并進一步詳細研究其軟件系統，利用全波傅氏算法及差分算法去除數據噪聲。通過對高性能智能終端的研究，能夠更好地實現對配電臺區的智能化管理、精益化運維以及定制化服務，提高了供電質量，改善了用戶的用電體驗，更好地滿足現代社會對于電力能源的多樣化需求。