配电台区中智能配变终端的软硬件构架设计

许昆 董丹丹 张乔悦 赵张磊

【摘要】介绍了智能配电台区中的控制中枢——智能配变终端的功能、以及其软硬件设计，综合了先进的嵌入式操作系统、交流采样、多种通信接口、TCP/IP网络等技术，硬件功能模块化设计保证了终端的可靠性和稳定性，实时嵌入式Vxworks操作系统提供了很好的可靠性和卓越的实时性。通过实际应用证明，该设备具有推广应用的价值。

【关键词】配变监测;ARM9;Vxworks操作系统

引言

近年来，随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，社会对电力的需求越来越大，各企业、高校对电力用户日益关心的供电可靠性和电能质量要求进行了不断深入的研究，从而加强对电能质量的监视以及治理。其中，应用于低压配电系统中的以智能配变终端为核心，同时配合进出线单元、无功补偿单元、谐波治理单元、计量/表计单元以及智能综合控制单元而共同组成的配电台区在实际应用中得以凸显出来。智能配变终端利用自动化技术、数字处理技术、无功补偿技术、三相不平衡技术等先进技术，将用电信息采集、线路电能计量、配变监测、电能质量监视、电能质量调节/谐波治理、无功优化控制补偿、漏电保护等功能有机地融合在一起，有效地治理各相电压不对称和消除电压波动和闪变、动态补偿无功功率、消除谐波畸变，从而提高供电可靠性和电能质量[1]。

1.智能配变终端在配电台区中的功能

作为智能配电台区的控制中枢——智能配变终端是根据国家有关标准、规程及广大电力用户的实际需求，综合了先进的嵌入式操作系统技术、交流采样、多种通信方式、TCP/IP网络等技术研制而成的新一代终端。其主要应用于10KV变压器的低压侧380V供电系统，负责对配电变压器各参量进行全面监测、监视剩余电流动作保护器中剩余电流值以及运行状态、监测配电台区进出线开关状态、无功补偿电容器以及滤波器的投切状态、实现配电台区的电能信息采集以及电能质量管理等[2]。它既能实时监测电能表的数据，又能实时与主站通信，将配电台区监测采集到的数据以及监测电能表的数据上送主站，同时主站可向终端用户提供数据查看和设备远程操作功能。

图1 智能配电台区总体结构图[3]

2.硬件实现

智能配电配变终端硬件功能采用模块化设计，使得各个功能模块具有很好的独立性、可靠性和稳定性。针对各个不同的功能模块设计了对应的自诊断技术。

图2 智能配变终端硬件结构图

2.1 CPU核心模块

CPU选用主流工业级32位ARM9处理内核微处理器，与外设的NAND Flash、Nor Flash、SDRAM、FPGA、RTC、WATCHDOG等构建统一的核心硬件平台。

作为核心模块的CPU——ARM9能够同时对采集到的三遥（遥测、遥信、遥控）数据进行处理、存储、传输等处理，最高频率可达200MHz，拥有16KB指令高速缓存以及8KB数据高速缓存。SDRAM选用大容量8Mbytes作为内存，能达到与系统总线速度同步，也就是与系统时钟同步，这样就避免了不必要的等待周期，大大减少了数据存储时间，使得ARM9能够高效地处理大量数据。Nor Flash用于存储底层驱动相关程序。NAND Flash用于存储CPU所采集到的所有数据，容量高达128Mbytes。FPGA作为协处理器，主要负责对采集到的遥测数据进行预处理，并将处理后的数据存入SDRAM同时通知ARM9对这些数据完成再处理。RTC为CPU提供精准时钟，WATCHDOG保证程序运行的稳定性。

2.2 三遥模块

三遥是指遥测、遥信、遥控功能。遥测模块即图2中“交流采样”部分，能够采集包括母线以及三条馈线共4条线路，每条线路包含三相电压、三相电流，电压、电流等采集精度能够达到0.2%以上，足以满足国网要求，另外电流采集能够对二次侧CT额定电流量程1A、5A自适应。遥信板能够同时采集32路硬遥信，以及64路虚遥信;硬遥信输入电压等级分为24V、48V、110V、220V四种，可通过后台软件进行配置，无需手动修改，分辨率≤1ms，采取防误措施，过滤误遥信，软件防抖动时间1～60000毫秒可设。遥控电路具有16路独立输出，具备软硬件防误动措施，保证控制操作的可靠性;继电器触点断开容量为交流250V/5A、直流80V/2A或直流110V/0.5A的纯电阻负载;触点电气寿命大于10万次。

2.3 通信模块

通信模块包含2路RS485、2路RS232、4路以太网，内部使用串口与蓝牙模块、GPRS模块、以及液晶模块通信，各路通信相互独立，并且可选配多种规约，以太网通信的波特率为10Mbit/s或100Mbit/s自适应。通信规约有IEC60870-5-104规约、IEC60870-5-101规约、DL/T 645-1997规约、DL/T 645-2007规约、IEC61850规约、以及其他自定义规约，能够满足各种现场通信需求。

2.4 其他功能模块

终端通过温、湿度传感器对配电箱的温度、湿度信息进行实时监测。此外，装置还可采集4～20mA的两路直流模拟量，可用于变压器油温、瓦斯浓度等直流量的监测。为方便工程人员于现场调试台区各项功能、配置相关参数以及查看设备运行情况，终端还设计了包括液晶、蓝牙、LED、故障报警蜂鸣器等人机接口，大大提高了运维效率。

3.智能配变终端的软件架构

终端的软件设计采用实时嵌入式Vxworks操作系统构建统一的系统平台，具有很好的可靠性和卓越的实时性，从而能够满足工业的各种苛刻需求。采用嵌入式SQLite数据库技术，实现数据的统一管理和存储功能。

图3 软件架构框图

3.1 终端软件总体设计

软件系统采用三层结构：

操作系统层：采用Vxworks做为上层应用程序运行的软件平台，实现应用软件的多任务多进程调度（采用基于优先级抢占方式，同时支持同优先级任务间的分时间片调度），此外，还可以有效地优化系统硬件资源的管理。

业务支撑层：提供应用软件实时数据支撑，以及任务调度、通信管理、存储管理等，并且与数据库实时同步。

应用功能层：实现应用软件数据分析、通信规约解析、事件处理、载波（小无线）抄表算法、人机接口等功能。

终端的软件架构框图如图3所示。

3.2 规约转换设计

配变终端与系统主站的通信规约为IEC60870-5-104规约，而与电能表的通信规约为DL/T 645规约，为实现主站对台区内部电能表的电能质量信息的实时监控，必须在配变终端内实现这两类规约之间的相互转换。

规约转换的模型如图4所示，IEC60870-5-104规约与DL/T 645规约的相互转换主要集中于报文的解析、命令码解析、数据格式转换、以及报文的重新组装。通常情况下，主站一次召唤的数据类型较多，配变终端就需要向电能表多次下发645规约数据帧，每次在电能表返回数据后，配变终端须首先将数据解析出来并存入数据库中，如此反复，待主站所召数据全部齐备后再组装104规约报文上送给主站。

图4 104规约与645规约相互转换的模型

图5 主站读取电能表数据软件实现流程图

图6 智能配电台区现场实物图

规约转换软件实现流程图如图5所示，当主站定时读取其下挂电能表时，配变终端首先从数据库中查找所需数据，若数据库中的数据不符合主站要求则须临时启动读取电能表进程，然后将读出的BCD码数据转换成16进制格式，最后将所需数据打包成104规约回应报文回传给主站，同时将数据更新到数据库中。

4.智能配变终端的实际运行

该智能配电台区已成功应用于南京溧水、常州溧阳低压配电网中，经过近1年的投运，取得了良好的效果。现场实物图如图6所示。

智能配电台区的成功应用，解决了农村低电压现象，电压合格率提升了0.02个百分点;提高了供电质量，极大的降低了台区线损，常州溧阳供电公司已经建成的22个智能配电台区每年可减少损失25万元左右。示范型台区用户信息采集全覆盖后，每年可有效减少人员和交通成本0.96万元左右。台区实施后主要技术指标如表1所示。

表1 台区实施后主要技术指标对比

技术指标 建设前 建设后

线损 8.5% 3.5%

故障平均处理时间 3小时 1小时

电压合格率 99.96% 99.98%

供电可靠性 99.82% 99.96%

三相不平衡度 30% 20%

5.结论

本文所采用的智能配变终端的软硬件设计方案，有效的保证了整个台区系统运行的可靠性和稳定性，从而使得智能配电台区既节约了成本，又能够及时准确的为供电企业提供各个供电区域的负荷情况、以及各种电力用户的实际用电情况、电能质量、电量以及无功功率等信息，很好的实现了配电线路的谐波治理、节能降损、无功补偿，提高了供电企业工作效率，具有推广应用的价值。

参考文献

[1]曹建平，倪瑛.配电变压器监测终端现状及发展[J].电气应用，2005，01：18-21.

[2]楚成彪，郝思鹏，何小栋，等.基于STM32的农村智能配电网监控终端设计[J].电子设计工程，22（14）：59-62.

[3]岳仁超，尤文锋，孙建东.智能配电台区在低压配电系统中的应用[J].低压电器，2013（13）：47-49.