400 V农网综合自动化装置的设计与实现

400 V农网综合自动化装置的设计与实现

张福东，任素龙，李帅华

(国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄050021)

摘要：介绍400 V农网综合自动化装置的结构，从网络拓扑设计、GPRS和虚拟专用网络(VPN)技术、通信接口设计、数据库等方面分析该自动化装置的关键技术，并说明该自动化装置的应用情况及效果。

关键词：农网；综合自动化装置；ARM

收稿日期：2014-06-01

作者简介：张福东(1983-)，男，工程师，主要从事嵌入式系统开发及配网自动化研究工作。

中图分类号：TM63

文献标志码：B

文章编号：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配电网是电力系统中最后一个直接面向用户供电的环节，用户能否得到安全可靠经济优质的电能，配电网的建设水平起到极为重要的作用。在我国广大的农村地区，配电网的综合自动化水平普遍较低，电网功率因数低，电能质量较差。各个厂家也生产制造了大量的产品，提出了很多技术解决对策，但这些产品和技术往往针对农网运行的某一方面(如保护、无功补偿等)。要满足不同的需求，往往需要采用不同厂家的不同产品和技术，造成部分设备电气部件的重复投资，对不同厂家产品和技术的集成也比较困难[1]。因此，非常有必要研发制造一种综合的农网自动化装置，以满足农网运行的主要需求，并提升400 V农网的综合自动化水平。

2农网综合自动化装置的结构设计

农网综合自动化装置由以下几个部分构成，分别是电力计量模块、无功补偿模块、继电保护模块、防窃电模块等，农网综合自动化装置结构见图1。

图1　农网综合自动化装置结构

2.1　硬件结构

控制核心采用ARM926EJ-STM ARM处理器，该处理器接口丰富，处理器性能优越，可以流畅运行linux嵌入式操作系统；实现控制中心与各功能子模块的信息交互和控制指令收发。嵌入式控制中心硬件结构见图2。

图2　嵌入式控制中心硬件结构

自动化柜采用模块化结构，内部按功能不同分割为：继电保护及配电室、无功补偿室、电量计量室、中心控制室。每个室内布置相应的模块组件，在中心控制室内布置ARM板控制中心和通信模块，ARM板控制中心与各功能模块通信，获取电量及报警信息；在柜门处的防窃电行程开关串接在一起连接到ARM板控制中心的口线上，监测防窃电行为；控制中心通过GPRS通信模块与调度中心服务器通信，上传数据或接受远程命令。就地与显示屏采用串口连接，应用MODBUS通信协议传输相应数据[4]。

2.2　软件结构

该装置应用到实际现场需要3个主要软件支持，分别是远程调度中心的客户端和服务器端软件以及就地装置中arm嵌入式软件。

电力调度中心服务器端软件在本地调度中心运行，采用WINDOWS2003SERVER 作为数据中心服务器。 应用程序采用3层结构： 通信层(底层)、数据库层(中间层)、用户界面层(顶层)。自智能配电柜由通信网络传入的配电网数据从底层流向顶层；用户命令自顶层流向底层然后通过载波通信或光纤通信传往智能配电柜。服务器端软件结构见图3。底层程序以透明的方式管理来自智能配电柜的通信连接。中间数据库层作为顶层和底层之间的桥梁，实时及历史数据存放在这里。顶层基于.NET网站，提供配电管理的用户界面，实现实时数据监控、历史数据查询、远控、远程抄表等功能。所有管理工作可通过浏览器进行，客户端无需设置。

综合自动化装置就地端的arm嵌入式软件是在linux系统下应用基于Eclipse平台进行的C语言开发。由于该装置采用的是模块化设计，故需要编写的进程较多，基于对数据交互的需要，程序中涉及较多的是进程间通信。 arm嵌入式软件主程序简化流程见图4。

图3　服务器端软件结构

图4　arm嵌入式软件主程序简化流程

系统上电初始化工作中，数据初始化部分的主要工作是生成正弦和余弦函数数值表，SV6PWM扇区分布表，内存分配等。在后期计算过程中可以使用查表的方法近似求得相应的函数值，这样可以大大的减少直接计算使用的机器周期，提高系统的实时性。

关键监视点中断上报主要监视点包括柜门打开、漏电保护器合闸、漏电保护器跳闸、无功补偿自动投入和切除等。GPRS模块采用中断方式与控制器进行通信，功能子模块中人机界面作为人机接口与 arm核心应用MODBUS协议实现主从站之间通信。

3关键技术的实现

3.1　网络拓扑设计

基于arm的嵌入式控制中心对下与各模块通过RS-485通信[2-3]，获取各种电量、报警信息，对上与电力调度中心通过GPRS通信，将数据上传至数据中心服务器，并接受来自调度中心的远程命令，综合自动化装置系统网络拓扑结构见图5。

图5　农网综合自动化装置管理系统网络拓扑结构

3.2　GPRS和虚拟专用网络(VPN)技术

虚拟专用网络技术采用隧道技术以及加密、身份认证等方法，利用公共网络设施在远端用户之间提供类似专网的连接技术。该装置及其系统应用时向中国移动通信公司申请 VPN业务，从而可以把所有的自动化数据采集终端和调度中心集中监控主站连接成VPN。这样集中监控主站与自动化装置之间可以进行通信。

GPRS 无线终端与集中监控主站系统之间数据是在加密后"虚拟专用网络"中传输的，数据传输的安全性强，而且终端设备之间也可以进行通信。

3.3　通信接口设计

装置内继电保护控制板、无功补偿控制板、电能表、GPR通信板、核心控制板5块主要电路板之间的通信统一采用两线制RS-485接口通信，配电柜内电磁环境复杂，采用阻抗匹配(120 Ω)的RS-485铠装型双绞屏蔽电缆。由于RS-485采用差分信号负逻辑，是一种单工通信方式，故在处理问询机制和主动上报机制时对时间进行严格划分，在软件逻辑中牺牲一部分实时性，确保各模块通信不发生冲突。

3.4　数据库

装置规模较小，正处于研发和试运阶段，采用了MySQL数据库软件，该软件开放源码，可搭配PHP和Apache组成良好的开发环境，体积小、速度快、基本免费。为保证数据库运行良好，进程间

通信顺畅，采用共享内存技术，当成功导入一块共享内存后，它只是相当于一个字符串指针来指向一块内存，在当前进程下用户可以随意的访问。这样多个农网自动化终端可以同时访问MySQL数据库。

3.5　其他技术措施

柜体采用加强绝缘型，开关柜内相间完全靠空气绝缘，不使用绝缘隔板，消除了绝缘老化给电网带来的安全隐患；强电和弱电走线的合理布置，使系统的可靠性大大提高；通过软件看门狗，指令冗余，软件陷阱，循环重定位等软件措施解决了装置内复杂的电磁环境下的电磁干扰问题。

4应用情况及效果

2011年8月底，该型智能配电柜开始在永年供电公司西苏供电所挂网试运，到目前为止系统运行稳定，未出现死机、通信不畅等异常情况，服务器端成功积累了电压、电流、有功功率、无功功率、有功电量、无功电量、有无异常等数据，管理网站运行正常，客户端各种查询、设置操作功能正常。

5结束语

以上提出的400 V农网综合自动化装置具备“智能电网”信息化、数字化、自动化、互动化的'智能'技术特征[5-6]，能够满足并提升农网400 V的综合自动化水平。但出于对该装置各功能模块的稳定性与安全性考虑，采用一个主控加四个分控的模式，后期考虑采用一个主控制器实现全部功能以节省投资成本。

参考文献：

[1]李乃湖,倪以信,孙舒捷,等.智能电网及其关键技术综述[J].南方电网技术2010,4(3):1-7.

[2]DL/T 645-2007,多功能电表通信规约[S].

[3]DL/T 5136-2001,火力发电厂、变电所二次接线设计技术规程[S]．

[4]文小玲,余飞,卢圣文,等.基于MODBUS 协议的串口通信软件设计[J].湖南工业大学学报,2008, 22(6):100-102.

[5]申忠如,郭福田,丁晖.现代测控技术与系统设计[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2006.

[6]John Catsoulis.嵌入式硬件设计[M].徐君明,许铁军,译．北京：中国电力出版社，2004.

本文责任编辑：杨秀敏