基于嵌入式网关的微网自控系统的研究

匡　博，王　颖

(1.河北交通职业技术学院，河北石家庄050091；2.河北地质大学，河北石家庄050031)

基于嵌入式网关的微网自控系统的研究

匡博1，王颖2

(1.河北交通职业技术学院，河北石家庄050091；2.河北地质大学，河北石家庄050031)

微网的重要地位决定了对于微电网电能质量的高要求。结合微网发展的现状，提出一套基于嵌入式网关的微网自控系统。该系统可以有效地提高现场参数的采集质量，增强控制能力，具有一定的推广价值。

微网；嵌入式；智能电网

传统的发电站主要是以火电和水电为主，其中火电消耗了大量的煤炭资源并且排放大量的温室气体。随着化石资源的逐渐枯竭以及越来越高的环保意识，人们迫切要求一种新的能源方式来代替这种落后的发电模式。随着研究的深入，分布式的太阳能、风能发电方式是解决这一问题的最佳方案。但是传统的电站管理方式难以在分布式的小型配电系统上使用，微网的发展遇到了瓶颈。

近年来以物联网技术为核心的新一代科技革命催生了一系列的智能化系统，已经被我们熟知的主要有智能家居、智能交通同时还有旨在促进电力行业发展的智能电网。智能电网是电网发展的趋势，通过一系列智能化的设备实现电网的智能化运行与控制，这样可以最大程度上提高电网的运行效率。开发微网可以使得更多的分布式能源和可再生能源接入电网，较大程度地扩充电网容量，是实现主动式配电网的一种非常有效的方式，也有利于实现传统电网向智能电网的平稳过渡。

由于分布式能源的一些特点使得微网的电能质量具有稳定性较低的劣势，因此需要对微网进行必要且有效的监控设置。结合现在微网的发展以及计算机技术、控制技术的发展方向，本设计提出了基于嵌入式网关的微网自控系统。

1　系统的主体设计

微电网是由分布式的电源、大容量的储能装置、高效的能量转换装置以及一整套的监控和保护装置组成的小型发配电系统。因为分布式电源的使用使得微网成为提高绿色能源使用率的有效方式。随着大量的微网并入大电网，对微网有效的监控和微网本身的自我控制就显得尤为重要。

微网的控制系统是一个能够实现自我控制、自我保护和自我管理的自治系统[1]。近年来，美国、欧洲和日本对于微电网均展开了示范性的研究。中国微网发展比较晚，相对而言还处于发展的起步阶段。通过综合研究比较外国关于微网自控系统的研究，本设计提出一套以光伏微网为例，基于嵌入式网关的微网自控系统。整体模型设计如图1所示。

图1　微网结构图

该系统主要由产电设备、储能设备、管理系统以及负荷组成。产电设备一方面通过公共连接点(PCC)与大电网相连，另一方面通过逆变器直接与负载相连。该系统结构设计在微网与大电网的接口处全部设置了断路器，以保护电网的运行安全。除此之外还加以电压和功率的控制器，实现了对能量的有效控制管理。

2　下位机的硬件设计

该自控系统主要分为下位机和上位机两大部分。

下位机数据采集系统主要负责整个微网的电压、电流以及温度等数据信息的采集工作，这些采集到的数据通过无线传感网ZigBee传送到嵌入式网关，在嵌入式网关进行初步的分析处理后通过网关传送到远程的服务器端进行更深层次的处理。

上位机则主要是数据库和友好界面的设计。本系统使用Java语言进行服务器、PC客户端和基于Android的客户端的设计，并通过MySQL数据库进行数据的存储处理。

2.1数据采集系统

可靠、准确的数据采集是系统实现智能控制的信息来源。基于微网的实际特点，系统在底层设计了关于电压、电流以及设备温度的采集电路，下面以电流的采集电路为例进行详细说明。

稳定的电流输出是微网接入大电网之前必须检测的电能质量之一。本设计的电流信息采集原理是：通过检测电路中电阻两端的压降再结合欧姆定律来计算实时的电流值。由于电流信息的采集电路需要嵌入到主电路之中，所以为了减少对电路的影响，系统选择毫欧级别的电阻和电流放电电路进行综合检测分析。电流放大采集电路如图2所示。

图2　电流放大采集电路

该电流放大采集电路可以将采集到的放大数据进行进一步的处理，通过A/D转换之后直接反馈到控制端从而实现控制管理。MCP6002是一个1 MHz的低功率的运算放大器，该运放的工作电压为1.8 V到5.5 V，满足设计需要。经过放大的信号从VOUTB输出，从而得到准确的电流值。

2.2信息的传输

下位机通过传感器进行各种物理信息的采集之后，便需要有高效可靠的数据传输协议将采集数据传送到嵌入式网关，以进行下一步的分析。

无线传感器网络具有节点布置灵活的特点，本设计采用ZigBee协议进行数据的传输工作。ZigBee协议具有低成本、低功耗、高网络容量等特点，符合微网中数据采集的实际需求。各个运行着的传感器将采集到的数据传送到ZigBee网络的协调器节点，终端节点与协调器节点之间采用星型的网络结构。终端节点、协调器节点和路由节点均采用CC2530开发板，传感器利用I/O口与各个终端节点相连，再通过路由节点传送到协调器节点，协调器节点再将数据传送到嵌入式的网关，完成数据的采集任务。

系统的控制过程与信息采集过程正好相反，嵌入式网关接收到控制命令之后将命令传送到协调器节点，再通过广播的方式传送到各个终端节点从而实现系统的控制工作。

2.3嵌入式网关的选择

嵌入式网关是把TCP/IP协议栈固化在芯片内以实现以太网的数据传输，本系统采用的嵌入式开发平台是由三星公司ATM9系列的S3C2440A核心处理器和CS8900网卡芯片以及内存芯片组成。嵌入式网关结构图如图3所示。

图3　嵌入式网关结构图

在嵌入式网关体系结构中，嵌入式处理器是核心部件[2]。本系统采用ARM920T内核的S3C2440A处理器。该处理器为16/32位处理器，具有低功耗、高效、简单的优点。此外，该处理器实现了MMU、AMBU BUS的高速缓存体系，符合本设计的要求。在嵌入式的应用系统中，还采用了CS8900A以太网控制器芯片，SDRAM，FLASH高速缓存和串口芯片MAX232。其中CS8900A以太网控制芯片是一个高度集成的以太网控制器，不再需要其他的昂贵以太网外部器件，既简化了设计流程又降低了开发成本。

3　上位机的设计与实现

有了下位机良好的数据采集和传输，要想整个系统更加具有实用性就需要有良好的上位机的设计与实现。在系统中，上位机的主要开发可以分为两部分：基于数据库的开发和基于远程控制的开发。

3.1基于数据库的开发

下位机采集的大量数据需要一个性能良好的数据库对其进行存储处理，以便于日后出现故障之后可以更好地分析故障原因。由于该系统的主要数据包括电压、电流以及温度等信息，单位信息量不大，所以选择MySQL数据库。主要建立的表项有：voltage(用来存储电压信息)、electricity(用以存储电流信息)以及Tem(用来存储温度信息)等。

3.2基于界面的开发

将传感器采集到的数据信息上传到服务器，需要有服务器程序对其进行下一步的处理操作，并根据一定的判断标准判断微网是否在正常的工作。

在本设计中服务器程序主要使用Java语言进行编写，服务器主要实现的功能为：

(1)通过JDBC连接MySQL数据库，将采集到的数据信息存储到数据库中。

(2)设置相应的阈值，根据危险程度的不同，做出自动控制和自动控制加上报管理员的不同操作。

此外为了更加方便地对系统进行管理，还进行了移动客户端的开发工作，使得微网管理人员可以在移动设备上实时地查看系统信息和进行相应的控制管理。

4　总结

在智能电网发展的大趋势下，针对分布式电源的微网，本设计提出一套基于嵌入式网关的微网自控系统。利用ZigBee节点作为数据采集的基础节点，通过嵌入式网关实现数据的实时、高效的传输工作，并在高性能的服务器之中实现数据的综合处理以及对系统的自动控制。该系统具有反应速度快，系统控制稳定性好等优点，具有一定的推广价值。

[1]张永健.电网监控与调度自动化[M].北京：中国电力出版社,2011: 3-5.

[2]王成山,肖朝霞,王守相.微电网综合控制与分析[J].电力系统自动化,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，讲师，主要研究方向为计算机网络，数据库。