一种新型智能台区终端的研发

符国勇

（海南电网有限责任公司万宁供电局，海南万宁 571500）

0 引言

低压农村电网配电台区普遍存在电力设备种类繁多[1]、智能化水平低[2]、供给侧和需求侧之间双向互动性不足、电压在线监测实时性差[3]以及能效管理环节薄弱等问题，使得供电侧对用户信息、电气量和开关量的获取能力不足，给电力系统的正常运行、调度管理、安全监控、故障情况的紧急处理带来了困难。

随着国内配电网的自动化发展[4]，灵活构建配电网智能台区综合控制系统，对于实现低压配电台区的运行状态在线监测与控制、系统运行数据的综合分析、台区智能化水平提升具有重要意义[5-6]。

电力学术界和工业界也逐步开展了低压配电智能台区的研究，目前对智能台区的研究主要集中在台区三相不平衡治理[7]、台区低压线损降损[8]、智能台区风光储能量管理[9]、智能配电台区协议[10]以及智能台区经济运行[11]的研究，而对智能台区终端的研究相对较少。

本文将重点进行新型智能台区终端的研究。首先分析电网智能台区系统现状和智能台区终端需求，接着研发一种基于F28335控制器的新型终端，详细介绍该新型终端的硬件结构，包括模拟量/开关量输入、通信模块、人机交界面模块、电源模块4个部分，最后分析其软件系统所涉及的功能。

该新型智能台区终端通过对原有低压配电台区的升级改造，实现对低压配电台区的基本监测和分析功能。该系统负责配电网智能台区的数据采集、预处理和数据传输分析，对台区发生的故障具有高效的响应能力，从而实现对配电台区的智能化和精细化管理。

1 终端需求分析

智能台区终端负责配电网智能台区的数据采集、预处理和数据传输，是实现智能配电网的重要环节。通过广泛采集配电侧用户信息，并经过数据预处理和数据挖掘提取有用信息，对提高配电网可靠性、提高供电质量、改进用户的用电体验具有重要意义。

1.1 智能台区数据量采集

用于负荷监测的电力设备以及用户侧的智能电子设备可以采用无线通信技术对采集到的数据进行实时传输。具体实施时，可在负责采集信息的智能电子设备之间设置基于认知无线电技术的无线数据采集发送模块的采集点，每个采集点负责采集汇总附近的智能电子设备所采集的信息。由于实际环境的不同，无线传输距离受建筑物的屏蔽和遮挡较为严重，所以每个采集点采集数量的多少可根据实际情况决定。在变电站安装中心收发模块组，与采集点相对，共同组建变电站的无线通信骨干网。

1.2 智能台区数据预处理

数据预处理（data preprocessing）是指在主要的处理以前对数据进行的一些处理。由于智能电子设备采集到的电力原始数据中往往存在不一致、不正确、不准确、不完整、含噪声、高维度、违反业务规则或出现重复数据等诸多问题，无法直接进行数据挖掘，或直接挖掘将使得挖掘结果不准确、无价值，故为了提高数据挖掘的质量产生了数据预处理技术[12]。

数据预处理首先是理解数据本身，可以先从单变量统计分布的假设开始，假如效果不佳，再逐渐增加分析的复杂度。例如可以用中位数和箱线图这样的重要统计方法得到关于这些数据的一个总体分布，据此理解真正分析前数据存在的潜在问题，合理选择数据预处理的方法。数据预处理的方法主要有下列几种。

（1）缺失值处理。使用最可能的值代替缺失值，使缺失值与其他数值之间的关系保持最大。例如可以使用人工填充、用最可能的值填充。

（2）异常值处理。异常值是指某一数据集中偏离大部分数据。从数据值上表现为数据集中与平均值的偏差超过2倍标准差的数据，其中与平均值的偏差超过3倍标准差的数据，称为高度异常的异常值。由于电力系统数据的特殊性，考虑到电力设备的安全性问题，对于异常的数据要引起足够重视，需要结合整体模型作具体分析。

（3）数据集成。将来自多个不同数据源的数据合并在一起，形成相一致的数据存储，从而将不同数据库中的数据集成到一个数据仓库中存储。主要涉及冗余处理和冲突数据检测和处理两方面。

（4）数据标准化。将数据按比例缩放，使之落入一个小的特定区间，而不改变原始数据的分布。可以通过z-score方法对原始数据的均值和标准差进行数据的标准化。

（5）数据离散化。也称作分箱，是将数值属性的原始值用区间标签或概念标签进行替换。

1.3 智能台区数据传输

配电网广泛具有地域分布广、设备数量和种类繁多、电压等级多、现场情况复杂多变等特点，所以智能台区的数据传输方式并不是一成不变的，可以因地制宜采用多种传输方式相结合的方法。可以灵活选择无线传输的方式对底层设备的数据信息进行汇总，再通过骨干网将数据传输到数据中心。为保护数据在传输过程中不被截获和篡改，数据传输过程中可以采用散列算法、对称加密和非对称加密对数据进行加密，以保证即使信息被劫持，仍不能获取有用的信息。

2 硬件终端

2.1 基于F28335的硬件结构

新型的智能台区涉及到数据采集、逻辑判断和通信等诸多功能，对控制器要求较高。因此，选择具有浮点功能的F28335作为主控制器。

F28335 采用哈佛结构，2812DSP 采用哈佛总线结构，程序总线和数据总线分开，取指令和取数据并行操作，使得数据吞吐量提高1 倍。2812DSP 内嵌32 位的高性能CPU，具有高速的运算能力，极大地满足了傅式算法等各种算法的要求，保证了信号处理的实时性。2812DSP 外围接口丰富，具有片内定时/计数器、同步串行口、DMA接口、中断控制器等硬件资源，较好满足了扩展功能。

智能终端基于F28335，采用插件式结构进行主要模块设计，主要包括模拟量/开关量输入、通信模块、人机界面模块、电源模块4个插件，如图1所示。

图1 F28335硬件结构

2.2 基于F28335的硬件模块

监控功能和录波功能能否有效地实现，很大程度上依赖于数据采集的实时性和准确性。本新型智能台区终端模拟量输入采集采用高精度的AD芯片，通过采集配电变压器低压侧或者分支线的电流和电压信息，并通过滤波和AD转换将得到的数据传输到F28335进行分析处理。

智能台区终端采集的模拟信号主要有以下2类。

（1）来自电压互感器（或电流互感器）的交流电压（或电流）信号。这些信号首先被转换到与终端相匹配的电平，通过有源模拟滤波器滤去其中的高频成分，并隔离和抑制随有用信号进入的干扰，然后由采样保持环节将连续信号离散化。

开关量输入模块采用高速光耦隔离芯片，将开关等信息实时采集到F28335主控制器中，采用光耦隔离芯片避免电磁环境的干扰。

随着配电网朝着数字配电网的方向发展，对智能台区终端的通信性能要求也越来越高，尤其对数据传送的实时性和可靠性要求更高。

若采用传统的总线和串口，很容易造成数据传送瓶颈问题，实时性和可靠性得不到保证。嵌入式以太网技术不断发展和完善，其有着其他网络所不可比拟的高速性、实时性、安全性、可靠性和灵活性；而CAN控制器局域网具有简单易用、组网方便、抗干扰性强等优点。因此，本设计在保留传统RS485通信方式基础上，将嵌入式以太网和CAN现场总线相互结合，同时提供以太网、CAN和RS485三种通信方式供现场灵活选用。

电源插件采用直流逆变电源插件，直流220 V或110 V电压输入经抗干扰滤波回路后，利用逆变原理输出本装置需要的3 组直流电压，即5 V、±24 V、±12 V。3 组电压均不共地，且采用浮地方式，不同装置的外壳相连，防止外部电位由于雷击等原因升高而导致装置受干扰甚至损坏。为增强电源模件的抗干扰能力，本模块的直流输入装设了滤波器以滤除高频及干扰分量再接入本插件。

智能台区终端采用良好的人机界面方式，人机界面插件可以运行数据的实时显示，以及各种参数的设置，通过键盘、LCD 等实现人机交互。LCD 在正常情况下可以实时显示系统状态和测量数据，当CPU 插件异常时给出警告信号以及当电网故障时给出简单的事故报告，方便运行人员及时了解运行状态。

3 软件功能

该新型智能台区终端的主程序流程如图2所示。

系统开机后首先进行系统初始化和人机界面初始化，初始化成功后进行中断的发生及处理，并接收配电网众多的智能电子设备在线实时采集线路的电流、电压等模拟量参数和开关量参数。为了达到高效的数据响应能力，装置每周波采样24点，采样周期为0.833 ms，将采集到的数据存放到相应的数组中。

正因为各种定义的出发点和视角不一，所以需要公认机构对标准和标准化的概念进行统一界定。这也是标准化的基本概念演进趋于成熟的过程。

主处理器根据接收到的报文是否为固定长度报文分别进行解包，将解包后的数据通过数据预处理以提高数据挖掘的质量，主处理器是一切测量、通信数据的来源，对内需要响应上位机人机界面处理器的请求，对外通过RS485 总线（或者载波通信），向其上传电压、电流、无功、有功测量参数、保护动作告警等信息，并接收来自配电主站发出的操作命令。

图2 智能台区终端软件流程图

主处理器将预处理过后的数据信息通过电力报文的形式进行组包发送、汇总传输，以供数据后台分析处理。后台可分析判断接收到的数据信息是否存在三相不平衡度、电压、电流、功率因素异常等情况，并作出及时处理。

此外，智能终端采集到的现场数据可能由于各种干扰，存在高次谐波，难以进行数据挖掘。因此，为抑制和防止干扰，可以使用全波傅氏算法及差分算法对采集到的数据进行滤波，滤取电流、电压中的基波分量。

傅里叶算法通过建立傅里叶滤波系统进行滤波，假设被采样信号是一个周期性的时间函数，则可以表示为：

式（1）～（3）中：n=0，1，···，为正整数；XRen、XImn分别为n 次谐波的正弦项（实部）和余弦项（虚部）的系数；Xn为第n 次谐波分量的幅值；ω为基波角频率，ω=2πf0，f0=50 Hz。

则第n次谐波分量的幅值为：

此算法在实现时，需对式（2）～（3）中的XRe、XIm离散化，用离散的采样值进行计算，以求和代替积分：

式中：n为谐波次数，如果为基波，n=1。

离散化并利用梯形积分进行边界平滑处理，可得：

式中：N 为每周波采样点数；n 为谐波次数；k 为第k 个采样点。例如：N=24，即每周波采样24个点，n=1，即对基波进行全波傅氏变换。

傅里叶算法具有很好的滤波能力，可以完全滤除整次谐波分量和纯直流分量，也能较好地滤除线路分布电容引起的高频分量。但是由于短路电流中含有按指数衰减的非周期分量，具有很宽的连续频谱，在低频段密度最大，傅氏算法在这种情况下计算误差较大。为此，在实际应用中，为了消弱直流分量和非周期分量的影响，在利用傅氏算法进行计算之前，可以先对各采样点进行一点差分计算，即：

这样式（7）～（8）改写为：

式中：ω=2πf=100π；Ts为两采样点的时间间隔，此处每个周波采样24个点，由于经过一点差分计算后的值与原来的值在幅值上有个系数差，所以上面实部和虚部还要除上差分系数2sin7.5°。

4 结束语

智能终端作为台区核心监控部件，能够高效、安全地进行配变电数据的采集、预处理和传输，对智能台区的建设具有重要的意义。本文基于F28335控制器，研发了一种新型的智能台区终端，详细介绍了该终端的模拟量/开关量输入、通信模块、人机界面模块、电源模块4个主要组成部分，并进一步详细研究其软件系统，利用全波傅氏算法及差分算法去除数据噪声。通过对高性能智能终端的研究，能够更好地实现对配电台区的智能化管理、精益化运维以及定制化服务，提高了供电质量，改善了用户的用电体验，更好地满足现代社会对于电力能源的多样化需求。