本文摘要：摘要：配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)為配網(wǎng)帶來了可靠性、供電質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益和服務(wù)水平等的提升，同時(shí)也對自動(dòng)化系統(tǒng)的日常維護(hù)和巡檢提出了更高要求。利用信息化手段采集并獲取變配電站的UPS不間斷電源設(shè)備、DTU設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息，感知配網(wǎng)自動(dòng)化運(yùn)行狀態(tài)。并在
摘要：配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)為配網(wǎng)帶來了可靠性、供電質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益和服務(wù)水平等的提升，同時(shí)也對自動(dòng)化系統(tǒng)的日常維護(hù)和巡檢提出了更高要求。利用信息化手段采集并獲取變配電站的UPS不間斷電源設(shè)備、DTU設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息，感知配網(wǎng)自動(dòng)化運(yùn)行狀態(tài)。并在此基礎(chǔ)上，利用移動(dòng)終端與互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為配網(wǎng)設(shè)備檢修單位提供快速高效的故障檢索服務(wù)。該裝置的應(yīng)用和推廣能提高配網(wǎng)自動(dòng)化的智能化水平，大幅度減輕設(shè)備運(yùn)維人員的工作量。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng),故障監(jiān)控,規(guī)約解析,數(shù)據(jù)平臺
配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)為配網(wǎng)帶來了可靠性、供電質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益和服務(wù)水平等的提升，同時(shí)也對自動(dòng)化系統(tǒng)的日常維護(hù)和巡檢提出了更高要求。與輸電網(wǎng)絡(luò)不同，配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量巨大，位置分散，運(yùn)行環(huán)境問題對設(shè)備正常運(yùn)行的影響也更加突出。在供電公司的部門安排中，配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)和使用部門是調(diào)度部門。
對于傳統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中故障的處理，通常需要通過配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)主站發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障信息(如通信中斷)，然后通過傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場定位并處理的管理維護(hù)方法。由于配電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量巨大，雖然在理想狀況下，可以通過配置站端設(shè)備將故障以遙測、遙信點(diǎn)的方式，采集站內(nèi)具體故障點(diǎn)，并納入主站管理。但是由于部門管理范圍、實(shí)際執(zhí)行效率等多方面原因，對于配網(wǎng)系統(tǒng)中的自動(dòng)化設(shè)備故障，調(diào)度部門(人員較少，主要重點(diǎn)是變電業(yè)務(wù))或運(yùn)檢部門(配網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)維部門)都未將相關(guān)配網(wǎng)故障信息納入實(shí)際運(yùn)行管理過程當(dāng)中。
這造成了當(dāng)配電網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，調(diào)度部門的少量人員面對于海量的配網(wǎng)故障提示信息，無法實(shí)現(xiàn)具體甄別處理，同時(shí)也不能及時(shí)通知運(yùn)檢部門。而缺少數(shù)據(jù)和系統(tǒng)支持的運(yùn)檢部門也由于無法獲取具體故障原因，只能通過現(xiàn)場檢修方法對故障進(jìn)行排查。考慮到配電網(wǎng)的巨大體量，通常采用定期巡檢的方式進(jìn)行運(yùn)維。
這種方式難以及時(shí)準(zhǔn)確定位和排查故障設(shè)備，造成配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)存在的大量故障無法及時(shí)得到解決，從而無法對配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行有效維護(hù)。本項(xiàng)目針對上述需求，試圖通過信息化手段，利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及無聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，采集并獲取配電網(wǎng)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息，為電網(wǎng)運(yùn)行及檢修單位，提供快速、便捷、高效的故障檢索及故障提示服務(wù)。
1系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用Web網(wǎng)頁及移動(dòng)頁面技術(shù)為管理人員、運(yùn)檢提供系統(tǒng)訪問�？紤]到配網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量規(guī)模，按照功能及運(yùn)行條件，系統(tǒng)分為現(xiàn)場采集層、物聯(lián)服務(wù)層。
1.2現(xiàn)場采集層
包含采集節(jié)點(diǎn)和各類被監(jiān)測設(shè)備：安裝在站點(diǎn)內(nèi)，通過干接點(diǎn)、RS232/485方式采集被測設(shè)備(配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備以及UPS)的故障狀體信息，并通過(專用)3G/4G網(wǎng)絡(luò)與交換服務(wù)節(jié)點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)配置和數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)。按照站點(diǎn)規(guī)模，分為K站裝置、P/W站裝置等型號。
K型站裝置：采用x86架構(gòu)的一體式工控機(jī)設(shè)備，安裝在K型站配網(wǎng)自動(dòng)化屏柜內(nèi)，具有一定的數(shù)據(jù)計(jì)算、通信及存儲(chǔ)能力，在滿足基礎(chǔ)任務(wù)的情況下，為今后其他巡檢系統(tǒng)或設(shè)備的接入提供基礎(chǔ)平臺。P/W型站裝置：采用Arm架構(gòu)的樹莓派單板機(jī)，直接安裝在P/W型站內(nèi)，用于收集站內(nèi)(箱內(nèi))設(shè)備數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的緩存及上傳。裝置能夠通過接收遠(yuǎn)端發(fā)來的管理及配置命令，滿足實(shí)施配置需求。
1.3物聯(lián)服務(wù)層
由于采用移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，采集裝置不具有固定的通信地址，同時(shí)在某些環(huán)境，裝置之間不能直接進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。物聯(lián)服務(wù)層為現(xiàn)場采集提供數(shù)據(jù)交換、信息加工和展示服務(wù)，包含交換服務(wù)節(jié)點(diǎn)和信息服務(wù)節(jié)點(diǎn)。交換服務(wù)節(jié)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)交換機(jī)制，為采集節(jié)點(diǎn)的接入提供服務(wù)。
服務(wù)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行于專用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，采用固定IP地址，實(shí)現(xiàn)采集裝置的注冊及查詢，并提供數(shù)據(jù)交換服務(wù)能力。信息服務(wù)節(jié)點(diǎn)：作為信息服務(wù)網(wǎng)關(guān)，為使用工作站、移動(dòng)終端的用戶提供Web網(wǎng)頁以及移動(dòng)頁面服務(wù)，實(shí)現(xiàn)故障管理業(yè)務(wù)。服務(wù)節(jié)點(diǎn)采用多臺通用x86服務(wù)器組成服務(wù)器組，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、處理、存儲(chǔ)，故障業(yè)務(wù)處理，用戶消息通知及展示(網(wǎng)頁服務(wù)、移動(dòng)信息服務(wù))業(yè)務(wù)。
2硬件設(shè)計(jì)方案
2.1嵌入式操作系統(tǒng)
嵌入式操作系統(tǒng)即為了方便嵌入式開發(fā)人員工作而開發(fā)的一種穩(wěn)定、安全的軟件模塊集合，用來實(shí)現(xiàn)對存儲(chǔ)器分配進(jìn)行管理，中斷處理，任務(wù)之間互相通信和完成定時(shí)器任務(wù)，以及實(shí)現(xiàn)多線程多任務(wù)處理等。嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)很大程度上推進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式操作系統(tǒng)具有強(qiáng)大的API支持，提高軟件設(shè)計(jì)效率，它在任務(wù)間互相切換，調(diào)度、通信、數(shù)據(jù)同步、時(shí)鐘管理和任務(wù)中斷管理為軟件設(shè)計(jì)人員提供極大便利。與一般操作系統(tǒng)相比，它的設(shè)計(jì)更具備專業(yè)性，其效率由和核心程序決定。
嵌入式操作系統(tǒng)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1)系統(tǒng)內(nèi)核小，開銷小，效率高，并可用于各種非計(jì)算機(jī)設(shè)備;2)開放性源代碼、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué);3)具備較強(qiáng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可用于各種設(shè)備控制當(dāng)中;3)適合進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和開發(fā);5)操作簡單方便;6)支持各種流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
2.2ARM9核心板功能分析
ARM9具有豐富的外設(shè)集和工業(yè)應(yīng)用需要的高速通信接口，該系列處理器能夠滿足數(shù)據(jù)的高速采集和快速處理，該系列處理器能夠運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，利用Linux操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)特殊功能的開發(fā)和使用。該核心板可滿足集中器對數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的要求，主要包含外圍I/O電路，DI、DO、RS232、RS485等接口。串行通信接口電路，包括RS232、RS485等，所有接口電路均為隔離接口，并具有抗瞬變干擾設(shè)計(jì)。
提供2個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信接口電路，接口電路為隔離接口，并有抗瞬變干擾設(shè)計(jì)。SD卡接口用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：提供8路數(shù)字量輸入(DI)接口，DI信號經(jīng)入口電路后，再經(jīng)隔離到中控芯片。DI入口電路具有抗干擾設(shè)計(jì)，如瞬變管、壓敏電阻保護(hù)等。
2.3系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)
為了保證采集器時(shí)間精度，保證采集器與系統(tǒng)主站的時(shí)間一致性。配置ARM核心的獨(dú)立的時(shí)鐘電路。時(shí)鐘電路包括CPU時(shí)鐘和RTC時(shí)鐘。CPU時(shí)鐘電路采用外部有源晶振Y3產(chǎn)生12MHz的時(shí)鐘頻率，經(jīng)過內(nèi)核芯片內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻電路，將外部輸入的時(shí)鐘倍頻到系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備所需要的時(shí)鐘。
2.4串口通信電路設(shè)計(jì)
RS232是全雙工通信模式的異步串行傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)接口。其特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間較早，因?yàn)檫@個(gè)原因也就難免有不足之處，其邏輯電平為負(fù)邏輯關(guān)系，傳輸距離有限等。RS485是半雙工通信模式的異步串行傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)接口。
與RS232相比，解決了傳輸距離和點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方式，更易于組網(wǎng)。其特點(diǎn)是采用了查分信號邏輯電平，接口電平比RS232有明顯的降低，這樣損壞入口芯片的概率就降低了，且該邏輯電平與TTL電平兼容，可方便地與TTL電路連接。串行通信接口采用MAX232和MAX485芯片，將ARM輸出TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平或RS485電平。系統(tǒng)配置4路RS232/485通信接口，每個(gè)通信回路設(shè)置獨(dú)立的電磁兼容保護(hù)電路，并可通過跳線選擇工作模式。
2.5I/O端口電路設(shè)計(jì)
2.5.1I/O端口概述
數(shù)字量信號指自變量是離散的、因變量也是離散的信號，這種信號的自變量用整數(shù)表示，因變量用有限數(shù)字中的一個(gè)數(shù)字來表示。由于數(shù)字信號是用兩種物聯(lián)狀態(tài)來表示0和1的，故其抵抗本身干擾和環(huán)境干擾的能力都比模擬信號強(qiáng)很多。在現(xiàn)代技術(shù)的信號處理中，數(shù)字信號發(fā)揮的作用越來越大，基本上復(fù)雜的信號處理都離不開數(shù)字信號。
模擬信號是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號，或在一段連續(xù)的時(shí)間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號。模擬信號傳輸過程中，先把信息信號轉(zhuǎn)換成幾乎一模一樣的波動(dòng)電信號，再通過有線或無線的方式傳輸出去，電信號被接受下來后，通過接收設(shè)備還原成信息信號。
2.5.2I/O端口電路
(1)數(shù)字量信號輸入在數(shù)字量輸入端，通過光耦進(jìn)行隔離防護(hù)處理，分壓電阻和分流電阻要選取合適的阻值，來得到輸入信號的電壓閾值。數(shù)字量輸入電壓信號通過光耦隔離之后，將信號傳入核心板。
(2)數(shù)字量信號輸出在數(shù)字量輸出的隔離部分選用了PS2801光耦隔離器，信號通過PS2801后輸入下一級。
2.6以太網(wǎng)通信芯片
數(shù)據(jù)采集器采用通用以太網(wǎng)接口芯片DM9000來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，DM9000是一款完全集成的和符合成本效益單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器與一般處理接口，一個(gè)10/100M自適應(yīng)的PHY和4KDWORD值的SRAM。它在低功耗和高性能進(jìn)程的3.3V和5V的支持寬容。DM9000支持8位、16位和32位接口訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器，以支持不同的處理器，DM9000物理協(xié)議層接口完全適應(yīng)10MBps下3類、4類、5類非屏蔽雙絞線和100MBps下5類非屏蔽雙絞線，完全符合IEEE802.3u規(guī)格，它的自動(dòng)協(xié)調(diào)功能將自動(dòng)完成配置以最大限度地適合其線路帶寬。
DM9000芯片具有以下特點(diǎn)：1)支持處理器以字節(jié)/字/雙字的長度讀寫內(nèi)部存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)操作命令;2)集成10/100M自適應(yīng)收發(fā)器;3)支持IEEE802.3x流量控制的全雙工模式;4)4K雙字SRAM;5)兼容3.3V和5V輸入輸出電壓。
2.7頻率測取和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
物聯(lián)網(wǎng)智能集中器對配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備的準(zhǔn)確采樣是準(zhǔn)確獲取檢測設(shè)備信息量的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)使用PT和CT對電網(wǎng)原邊信號進(jìn)行隔離降壓。離散化的過程中采樣頻率的確定尤為重要，較高的采樣頻率會(huì)增加時(shí)間和空間開銷，影響實(shí)時(shí)性，而過低的采樣頻率會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，使工作性能和穩(wěn)定性下降。
采樣點(diǎn)數(shù)由采樣頻率和FFT算法來約束，配網(wǎng)自動(dòng)化終端設(shè)備采集信號時(shí)，需要采集至多16次諧波信號，而一個(gè)周期內(nèi)至少均勻采集三個(gè)點(diǎn)，故一個(gè)周期內(nèi)至少采集48個(gè)點(diǎn)�；诖嗽O(shè)計(jì)采用時(shí)間抽取基二算法。為滿足實(shí)時(shí)性要求，需采集配網(wǎng)自動(dòng)化終端的實(shí)時(shí)工作頻率。配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備輸入的正弦波信號通過測量電路轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號，并將方波信號裝入定時(shí)器，通過配置定時(shí)器及程序來完成工作頻率的測量。
2.8頻率提取
經(jīng)采樣得到離散信號后，需要對離散時(shí)間信號進(jìn)行傅里葉變換，從中提取電壓和電流有效值、基波分量等信息。首先選擇所輸入的數(shù)據(jù)，使用FFT算法對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得諧波分量按照復(fù)數(shù)形式的表述，然后使用函數(shù)計(jì)算諧波的幅值和相位角。數(shù)據(jù)的采集和處理完成后，需要實(shí)現(xiàn)終端和設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信。
3軟件設(shè)計(jì)方案
3.1采集設(shè)備軟件設(shè)計(jì)
采集器軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，不同功能的單元分別設(shè)計(jì)成獨(dú)立的任務(wù)，任務(wù)之間通過共享緩存的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的交換。軟件包括綜合管理單元、物聯(lián)網(wǎng)通信單元、數(shù)據(jù)采集單元、存儲(chǔ)管理單元和狀態(tài)指示單元等模塊。綜合管理單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化和任務(wù)控制等功能，物聯(lián)網(wǎng)通信單元實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)單元通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收發(fā)送。數(shù)據(jù)采集單元實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程UPS設(shè)備通信獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，采集干節(jié)點(diǎn)信息。存儲(chǔ)管理單元實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、配置數(shù)據(jù)、對時(shí)數(shù)據(jù)的緩沖、共享和FLASH存儲(chǔ)器讀取、寫入。
3.2系統(tǒng)異常處理
(1)數(shù)據(jù)采集異常物聯(lián)網(wǎng)采集器采集數(shù)據(jù)之前會(huì)先對被采設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行查詢，若設(shè)備狀態(tài)異常，則上報(bào)被采設(shè)備信息和異常狀態(tài)。若設(shè)備狀態(tài)正常則完成正常的采集程序。當(dāng)被采設(shè)備狀態(tài)正常而數(shù)據(jù)為空時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)采集器將會(huì)輪詢?nèi)尾樵�，若還未采集到數(shù)據(jù)，將上傳故障碼為0的正常狀態(tài)信息，然后需要運(yùn)維人員檢查設(shè)備狀態(tài)、采集器狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等信息。
(2)網(wǎng)絡(luò)傳輸異常當(dāng)采集器內(nèi)部未檢測到網(wǎng)絡(luò)傳輸成功標(biāo)志時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)采集器將采集到的數(shù)據(jù)以文件的形式保存在采集器TF卡內(nèi)部，文件命名格式為標(biāo)準(zhǔn)年月日格式，如“YYYY-mmdd”。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連通時(shí)，采集器再接受主站指令，將文件發(fā)送到系統(tǒng)主站。
(3)存儲(chǔ)管理單元若發(fā)生通信故障，物聯(lián)網(wǎng)采集器采集到的數(shù)據(jù)將以文件的形式保存到本地TF卡內(nèi)，以天為單位建立新文件的方式保存，文件名稱命名規(guī)范為年月日，數(shù)據(jù)有效期為一月，數(shù)據(jù)更新頻次為每十五分鐘刷新一次。數(shù)據(jù)保存方式為文本追加的方式，只在文檔末尾添加數(shù)據(jù)，不覆蓋文本原始數(shù)據(jù)。待通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，文本數(shù)據(jù)可接受系統(tǒng)主站的指令，上傳到系統(tǒng)主站。
4結(jié)束語
本文主要為配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的設(shè)備提供了一套故障信息采集及展示方案，獨(dú)立于配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)外，不會(huì)增加原有的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行壓力，靈活應(yīng)用了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，應(yīng)用前景廣泛。
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