本文摘要：摘要：配網(wǎng)自動化系統(tǒng)為配網(wǎng)帶來了可靠性、供電質(zhì)量、經(jīng)濟效益和服務水平等的提升，同時也對自動化系統(tǒng)的日常維護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不間斷電源設備、DTU設備的運行狀態(tài)及故障信息，感知配網(wǎng)自動化運行狀態(tài)。并在
摘要：配網(wǎng)自動化系統(tǒng)為配網(wǎng)帶來了可靠性、供電質(zhì)量、經(jīng)濟效益和服務水平等的提升，同時也對自動化系統(tǒng)的日常維護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不間斷電源設備、DTU設備的運行狀態(tài)及故障信息，感知配網(wǎng)自動化運行狀態(tài)。并在此基礎上，利用移動終端與互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為配網(wǎng)設備檢修單位提供快速高效的故障檢索服務。該裝置的應用和推廣能提高配網(wǎng)自動化的智能化水平，大幅度減輕設備運維人員的工作量。
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)自動化系統(tǒng)為配網(wǎng)帶來了可靠性、供電質(zhì)量、經(jīng)濟效益和服務水平等的提升，同時也對自動化系統(tǒng)的日常維護和巡檢提出了更高要求。與輸電網(wǎng)絡不同，配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的設備數(shù)量巨大，位置分散，運行環(huán)境問題對設備正常運行的影響也更加突出。在供電公司的部門安排中，配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的建設和使用部門是調(diào)度部門。
對于傳統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中故障的處理，通常需要通過配網(wǎng)自動化系統(tǒng)主站發(fā)現(xiàn)設備故障信息(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方法。由于配電網(wǎng)設備數(shù)量巨大，雖然在理想狀況下，可以通過配置站端設備將故障以遙測、遙信點的方式，采集站內(nèi)具體故障點，并納入主站管理。但是由于部門管理范圍、實際執(zhí)行效率等多方面原因，對于配網(wǎng)系統(tǒng)中的自動化設備故障，調(diào)度部門(人員較少，主要重點是變電業(yè)務)或運檢部門(配網(wǎng)設備的運維部門)都未將相關(guān)配網(wǎng)故障信息納入實際運行管理過程當中。
這造成了當配電網(wǎng)自動化設備發(fā)生故障時，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，無法實現(xiàn)具體甄別處理，同時也不能及時通知運檢部門。而缺少數(shù)據(jù)和系統(tǒng)支持的運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行排查�？紤]到配電網(wǎng)的巨大體量，通常采用定期巡檢的方式進行運維。
這種方式難以及時準確定位和排查故障設備，造成配網(wǎng)自動化系統(tǒng)存在的大量故障無法及時得到解決，從而無法對配網(wǎng)自動化系統(tǒng)進行有效維護。本項目針對上述需求，試圖通過信息化手段，利用移動互聯(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)設備的運行狀態(tài)及故障信息，為電網(wǎng)運行及檢修單位，提供快速、便捷、高效的故障檢索及故障提示服務。
1系統(tǒng)設計
1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計
系統(tǒng)采用Web網(wǎng)頁及移動頁面技術(shù)為管理人員、運檢提供系統(tǒng)訪問�？紤]到配網(wǎng)設備的數(shù)量規(guī)模，按照功能及運行條件，系統(tǒng)分為現(xiàn)場采集層、物聯(lián)服務層。
1.2現(xiàn)場采集層
包含采集節(jié)點和各類被監(jiān)測設備：安裝在站點內(nèi)，通過干接點、RS232/485方式采集被測設備(配網(wǎng)自動化設備以及UPS)的故障狀體信息，并通過(專用)3G/4G網(wǎng)絡與交換服務節(jié)點通信，實現(xiàn)配置和數(shù)據(jù)交換業(yè)務。按照站點規(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)的一體式工控機設備，安裝在K型站配網(wǎng)自動化屏柜內(nèi)，具有一定的數(shù)據(jù)計算、通信及存儲能力，在滿足基礎任務的情況下，為今后其他巡檢系統(tǒng)或設備的接入提供基礎平臺。P/W型站裝置：采用Arm架構(gòu)的樹莓派單板機，直接安裝在P/W型站內(nèi)，用于收集站內(nèi)(箱內(nèi))設備數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的緩存及上傳。裝置能夠通過接收遠端發(fā)來的管理及配置命令，滿足實施配置需求。
1.3物聯(lián)服務層
由于采用移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，采集裝置不具有固定的通信地址，同時在某些環(huán)境，裝置之間不能直接進行通信和數(shù)據(jù)交換。物聯(lián)服務層為現(xiàn)場采集提供數(shù)據(jù)交換、信息加工和展示服務，包含交換服務節(jié)點和信息服務節(jié)點。交換服務節(jié)點：實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)交換機制，為采集節(jié)點的接入提供服務。
服務節(jié)點運行于專用網(wǎng)絡內(nèi)，采用固定IP地址，實現(xiàn)采集裝置的注冊及查詢，并提供數(shù)據(jù)交換服務能力。信息服務節(jié)點：作為信息服務網(wǎng)關(guān)，為使用工作站、移動終端的用戶提供Web網(wǎng)頁以及移動頁面服務，實現(xiàn)故障管理業(yè)務。服務節(jié)點采用多臺通用x86服務器組成服務器組，具有強大的數(shù)據(jù)處理及存儲能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、處理、存儲，故障業(yè)務處理，用戶消息通知及展示(網(wǎng)頁服務、移動信息服務)業(yè)務。
2硬件設計方案
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，用來實現(xiàn)對存儲器分配進行管理，中斷處理，任務之間互相通信和完成定時器任務，以及實現(xiàn)多線程多任務處理等。嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)很大程度上推進了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式操作系統(tǒng)具有強大的API支持，提高軟件設計效率，它在任務間互相切換，調(diào)度、通信、數(shù)據(jù)同步、時鐘管理和任務中斷管理為軟件設計人員提供極大便利。與一般操作系統(tǒng)相比，它的設計更具備專業(yè)性，其效率由和核心程序決定。
嵌入式操作系統(tǒng)有以下幾個特點：1)系統(tǒng)內(nèi)核小，開銷小，效率高，并可用于各種非計算機設備;2)開放性源代碼、體系結(jié)構(gòu)設計科學;3)具備較強實時性強，可用于各種設備控制當中;3)適合進行硬件設計和開發(fā);5)操作簡單方便;6)支持各種流行的網(wǎng)絡協(xié)議。
2.2ARM9核心板功能分析
ARM9具有豐富的外設集和工業(yè)應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行Linux操作系統(tǒng)，利用Linux操作系統(tǒng)可以實現(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計。
提供2個網(wǎng)絡通信接口電路，接口電路為隔離接口，并有抗瞬變干擾設計。SD卡接口用于數(shù)據(jù)存儲：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計，如瞬變管、壓敏電阻保護等。
2.3系統(tǒng)時鐘電路設計
為了保證采集器時間精度，保證采集器與系統(tǒng)主站的時間一致性。配置ARM核心的獨立的時鐘電路。時鐘電路包括CPU時鐘和RTC時鐘。CPU時鐘電路采用外部有源晶振Y3產(chǎn)生12MHz的時鐘頻率，經(jīng)過內(nèi)核芯片內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻電路，將外部輸入的時鐘倍頻到系統(tǒng)各個設備所需要的時鐘。
2.4串口通信電路設計
RS232是全雙工通信模式的異步串行傳輸數(shù)據(jù)的標準接口。其特點是標準化時間較早，因為這個原因也就難免有不足之處，其邏輯電平為負邏輯關(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)臉藴式涌凇?/p>
與RS232相比，解決了傳輸距離和點對多點的數(shù)據(jù)傳輸方式，更易于組網(wǎng)。其特點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，每個通信回路設置獨立的電磁兼容保護電路，并可通過跳線選擇工作模式。
2.5I/O端口電路設計
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，通過光耦進行隔離防護處理，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10/100M自適應的PHY和4KDWORD值的SRAM。它在低功耗和高性能進程的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)部存儲器，以支持不同的處理器，DM9000物理協(xié)議層接口完全適應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，它的自動協(xié)調(diào)功能將自動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：1)支持處理器以字節(jié)/字/雙字的長度讀寫內(nèi)部存儲器的數(shù)據(jù)操作命令;2)集成10/100M自適應收發(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)自動化設備的準確采樣是準確獲取檢測設備信息量的關(guān)鍵，設計使用PT和CT對電網(wǎng)原邊信號進行隔離降壓。離散化的過程中采樣頻率的確定尤為重要，較高的采樣頻率會增加時間和空間開銷，影響實時性，而過低的采樣頻率會造成數(shù)據(jù)丟失，使工作性能和穩(wěn)定性下降。
采樣點數(shù)由采樣頻率和FFT算法來約束，配網(wǎng)自動化終端設備采集信號時，需要采集至多16次諧波信號，而一個周期內(nèi)至少均勻采集三個點，故一個周期內(nèi)至少采集48個點�；诖嗽O計采用時間抽取基二算法。為滿足實時性要求，需采集配網(wǎng)自動化終端的實時工作頻率。配網(wǎng)自動化設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器，通過配置定時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，需要對離散時間信號進行傅里葉變換，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)進行處理，獲得諧波分量按照復數(shù)形式的表述，然后使用函數(shù)計算諧波的幅值和相位角。數(shù)據(jù)的采集和處理完成后，需要實現(xiàn)終端和設備間的數(shù)據(jù)通信。
3軟件設計方案
3.1采集設備軟件設計
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計成獨立的任務，任務之間通過共享緩存的方式實現(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、存儲管理單元和狀態(tài)指示單元等模塊。綜合管理單元實現(xiàn)系統(tǒng)初始化和任務控制等功能，物聯(lián)網(wǎng)通信單元實現(xiàn)與遠程物聯(lián)網(wǎng)單元通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收發(fā)送。數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)與遠程UPS設備通信獲取設備數(shù)據(jù)，采集干節(jié)點信息。存儲管理單元實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)、配置數(shù)據(jù)、對時數(shù)據(jù)的緩沖、共享和FLASH存儲器讀取、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)之前會先對被采設備的狀態(tài)進行查詢，若設備狀態(tài)異常，則上報被采設備信息和異常狀態(tài)。若設備狀態(tài)正常則完成正常的采集程序。當被采設備狀態(tài)正常而數(shù)據(jù)為空時，物聯(lián)網(wǎng)采集器將會輪詢?nèi)尾樵儯暨�未采集到數(shù)據(jù)，將上傳故障碼為0的正常狀態(tài)信息，然后需要運維人員檢查設備狀態(tài)、采集器狀態(tài)、網(wǎng)絡狀態(tài)等信息。
(2)網(wǎng)絡傳輸異常當采集器內(nèi)部未檢測到網(wǎng)絡傳輸成功標志時，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，文件命名格式為標準年月日格式，如“YYYY-mmdd”。當網(wǎng)絡連通時，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)絡恢復后，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)自動化系統(tǒng)中的設備提供了一套故障信息采集及展示方案，獨立于配網(wǎng)自動化系統(tǒng)外，不會增加原有的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的運行壓力，靈活應用了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，應用前景廣泛。
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