基于嵌入式網關的微網自控系統的研究

匡　博，王　穎

(1.河北交通職業技術學院，河北石家莊050091；2.河北地質大學，河北石家莊050031)

基于嵌入式網關的微網自控系統的研究

匡博1，王穎2

(1.河北交通職業技術學院，河北石家莊050091；2.河北地質大學，河北石家莊050031)

微網的重要地位決定了對于微電網電能質量的高要求。結合微網發展的現狀，提出一套基于嵌入式網關的微網自控系統。該系統可以有效地提高現場參數的采集質量，增強控制能力，具有一定的推廣價值。

微網；嵌入式；智能電網

傳統的發電站主要是以火電和水電為主，其中火電消耗了大量的煤炭資源并且排放大量的溫室氣體。隨著化石資源的逐漸枯竭以及越來越高的環保意識，人們迫切要求一種新的能源方式來代替這種落后的發電模式。隨著研究的深入，分布式的太陽能、風能發電方式是解決這一問題的最佳方案。但是傳統的電站管理方式難以在分布式的小型配電系統上使用，微網的發展遇到了瓶頸。

近年來以物聯網技術為核心的新一代科技革命催生了一系列的智能化系統，已經被我們熟知的主要有智能家居、智能交通同時還有旨在促進電力行業發展的智能電網。智能電網是電網發展的趨勢，通過一系列智能化的設備實現電網的智能化運行與控制，這樣可以最大程度上提高電網的運行效率。開發微網可以使得更多的分布式能源和可再生能源接入電網，較大程度地擴充電網容量，是實現主動式配電網的一種非常有效的方式，也有利于實現傳統電網向智能電網的平穩過渡。

由于分布式能源的一些特點使得微網的電能質量具有穩定性較低的劣勢，因此需要對微網進行必要且有效的監控設置。結合現在微網的發展以及計算機技術、控制技術的發展方向，本設計提出了基于嵌入式網關的微網自控系統。

1　系統的主體設計

微電網是由分布式的電源、大容量的儲能裝置、高效的能量轉換裝置以及一整套的監控和保護裝置組成的小型發配電系統。因為分布式電源的使用使得微網成為提高綠色能源使用率的有效方式。隨著大量的微網并入大電網，對微網有效的監控和微網本身的自我控制就顯得尤為重要。

微網的控制系統是一個能夠實現自我控制、自我保護和自我管理的自治系統[1]。近年來，美國、歐洲和日本對于微電網均展開了示范性的研究。中國微網發展比較晚，相對而言還處于發展的起步階段。通過綜合研究比較外國關于微網自控系統的研究，本設計提出一套以光伏微網為例，基于嵌入式網關的微網自控系統。整體模型設計如圖1所示。

圖1　微網結構圖

該系統主要由產電設備、儲能設備、管理系統以及負荷組成。產電設備一方面通過公共連接點(PCC)與大電網相連，另一方面通過逆變器直接與負載相連。該系統結構設計在微網與大電網的接口處全部設置了斷路器，以保護電網的運行安全。除此之外還加以電壓和功率的控制器，實現了對能量的有效控制管理。

2　下位機的硬件設計

該自控系統主要分為下位機和上位機兩大部分。

下位機數據采集系統主要負責整個微網的電壓、電流以及溫度等數據信息的采集工作，這些采集到的數據通過無線傳感網ZigBee傳送到嵌入式網關，在嵌入式網關進行初步的分析處理后通過網關傳送到遠程的服務器端進行更深層次的處理。

上位機則主要是數據庫和友好界面的設計。本系統使用Java語言進行服務器、PC客戶端和基于Android的客戶端的設計，并通過MySQL數據庫進行數據的存儲處理。

2.1數據采集系統

可靠、準確的數據采集是系統實現智能控制的信息來源。基于微網的實際特點，系統在底層設計了關于電壓、電流以及設備溫度的采集電路，下面以電流的采集電路為例進行詳細說明。

穩定的電流輸出是微網接入大電網之前必須檢測的電能質量之一。本設計的電流信息采集原理是：通過檢測電路中電阻兩端的壓降再結合歐姆定律來計算實時的電流值。由于電流信息的采集電路需要嵌入到主電路之中，所以為了減少對電路的影響，系統選擇毫歐級別的電阻和電流放電電路進行綜合檢測分析。電流放大采集電路如圖2所示。

圖2　電流放大采集電路

該電流放大采集電路可以將采集到的放大數據進行進一步的處理，通過A/D轉換之后直接反饋到控制端從而實現控制管理。MCP6002是一個1 MHz的低功率的運算放大器，該運放的工作電壓為1.8 V到5.5 V，滿足設計需要。經過放大的信號從VOUTB輸出，從而得到準確的電流值。

2.2信息的傳輸

下位機通過傳感器進行各種物理信息的采集之后，便需要有高效可靠的數據傳輸協議將采集數據傳送到嵌入式網關，以進行下一步的分析。

無線傳感器網絡具有節點布置靈活的特點，本設計采用ZigBee協議進行數據的傳輸工作。ZigBee協議具有低成本、低功耗、高網絡容量等特點，符合微網中數據采集的實際需求。各個運行著的傳感器將采集到的數據傳送到ZigBee網絡的協調器節點，終端節點與協調器節點之間采用星型的網絡結構。終端節點、協調器節點和路由節點均采用CC2530開發板，傳感器利用I/O口與各個終端節點相連，再通過路由節點傳送到協調器節點，協調器節點再將數據傳送到嵌入式的網關，完成數據的采集任務。

系統的控制過程與信息采集過程正好相反，嵌入式網關接收到控制命令之后將命令傳送到協調器節點，再通過廣播的方式傳送到各個終端節點從而實現系統的控制工作。

2.3嵌入式網關的選擇

嵌入式網關是把TCP/IP協議棧固化在芯片內以實現以太網的數據傳輸，本系統采用的嵌入式開發平臺是由三星公司ATM9系列的S3C2440A核心處理器和CS8900網卡芯片以及內存芯片組成。嵌入式網關結構圖如圖3所示。

圖3　嵌入式網關結構圖

在嵌入式網關體系結構中，嵌入式處理器是核心部件[2]。本系統采用ARM920T內核的S3C2440A處理器。該處理器為16/32位處理器，具有低功耗、高效、簡單的優點。此外，該處理器實現了MMU、AMBU BUS的高速緩存體系，符合本設計的要求。在嵌入式的應用系統中，還采用了CS8900A以太網控制器芯片，SDRAM，FLASH高速緩存和串口芯片MAX232。其中CS8900A以太網控制芯片是一個高度集成的以太網控制器，不再需要其他的昂貴以太網外部器件，既簡化了設計流程又降低了開發成本。

3　上位機的設計與實現

有了下位機良好的數據采集和傳輸，要想整個系統更加具有實用性就需要有良好的上位機的設計與實現。在系統中，上位機的主要開發可以分為兩部分：基于數據庫的開發和基于遠程控制的開發。

3.1基于數據庫的開發

下位機采集的大量數據需要一個性能良好的數據庫對其進行存儲處理，以便于日后出現故障之后可以更好地分析故障原因。由于該系統的主要數據包括電壓、電流以及溫度等信息，單位信息量不大，所以選擇MySQL數據庫。主要建立的表項有：voltage(用來存儲電壓信息)、electricity(用以存儲電流信息)以及Tem(用來存儲溫度信息)等。

3.2基于界面的開發

將傳感器采集到的數據信息上傳到服務器，需要有服務器程序對其進行下一步的處理操作，并根據一定的判斷標準判斷微網是否在正常的工作。

在本設計中服務器程序主要使用Java語言進行編寫，服務器主要實現的功能為：

(1)通過JDBC連接MySQL數據庫，將采集到的數據信息存儲到數據庫中。

(2)設置相應的閾值，根據危險程度的不同，做出自動控制和自動控制加上報管理員的不同操作。

此外為了更加方便地對系統進行管理，還進行了移動客戶端的開發工作，使得微網管理人員可以在移動設備上實時地查看系統信息和進行相應的控制管理。

4　總結

在智能電網發展的大趨勢下，針對分布式電源的微網，本設計提出一套基于嵌入式網關的微網自控系統。利用ZigBee節點作為數據采集的基礎節點，通過嵌入式網關實現數據的實時、高效的傳輸工作，并在高性能的服務器之中實現數據的綜合處理以及對系統的自動控制。該系統具有反應速度快，系統控制穩定性好等優點，具有一定的推廣價值。

[1]張永健.電網監控與調度自動化[M].北京：中國電力出版社,2011: 3-5.

[2]王成山,肖朝霞,王守相.微電網綜合控制與分析[J].電力系統自動化,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，講師，主要研究方向為計算機網絡，數據庫。