配電網智能網架分析研究

唐鶴，邱桂華

（廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東佛山 528000）

在大數據、物聯網、云計算技術不斷發展的過程中，虛擬化標準、技術與網絡化共享服務基礎架構也在不斷地發展，以此要求配電系統朝著智能化通信發展。在云時代背景下，傳統配網系統已經無法滿足數字化需求，無線技術使配電網系統更加便捷、高效。LoRa 為基于無線傳感網絡與控制應用的通信技術，在空氣中通過電磁波實現數據的發送與接收，不需要線纜介質就能夠開展智能配電組網[1]。使用LoRa 通信技術結合無線技術創建的通信廣域網、局域網存在各自的優勢與劣勢，主要問題就是無法實現信息精準性、全面性與遠距離傳輸。LoRa 通信技術能夠實現遠距離與低功耗的優勢，并且能簡化系統組網，降低系統成本[2]。以此，文中研究了基于LoRa 技術的配電網智能網架設計。

1 智能配網系統總體設計

該文以LoRa 技術為基礎設計了智能化配網系統結構，使用的服務器從下到上分為3 個層級配網，圖1 為LoRa 智能配電系統架構。

圖1 LoRa智能配電系統架構

通過圖1 可以看出，用戶終端要設置智能配電元件參數性能，必須利用云端服務器使參數與命令向下傳輸到集中器，之后通過集中器向下分發到相應的智能元件中[3]。智能配電元件數據到云端服務器傳輸的方式為：

其一，通過集中器根據一定時間循環周期收集數據，利用集中器存儲器，通過服務器傳輸，并且實現數據的保存；

其二，利用用戶終端手持機設備收集集中器的數據，之后利用終端手持機設備在服務器中傳輸數據；

其三，通過服務器單獨上傳配電智能元件數據。

通過以上LoRa 技術智能配電系統運行方案可以看出，此系統集中器能夠實現信息的轉發，所有系統都是通過此技術實現的，所以集中器設備維護與應急管理要設置相應的串口對接口進行調試[4]。

2 智能配網系統設計

2.1 系統硬件設計

2.1.1 通信接口設計

LPC2119 內部集成兩個通用異步收發器單元和獨立異步串行I/O 接口，也就是串口。此系統還使用UART0 串口通信，使用MAX3232 轉換芯片轉換RS232 電平，電壓設置為3.3 V，圖2 為MAX3232 電路的連接接口。該文系統在設計過程中使用RS232通信接口，主要目的就是配置系統參數，實現系統的維護，此為CAN 總線部分功能備份。利用RS232 接口對智能配電系統地址、智能配電模塊信息、通信速率等進行檢查[5]。

圖2 MAX3232電路的連接接口

2.1.2 CAN總線接口電路

CAN 控制器為配電系統通信的重點，利用CAN收發器與控制器能夠實現CAN 通信底層協議轉換。針對CAN 總線通信控制器的不同型號，底層協議電路功能與接口都是相同的，但是微處理器接口方式與接口不同。該文所設計的CAN 總線系統智能節點的微處理器節點為LPC2119，在CAN 總線通信接口使用CTM1050T 總線接口模塊[6]，圖3 為CAN接口電路的結構。

圖3 CAN接口電路的結構

通過圖3 可知，電路主要包括CAN 收發器、微控制器LPC2119 和濾波保護電路。微處理器利用CTM1050T 對數據進行發送和接收，隔離內部電源電氣，實現DC/DC 電源模塊、CAN 收發器與高速光耦的集成，CTM1050T 能夠隔離總線各CAN 節點電氣，使用收發器降低體積和成本。CTM1050T 和CAN 總線接口均采用針對性的抗干擾與安全措施，CANL 與CANH 引腳利用5 Ω電阻通過濾波電感連接CAN 總線，電阻能夠限流，避免CTM1050 過流沖擊。CANH與CANL 和地并聯兩個30 pF 小電容，能夠將高頻干擾濾除，并且還能夠防電磁輻射。兩根CAN 總線接入端和地反接瞬態電壓吸收保護二極管，在CAN 總線的電壓比較高時，利用二極管瞬態擊穿時具備過電壓保護作用，避免損壞接收器[7]。

2.1.3 SA9904B處理器引腳設計

圖4 為SA9904B 的引腳，VDD 為電源正極，GND為模擬地，在利用分流電阻檢測電力時，和+25 V 電壓相互連接。在利用電流互感器的時候，和+5 V 電壓連接。VSS 為電源負極，在利用分流電阻檢測電流與檢測-25 V 電壓時，要求與0 V 電壓連接。IVP指的是三相模擬電壓采樣接入端，在額定電壓為測量電壓的時候，要求設置輸入內部A/D 轉換器電流有效值為14。IIP 指的是三相模擬電流采樣輸入端，在測量電壓設置為額定電流的時候，要求輸入芯片A/D 轉換器電流有效值為16 A。VREF 指的是參考電源外接電阻端，一般和47 kΩ電阻相互連接。F50為電壓過零脈沖輸出端，輸出脈沖頻率為交流電壓頻率[8]。

圖4 SA9904B的引腳

2.2 系統的軟件設計

2.2.1 上位機通信軟件

上位機軟件主要包括MODBUS 協議、串口通信、組態軟件三部分。系統使用PCAUTO 組態軟件，此組態軟件為面向方案的監控和數據收集平臺軟件。其使用Windoes 平臺、I/O 驅動和現場設備相互連接，并且連接分布式實時數據庫系統，能夠和企業、工廠系統中的輸入結合。利用此軟件平臺，能夠實現故障查詢、實時報警的功能[9]。

上位機MODBUS 協議軟件的實現重點為初始化主設備串口，之后輪詢設備層各站點，以0.5 s 為周期，將運行參數消息幀發送之后響應設備，假如超時就進行下一個，對設備響應消息正確性進行實時判斷，不管是響應超時或者幀錯誤，都會出現錯誤，并且對錯誤進行顯示和記錄。在進行調試的過程中，如果三次輪詢都出現錯誤，就會屏蔽該站點，直到調試人員重新調整。在首次讀取協議規定參數的時候，如果系統運行正常，并且調整參數沒有過載的時候，上位機周期為0.5 s，輪詢參數消息幀[10]，圖5 為上位機通信流程。

圖5 上位機通信流程

2.2.2 設備通信軟件

使用MODBUS 協議模式實現設備通信，要對協議要求消息幀時間間隔問題進行處理，要求在消息幀起始與停止位間隔在3.5 字符左右，在傳輸消息幀數據過程中，使兩個數據間隔在1.5 字符以下。時間計算精準，使用一個固定定時器實現此工作[11]。設備上電過程中初始化串口，利用中斷方式對串口進行事件檢測，在消息接收的時候會出現中斷情況。接收完整消息幀后，以MODUS 協議解析消息幀，首先對地址是否相符進行判斷，如不相符，就不回應主設備；如相符，就要校驗此消息，比如校驗CRC 是否超時。如果錯誤就要發送響應消息幀，并且在主設備中返回；如果正確，就要對消息幀解析，并且以響應的要求對參數回應[12]。圖6 為設備通信的結構流程。

圖6 設備通信的結構流程

2.2.3 組態數據流的設計

組態王基本組件包括人機界面、區域數據庫DB與FO 服務程序。數據流的過程為：在配置連接項之后，硬件是設備寄存器利用VO 通信收集點參數，實現數據庫變量組態之后，點參數在數據庫變量中自動映射，從而實現數據的收集。

組態王和I/O 設備的數據交換方式為OPC 方式、適配器方式、網絡節點方式、板卡方式、串行通信方式等。針對不同協議通信中I/O 設備，組態王能夠實現針對性I/O 驅動程序，實時數據庫根據I/O 驅動器能夠收集執行數據[13]。實時數據庫和I/O 驅動程序創建服務器/客戶結構模式，一臺運行實時數據庫計算機利用多個I/O 驅動程序和任意多臺I/O 設備相互連接。不管是哪種設備，都要了解到設備和此點物理通道編制方式。在配置I/O 設備后，通過瀏覽器目錄樹將I/O 設備數據源列出，然后利用配置設備名稱連接數據。在投入數據使用之后，組態王利用內部管理程序執行相應I/O 驅動程序，并且和I/O 設備實時數據進行交換。

2.2.4 三維圖形顯示設備運行信息

智能網架能夠調度三維圖形方式進行顯示，比如節點電容無功投入的情況。無功出力通過柱狀圖顯示，利用柱子高低表示出力大小。柱子長度為無功容量，柱子包括兩端，下部分長度為目前無功出力，上部分指的是裕量。將鼠標移動到某個柱子的時候，系統通過數字方式顯示所有指標。變壓器負載用柱狀圖表示，柱子長度指的是變壓器容量，柱子下部分指的是目前負載，上部分指的是負載裕量[14]。

2.2.5 故障隔離的設計

智能化配電網系統利用硬件與軟件的結合，從而實現故障隔離。在某個負載出現過流或者短路故障的時候，系統利用硬件電路自動切斷故障負載，避免對配電系統造成影響。故障隔離硬件電路為系統主要構成，也就是I2t 反時限與短路保護電路。比如+B1 支路，系統利用電流監測器INA196 得到此支路電流值，傳送到保護電路中。保護電路由比較電路與積分電路構成，短路保護電路由比較電路構成，為此電路設置不同的閾值，在支路電流超過設置閾值的時候，比較電路能夠實現故障信號的輸出。I2t保護電流故障信號與短路保護故障信號利用二極管隔離之后，實現故障信號的輸出，對支路MOS 管關斷進行控制，從而切斷故障負載，并且加以隔離。在負載因為故障切斷隔離之后，FPGA 會間隔性地隔離發送故障負載加電指令，從而對系統進行重構[15-20]。

3 結束語

該文對基于LoRa 無線網絡技術的智能配電網結構的設計進行分析，此系統具有較高的可靠性，并且控制較為靈活，能夠使電力系統電纜簡化，降低電纜網重量，實現配電系統智能化的設計，實現配電系統的重構與故障隔離。通過此系統，能夠使配電系統自動化水平得到提高，并且方便變電站無人值守，有效節約人力成本，提高配電網智能原件保護水平。