（禹城市光明电力服务有限责任公司 251200）
摘要:针对农村及偏远地区急需解决智能化配变电设备陈旧及功能单一的问题，有效增强配电有效性及安全性的需求，本文设计了一套完整可行的基于物联网技术的农网智能配变电系统。可以实现对电网电参数及用户电量信息的数据采集，数据传输、数据处理、异常报警、谐波分析等多功能为一体的农网配变电管理系统;本文从系统架构到各部分的组成进行了概述，详细的描述了部分设计过程和设计难点;以谐波分析为例进行结果验证。通过实际应用表明，该设计改善了农网配变电的现状，提高了配变电设备的功能，并能通过物联网来监测设备的运行、
关键词:物联网;智能电网;体系结构;谐波分析;配变终端
1系统体系结构
本文研究基于物联网技术实现的智能配变电系统。目前物联网技术的定义仍然没有一个官方的详细描述，其应用却已慢慢走入人们生活的方方面面。本系统采用三层结构:感知层、传输层、和应用层构成。1)感知层:通过各种传感器节点对农网配变电过程中可能影响农网正常运行的参数进行实时采集和监测。如:农网低压配电箱内的断路器、剩余电流漏电动作断路器、无功补偿投切状态、配电变压器工况、计量电表及相关的用电信息等。2)传输层:感知层采集的数据一部分被配变终端设备按照一定策略自行处理，大多数据通过信息传输层中的有线和无线传输技术传输至远端的后台系统中进行统一的信息管理及进一步的专家系统分析。3)应用层:本层的功能最为复杂，本系统将其再次细分为应用服务层、业务层、用户界面层。应用服务层主要是系统的基本部分，包括数据的存储、网络通信、驱动设计模块等。业务逻辑层是系统的核心部分，有数据分析、谐波分析、无功补偿、异常报警、设备运行情况管理、人机交互设计等模块。最上层是用户界面层，负责在电脑和配变终端的显示界面，实现人机交互的目的。
2系统硬件实现
配变终端根据国家电网公司Q/GDW614-2011《农网智能型低压配电箱功能规范和技术条件》与Q/GDW615-2011《农网智能型低压配电箱功能规范和技术条件》的标准研发设计出农网智能终端。
1)核心板:本系统选用ARMCortex-M3的微控制器LPC1788为处理单元。包括512KB的Flash存储器、96KB的数据存储器、4KB的EEPROM存储器、一个用于SDRAM和静态存储器存取的外部存储器控制器EMC、一个LCD面板控制器、以太网MAC、USB全速Device/Host/OTG控制器、CAN总线控制器、SSP控制器、UART接口、SPI接口、I2C接口、I2S接口、窗口式看门狗定时器以及多达165个通用I/O管脚还有电源模块等。
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2)存储模块:主要用来对系统的各种电量信息，用户用电信息，以及故障信息等进行数据的存储。由于存储的数据量过大，处理器本身的存储器并不能够满足需求，因此，对存储器扩展了一片2MB的SRAM，一片256MB的NANDFLASH型号为K9F2G08U0A，使其能准确并大量的存储各种信息。
3)电源模块:用来给农网智能终端中各模块供电，提供5V与3。3V的电压信号，满足系统内部各个芯片的供电电压，从而使系统能够正常工作。在此基础上设计了锂电池充放电电路作为后备电源，保证农网智能终端在掉电的情况下，依旧能够正常工作。
4)有线通信模块:本系统采用有线以太网接口芯片DM9000，该芯片集成了10/100M的物理层接口，其内部自带16KB的SRAM作为接收和发送的FIFO缓存。该芯片有两种主机工作模式，具有AUTO-MDIX(支持直接互连自动翻转)功能，并且该功能已通过了HP认证。DM9000遵循IEEE颁布的802.3以太网传输协议。5)无线通信模块:本系统选用M590GPRS无线通信模块，是一款DualBand的GSM/GPRS工业无线模块，提供短信、数据业务等功能。有方M590内部带有TCP/IP协议栈，本系统主要通过AT指令完成对该模块的操作。选择建立TCP连接来进行数据的传输，因此只需调用相关AT指令集建立TCP连接后，便可进行数据的传输，建立过程。通信模块采用376。1电网数据传输规约进行数据的传输，不仅可以接受主站信息，并且具有主动上报的功能，用于主动将当前重要信息和异常状态及时反馈给主站。对于智能配变终端的实际使用情况以及系统的功能需求，在设计中还对LPC1788的核心板进行了相关的扩展配置。如:采集板卡、时钟板卡、开关量板卡、屏显板卡等在此不再敖述。
3系统软件实现
3.1软件系统架构
该系统有下位机软件和上位机软件两部分，其中下位机系统主要包括BootLoader引导程序、μC/OS-II内核、硬件驱动程序以及应用程序;应用程序主要包括A/D数据采集、数据处理、数据存储、异常上报和通信等。上位机程序包括远程摇信、预测报警、谐波分析、终端管理、用户管理、人机交互等。ADC模块:负责对信号进行A/D采样，并用RS485通信对三相电压、功率、有功无功电量、负载电流进行采集。
SPI通信模块:主要负责连接计量芯片，采集各种电能参数信息。Q/GDW376。1协议模块:负责主站与配变终端的通信。GPRS/USB模块:主要完成现场维护、远程数据传输、远程系统升级、U盘直插升级等功能。RS485/USB/GPRS驱动模块:主要对底层驱动的编写，目的是为上层协议提供使用各个通讯方式的发送接收接口。
LCD模块:主要完成的功能是配合物理按键，能够对当前的部分电网参数进行实时显示。I\O模块:目的是实现电容补偿投切开关的控制、谐波分析的具体算法，能够正确快速的完成计算。NandFlash模块:合理的安排优先的存储空间，对需要存储的历史数据进行正确存储，并能够在停电时自动检测并启动备用电池对系统运行数据进行存储，实现掉电保护，以便系统上电之后继续运行。
3.2μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统实现
本系统选用μC/OS-Ⅱ这款嵌入式多任务实时操作系统，它结构简洁精炼，可读性强，占用空间小，移植性好，执行效率高，并具有较强的可扩展性，并且源代码公开。μC/OS-II中的任务一共有运行态、就绪态、睡眠态、挂起态以及中断服务态5种状态，而每一个任务都是在这5种不同的状态之间发生转换，任务状态及其转换关系。μC/OS-II正是通过控制不同任务间的状态转换，从而实现任务的管理与调度。功能划分好后，将各个功能封装成μC/OS-II系统级下的任务，并且针对功能要求拟定任务的优先级，对共享资源安排相应的互斥信号量，防止资源竞争。本系统对整个农网智能终端的功能进行实时的调度与分配，从而使农网智能终端在稳定运行的同时，能够迅速响应主站的请求并且及时发现异常状况进行报警。
4结语
此次研究最终设计出一个稳定高效的产品。在物联网技术的基础上实现远程监测、控制智能终端设备。不仅能够实现对配电变压器、进出线开关、剩余电流动作保护器、智能电能表等运行信息进行采集和用户用电信息进行收集，而且完成配电变压器计量总表监测、状态监测、谐波监测等功能，还具有远程抄表、用电异常信息报警、负荷管理与控制等多种功能。本文所设计出的智能终端已经在部分地区进行试运行，其运行效果满足了所有设计的功能需求。
参考文献
[1]陈燕辉.配电网终端现场智能通信装置的研究与实施[学位论文].长沙:中南大学，2003.
[2]刘丽红，刘丽华，辛志莲.配变终端智能表通讯故障原因及处理措施.电子制作，2014，4:229.
论文作者:丁振波
论文发表刊物:《电力设备》2016年第24期
论文发表时间:2017/1/17
标签：终端论文; 模块论文; 系统论文; 农网论文; 功能论文; 智能论文; 谐波论文; 《电力设备》2016年第24期论文;