本文摘要：摘要：配網自動化系統為配網帶來了可靠性、供電質量、經濟效益和服務水平等的提升，同時也對自動化系統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設備的運行狀態及故障信息，感知配網自動化運行狀態。并在
摘要：配網自動化系統為配網帶來了可靠性、供電質量、經濟效益和服務水平等的提升，同時也對自動化系統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設備的運行狀態及故障信息，感知配網自動化運行狀態。并在此基礎上，利用移動終端與互聯網等技術為配網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。
關鍵詞：物聯網,故障監控,規約解析,數據平臺
配網自動化系統為配網帶來了可靠性、供電質量、經濟效益和服務水平等的提升，同時也對自動化系統的日常維護和巡檢提出了更高要求。與輸電網絡不同，配電網自動化系統的設備數量巨大，位置分散，運行環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，配網自動化系統的建設和使用部門是調度部門。
對于傳統調度自動化系統中故障的處理，通常需要通過配網自動化系統主站發現設備故障信息(如通信中斷)，然后通過傳統的人工現場定位并處理的管理維護方法。由于配電網設備數量巨大，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、實際執行效率等多方面原因，對于配網系統中的自動化設備故障，調度部門(人員較少，主要重點是變電業務)或運檢部門(配網設備的運維部門)都未將相關配網故障信息納入實際運行管理過程當中。
這造成了當配電網自動化設備發生故障時，調度部門的少量人員面對于海量的配網故障提示信息，無法實現具體甄別處理，同時也不能及時通知運檢部門。而缺少數據和系統支持的運檢部門也由于無法獲取具體故障原因，只能通過現場檢修方法對故障進行排查�？紤]到配電網的巨大體量，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，造成配網自動化系統存在的大量故障無法及時得到解決，從而無法對配網自動化系統進行有效維護。本項目針對上述需求，試圖通過信息化手段，利用移動互聯網及無聯網等技術，采集并獲取配電網相關設備的運行狀態及故障信息，為電網運行及檢修單位，提供快速、便捷、高效的故障檢索及故障提示服務。
1系統設計
1.1系統結構設計
系統采用Web網頁及移動頁面技術為管理人員、運檢提供系統訪問�？紤]到配網設備的數量規模，按照功能及運行條件，系統分為現場采集層、物聯服務層。
1.2現場采集層
包含采集節點和各類被監測設備：安裝在站點內，通過干接點、RS232/485方式采集被測設備(配網自動化設備以及UPS)的故障狀體信息，并通過(專用)3G/4G網絡與交換服務節點通信，實現配置和數據交換業務。按照站點規模，分為K站裝置、P/W站裝置等型號。
K型站裝置：采用x86架構的一體式工控機設備，安裝在K型站配網自動化屏柜內，具有一定的數據計算、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或設備的接入提供基礎平臺。P/W型站裝置：采用Arm架構的樹莓派單板機，直接安裝在P/W型站內，用于收集站內(箱內)設備數據采集，實現采集數據的緩存及上傳。裝置能夠通過接收遠端發來的管理及配置命令，滿足實施配置需求。
1.3物聯服務層
由于采用移動數據網絡，采集裝置不具有固定的通信地址，同時在某些環境，裝置之間不能直接進行通信和數據交換。物聯服務層為現場采集提供數據交換、信息加工和展示服務，包含交換服務節點和信息服務節點。交換服務節點：實現物聯網環境下的可靠數據交換機制，為采集節點的接入提供服務。
服務節點運行于專用網絡內，采用固定IP地址，實現采集裝置的注冊及查詢，并提供數據交換服務能力。信息服務節點：作為信息服務網關，為使用工作站、移動終端的用戶提供Web網頁以及移動頁面服務，實現故障管理業務。服務節點采用多臺通用x86服務器組成服務器組，具有強大的數據處理及存儲能力，實現數據通信、處理、存儲，故障業務處理，用戶消息通知及展示(網頁服務、移動信息服務)業務。
2硬件設計方案
2.1嵌入式操作系統
嵌入式操作系統即為了方便嵌入式開發人員工作而開發的一種穩定、安全的軟件模塊集合，用來實現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，以及實現多線程多任務處理等。嵌入式操作系統的開發很大程度上推進了嵌入式系統的發展，嵌入式操作系統具有強大的API支持，提高軟件設計效率，它在任務間互相切換，調度、通信、數據同步、時鐘管理和任務中斷管理為軟件設計人員提供極大便利。與一般操作系統相比，它的設計更具備專業性，其效率由和核心程序決定。
嵌入式操作系統有以下幾個特點：1)系統內核小，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、體系結構設計科學;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;5)操作簡單方便;6)支持各種流行的網絡協議。
2.2ARM9核心板功能分析
ARM9具有豐富的外設集和工業應用需要的高速通信接口，該系列處理器能夠滿足數據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，利用Linux操作系統可以實現軟件系統特殊功能的開發和使用。該核心板可滿足集中器對數據采集和存儲的要求，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卡接口用于數據存儲：提供8路數字量輸入(DI)接口，DI信號經入口電路后，再經隔離到中控芯片。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產生12MHz的時鐘頻率，經過內核芯片內部鎖相環倍頻電路，將外部輸入的時鐘倍頻到系統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據的標準接口。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系，傳輸距離有限等。RS485是半雙工通信模式的異步串行傳輸的標準接口。
與RS232相比，解決了傳輸距離和點對多點的數據傳輸方式，更易于組網。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電平轉換為RS232電平或RS485電平。系統配置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表示，因變量用有限數字中的一個數字來表示。由于數字信號是用兩種物聯狀態來表示0和1的，故其抵抗本身干擾和環境干擾的能力都比模擬信號強很多。在現代技術的信號處理中，數字信號發揮的作用越來越大，基本上復雜的信號處理都離不開數字信號。
模擬信號是指信息參數在給定范圍內表現為連續的信號，或在一段連續的時間間隔內，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現為任意數值的信號。模擬信號傳輸過程中，先把信息信號轉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)數字量信號輸入在數字量輸入端，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)數字量信號輸出在數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以太網通信芯片
數據采集器采用通用以太網接口芯片DM9000來實現以太網通信，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位接口訪問內部存儲器，以支持不同的處理器，DM9000物理協議層接口完全適應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規格，它的自動協調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/字/雙字的長度讀寫內部存儲器的數據操作命令;2)集成10/100M自適應收發器;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頻率測取和數據轉換
物聯網智能集中器對配網自動化設備的準確采樣是準確獲取檢測設備信息量的關鍵，設計使用PT和CT對電網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據丟失，使工作性能和穩定性下降。
采樣點數由采樣頻率和FFT算法來約束，配網自動化終端設備采集信號時，需要采集至多16次諧波信號，而一個周期內至少均勻采集三個點，故一個周期內至少采集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，需采集配網自動化終端的實時工作頻率。配網自動化設備輸入的正弦波信號通過測量電路轉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據，使用FFT算法對輸入數據進行處理，獲得諧波分量按照復數形式的表述，然后使用函數計算諧波的幅值和相位角。數據的采集和處理完成后，需要實現終端和設備間的數據通信。
3軟件設計方案
3.1采集設備軟件設計
采集器軟件系統采用模塊化結構，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數據和狀態信息的交換。軟件包括綜合管理單元、物聯網通信單元、數據采集單元、存儲管理單元和狀態指示單元等模塊。綜合管理單元實現系統初始化和任務控制等功能，物聯網通信單元實現與遠程物聯網單元通信，實現數據接收發送。數據采集單元實現與遠程UPS設備通信獲取設備數據，采集干節點信息。存儲管理單元實現通信數據、設備數據、配置數據、對時數據的緩沖、共享和FLASH存儲器讀取、寫入。
3.2系統異常處理
(1)數據采集異常物聯網采集器采集數據之前會先對被采設備的狀態進行查詢，若設備狀態異常，則上報被采設備信息和異常狀態。若設備狀態正常則完成正常的采集程序。當被采設備狀態正常而數據為空時，物聯網采集器將會輪詢三次查詢，若還未采集到數據，將上傳故障碼為0的正常狀態信息，然后需要運維人員檢查設備狀態、采集器狀態、網絡狀態等信息。
(2)網絡傳輸異常當采集器內部未檢測到網絡傳輸成功標志時，物聯網采集器將采集到的數據以文件的形式保存在采集器TF卡內部，文件命名格式為標準年月日格式，如“YYYY-mmdd”。當網絡連通時，采集器再接受主站指令，將文件發送到系統主站。
(3)存儲管理單元若發生通信故障，物聯網采集器采集到的數據將以文件的形式保存到本地TF卡內，以天為單位建立新文件的方式保存，文件名稱命名規范為年月日，數據有效期為一月，數據更新頻次為每十五分鐘刷新一次。數據保存方式為文本追加的方式，只在文檔末尾添加數據，不覆蓋文本原始數據。待通信網絡恢復后，文本數據可接受系統主站的指令，上傳到系統主站。
4結束語
本文主要為配網自動化系統中的設備提供了一套故障信息采集及展示方案，獨立于配網自動化系統外，不會增加原有的配網自動化系統的運行壓力，靈活應用了泛在電力物聯網技術，應用前景廣泛。
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