配电网智能网架分析研究

唐鹤，邱桂华

（广东电网有限责任公司佛山供电局，广东佛山 528000）

在大数据、物联网、云计算技术不断发展的过程中，虚拟化标准、技术与网络化共享服务基础架构也在不断地发展，以此要求配电系统朝着智能化通信发展。在云时代背景下，传统配网系统已经无法满足数字化需求，无线技术使配电网系统更加便捷、高效。LoRa 为基于无线传感网络与控制应用的通信技术，在空气中通过电磁波实现数据的发送与接收，不需要线缆介质就能够开展智能配电组网[1]。使用LoRa 通信技术结合无线技术创建的通信广域网、局域网存在各自的优势与劣势，主要问题就是无法实现信息精准性、全面性与远距离传输。LoRa 通信技术能够实现远距离与低功耗的优势，并且能简化系统组网，降低系统成本[2]。以此，文中研究了基于LoRa 技术的配电网智能网架设计。

1 智能配网系统总体设计

该文以LoRa 技术为基础设计了智能化配网系统结构，使用的服务器从下到上分为3 个层级配网，图1 为LoRa 智能配电系统架构。

图1 LoRa智能配电系统架构

通过图1 可以看出，用户终端要设置智能配电元件参数性能，必须利用云端服务器使参数与命令向下传输到集中器，之后通过集中器向下分发到相应的智能元件中[3]。智能配电元件数据到云端服务器传输的方式为：

其一，通过集中器根据一定时间循环周期收集数据，利用集中器存储器，通过服务器传输，并且实现数据的保存；

其二，利用用户终端手持机设备收集集中器的数据，之后利用终端手持机设备在服务器中传输数据；

其三，通过服务器单独上传配电智能元件数据。

通过以上LoRa 技术智能配电系统运行方案可以看出，此系统集中器能够实现信息的转发，所有系统都是通过此技术实现的，所以集中器设备维护与应急管理要设置相应的串口对接口进行调试[4]。

2 智能配网系统设计

2.1 系统硬件设计

2.1.1 通信接口设计

LPC2119 内部集成两个通用异步收发器单元和独立异步串行I/O 接口，也就是串口。此系统还使用UART0 串口通信，使用MAX3232 转换芯片转换RS232 电平，电压设置为3.3 V，图2 为MAX3232 电路的连接接口。该文系统在设计过程中使用RS232通信接口，主要目的就是配置系统参数，实现系统的维护，此为CAN 总线部分功能备份。利用RS232 接口对智能配电系统地址、智能配电模块信息、通信速率等进行检查[5]。

图2 MAX3232电路的连接接口

2.1.2 CAN总线接口电路

CAN 控制器为配电系统通信的重点，利用CAN收发器与控制器能够实现CAN 通信底层协议转换。针对CAN 总线通信控制器的不同型号，底层协议电路功能与接口都是相同的，但是微处理器接口方式与接口不同。该文所设计的CAN 总线系统智能节点的微处理器节点为LPC2119，在CAN 总线通信接口使用CTM1050T 总线接口模块[6]，图3 为CAN接口电路的结构。

图3 CAN接口电路的结构

通过图3 可知，电路主要包括CAN 收发器、微控制器LPC2119 和滤波保护电路。微处理器利用CTM1050T 对数据进行发送和接收，隔离内部电源电气，实现DC/DC 电源模块、CAN 收发器与高速光耦的集成，CTM1050T 能够隔离总线各CAN 节点电气，使用收发器降低体积和成本。CTM1050T 和CAN 总线接口均采用针对性的抗干扰与安全措施，CANL 与CANH 引脚利用5 Ω电阻通过滤波电感连接CAN 总线，电阻能够限流，避免CTM1050 过流冲击。CANH与CANL 和地并联两个30 pF 小电容，能够将高频干扰滤除，并且还能够防电磁辐射。两根CAN 总线接入端和地反接瞬态电压吸收保护二极管，在CAN 总线的电压比较高时，利用二极管瞬态击穿时具备过电压保护作用，避免损坏接收器[7]。

2.1.3 SA9904B处理器引脚设计

图4 为SA9904B 的引脚，VDD 为电源正极，GND为模拟地，在利用分流电阻检测电力时，和+25 V 电压相互连接。在利用电流互感器的时候，和+5 V 电压连接。VSS 为电源负极，在利用分流电阻检测电流与检测-25 V 电压时，要求与0 V 电压连接。IVP指的是三相模拟电压采样接入端，在额定电压为测量电压的时候，要求设置输入内部A/D 转换器电流有效值为14。IIP 指的是三相模拟电流采样输入端，在测量电压设置为额定电流的时候，要求输入芯片A/D 转换器电流有效值为16 A。VREF 指的是参考电源外接电阻端，一般和47 kΩ电阻相互连接。F50为电压过零脉冲输出端，输出脉冲频率为交流电压频率[8]。

图4 SA9904B的引脚

2.2 系统的软件设计

2.2.1 上位机通信软件

上位机软件主要包括MODBUS 协议、串口通信、组态软件三部分。系统使用PCAUTO 组态软件，此组态软件为面向方案的监控和数据收集平台软件。其使用Windoes 平台、I/O 驱动和现场设备相互连接，并且连接分布式实时数据库系统，能够和企业、工厂系统中的输入结合。利用此软件平台，能够实现故障查询、实时报警的功能[9]。

上位机MODBUS 协议软件的实现重点为初始化主设备串口，之后轮询设备层各站点，以0.5 s 为周期，将运行参数消息帧发送之后响应设备，假如超时就进行下一个，对设备响应消息正确性进行实时判断，不管是响应超时或者帧错误，都会出现错误，并且对错误进行显示和记录。在进行调试的过程中，如果三次轮询都出现错误，就会屏蔽该站点，直到调试人员重新调整。在首次读取协议规定参数的时候，如果系统运行正常，并且调整参数没有过载的时候，上位机周期为0.5 s，轮询参数消息帧[10]，图5 为上位机通信流程。

图5 上位机通信流程

2.2.2 设备通信软件

使用MODBUS 协议模式实现设备通信，要对协议要求消息帧时间间隔问题进行处理，要求在消息帧起始与停止位间隔在3.5 字符左右，在传输消息帧数据过程中，使两个数据间隔在1.5 字符以下。时间计算精准，使用一个固定定时器实现此工作[11]。设备上电过程中初始化串口，利用中断方式对串口进行事件检测，在消息接收的时候会出现中断情况。接收完整消息帧后，以MODUS 协议解析消息帧，首先对地址是否相符进行判断，如不相符，就不回应主设备；如相符，就要校验此消息，比如校验CRC 是否超时。如果错误就要发送响应消息帧，并且在主设备中返回；如果正确，就要对消息帧解析，并且以响应的要求对参数回应[12]。图6 为设备通信的结构流程。

图6 设备通信的结构流程

2.2.3 组态数据流的设计

组态王基本组件包括人机界面、区域数据库DB与FO 服务程序。数据流的过程为：在配置连接项之后，硬件是设备寄存器利用VO 通信收集点参数，实现数据库变量组态之后，点参数在数据库变量中自动映射，从而实现数据的收集。

组态王和I/O 设备的数据交换方式为OPC 方式、适配器方式、网络节点方式、板卡方式、串行通信方式等。针对不同协议通信中I/O 设备，组态王能够实现针对性I/O 驱动程序，实时数据库根据I/O 驱动器能够收集执行数据[13]。实时数据库和I/O 驱动程序创建服务器/客户结构模式，一台运行实时数据库计算机利用多个I/O 驱动程序和任意多台I/O 设备相互连接。不管是哪种设备，都要了解到设备和此点物理通道编制方式。在配置I/O 设备后，通过浏览器目录树将I/O 设备数据源列出，然后利用配置设备名称连接数据。在投入数据使用之后，组态王利用内部管理程序执行相应I/O 驱动程序，并且和I/O 设备实时数据进行交换。

2.2.4 三维图形显示设备运行信息

智能网架能够调度三维图形方式进行显示，比如节点电容无功投入的情况。无功出力通过柱状图显示，利用柱子高低表示出力大小。柱子长度为无功容量，柱子包括两端，下部分长度为目前无功出力，上部分指的是裕量。将鼠标移动到某个柱子的时候，系统通过数字方式显示所有指标。变压器负载用柱状图表示，柱子长度指的是变压器容量，柱子下部分指的是目前负载，上部分指的是负载裕量[14]。

2.2.5 故障隔离的设计

智能化配电网系统利用硬件与软件的结合，从而实现故障隔离。在某个负载出现过流或者短路故障的时候，系统利用硬件电路自动切断故障负载，避免对配电系统造成影响。故障隔离硬件电路为系统主要构成，也就是I2t 反时限与短路保护电路。比如+B1 支路，系统利用电流监测器INA196 得到此支路电流值，传送到保护电路中。保护电路由比较电路与积分电路构成，短路保护电路由比较电路构成，为此电路设置不同的阈值，在支路电流超过设置阈值的时候，比较电路能够实现故障信号的输出。I2t保护电流故障信号与短路保护故障信号利用二极管隔离之后，实现故障信号的输出，对支路MOS 管关断进行控制，从而切断故障负载，并且加以隔离。在负载因为故障切断隔离之后，FPGA 会间隔性地隔离发送故障负载加电指令，从而对系统进行重构[15-20]。

3 结束语

该文对基于LoRa 无线网络技术的智能配电网结构的设计进行分析，此系统具有较高的可靠性，并且控制较为灵活，能够使电力系统电缆简化，降低电缆网重量，实现配电系统智能化的设计，实现配电系统的重构与故障隔离。通过此系统，能够使配电系统自动化水平得到提高，并且方便变电站无人值守，有效节约人力成本，提高配电网智能原件保护水平。