本文摘要：摘要：配网自动化系统为配网带来了可靠性、供电质量、经济效益和服务水平等的提升，同时也对自动化系统的日常维护和巡检提出了更高要求。利用信息化手段采集并获取变配电站的UPS不间断电源设备、DTU设备的运行状态及故障信息，感知配网自动化运行状态。并在
摘要：配网自动化系统为配网带来了可靠性、供电质量、经济效益和服务水平等的提升，同时也对自动化系统的日常维护和巡检提出了更高要求。利用信息化手段采集并获取变配电站的UPS不间断电源设备、DTU设备的运行状态及故障信息，感知配网自动化运行状态。并在此基础上，利用移动终端与互联网等技术为配网设备检修单位提供快速高效的故障检索服务。该装置的应用和推广能提高配网自动化的智能化水平，大幅度减轻设备运维人员的工作量。
关键词：物联网,故障监控,规约解析,数据平台
配网自动化系统为配网带来了可靠性、供电质量、经济效益和服务水平等的提升，同时也对自动化系统的日常维护和巡检提出了更高要求。与输电网络不同，配电网自动化系统的设备数量巨大，位置分散，运行环境问题对设备正常运行的影响也更加突出。在供电公司的部门安排中，配网自动化系统的建设和使用部门是调度部门。
对于传统调度自动化系统中故障的处理，通常需要通过配网自动化系统主站发现设备故障信息(如通信中断)，然后通过传统的人工现场定位并处理的管理维护方法。由于配电网设备数量巨大，虽然在理想状况下，可以通过配置站端设备将故障以遥测、遥信点的方式，采集站内具体故障点，并纳入主站管理。但是由于部门管理范围、实际执行效率等多方面原因，对于配网系统中的自动化设备故障，调度部门(人员较少，主要重点是变电业务)或运检部门(配网设备的运维部门)都未将相关配网故障信息纳入实际运行管理过程当中。
这造成了当配电网自动化设备发生故障时，调度部门的少量人员面对于海量的配网故障提示信息，无法实现具体甄别处理，同时也不能及时通知运检部门。而缺少数据和系统支持的运检部门也由于无法获取具体故障原因，只能通过现场检修方法对故障进行排查。考虑到配电网的巨大体量，通常采用定期巡检的方式进行运维。
这种方式难以及时准确定位和排查故障设备，造成配网自动化系统存在的大量故障无法及时得到解决，从而无法对配网自动化系统进行有效维护。本项目针对上述需求，试图通过信息化手段，利用移动互联网及无联网等技术，采集并获取配电网相关设备的运行状态及故障信息，为电网运行及检修单位，提供快速、便捷、高效的故障检索及故障提示服务。
1系统设计
1.1系统结构设计
系统采用Web网页及移动页面技术为管理人员、运检提供系统访问。考虑到配网设备的数量规模，按照功能及运行条件，系统分为现场采集层、物联服务层。
1.2现场采集层
包含采集节点和各类被监测设备：安装在站点内，通过干接点、RS232/485方式采集被测设备(配网自动化设备以及UPS)的故障状体信息，并通过(专用)3G/4G网络与交换服务节点通信，实现配置和数据交换业务。按照站点规模，分为K站装置、P/W站装置等型号。
K型站装置：采用x86架构的一体式工控机设备，安装在K型站配网自动化屏柜内，具有一定的数据计算、通信及存储能力，在满足基础任务的情况下，为今后其他巡检系统或设备的接入提供基础平台。P/W型站装置：采用Arm架构的树莓派单板机，直接安装在P/W型站内，用于收集站内(箱内)设备数据采集，实现采集数据的缓存及上传。装置能够通过接收远端发来的管理及配置命令，满足实施配置需求。
1.3物联服务层
由于采用移动数据网络，采集装置不具有固定的通信地址，同时在某些环境，装置之间不能直接进行通信和数据交换。物联服务层为现场采集提供数据交换、信息加工和展示服务，包含交换服务节点和信息服务节点。交换服务节点：实现物联网环境下的可靠数据交换机制，为采集节点的接入提供服务。
服务节点运行于专用网络内，采用固定IP地址，实现采集装置的注册及查询，并提供数据交换服务能力。信息服务节点：作为信息服务网关，为使用工作站、移动终端的用户提供Web网页以及移动页面服务，实现故障管理业务。服务节点采用多台通用x86服务器组成服务器组，具有强大的数据处理及存储能力，实现数据通信、处理、存储，故障业务处理，用户消息通知及展示(网页服务、移动信息服务)业务。
2硬件设计方案
2.1嵌入式操作系统
嵌入式操作系统即为了方便嵌入式开发人员工作而开发的一种稳定、安全的软件模块集合，用来实现对存储器分配进行管理，中断处理，任务之间互相通信和完成定时器任务，以及实现多线程多任务处理等。嵌入式操作系统的开发很大程度上推进了嵌入式系统的发展，嵌入式操作系统具有强大的API支持，提高软件设计效率，它在任务间互相切换，调度、通信、数据同步、时钟管理和任务中断管理为软件设计人员提供极大便利。与一般操作系统相比，它的设计更具备专业性，其效率由和核心程序决定。
嵌入式操作系统有以下几个特点：1)系统内核小，开销小，效率高，并可用于各种非计算机设备;2)开放性源代码、体系结构设计科学;3)具备较强实时性强，可用于各种设备控制当中;3)适合进行硬件设计和开发;5)操作简单方便;6)支持各种流行的网络协议。
2.2ARM9核心板功能分析
ARM9具有丰富的外设集和工业应用需要的高速通信接口，该系列处理器能够满足数据的高速采集和快速处理，该系列处理器能够运行Linux操作系统，利用Linux操作系统可以实现软件系统特殊功能的开发和使用。该核心板可满足集中器对数据采集和存储的要求，主要包含外围I/O电路，DI、DO、RS232、RS485等接口。串行通信接口电路，包括RS232、RS485等，所有接口电路均为隔离接口，并具有抗瞬变干扰设计。
提供2个网络通信接口电路，接口电路为隔离接口，并有抗瞬变干扰设计。SD卡接口用于数据存储：提供8路数字量输入(DI)接口，DI信号经入口电路后，再经隔离到中控芯片。DI入口电路具有抗干扰设计，如瞬变管、压敏电阻保护等。
2.3系统时钟电路设计
为了保证采集器时间精度，保证采集器与系统主站的时间一致性。配置ARM核心的独立的时钟电路。时钟电路包括CPU时钟和RTC时钟。CPU时钟电路采用外部有源晶振Y3产生12MHz的时钟频率，经过内核芯片内部锁相环倍频电路，将外部输入的时钟倍频到系统各个设备所需要的时钟。
2.4串口通信电路设计
RS232是全双工通信模式的异步串行传输数据的标准接口。其特点是标准化时间较早，因为这个原因也就难免有不足之处，其逻辑电平为负逻辑关系，传输距离有限等。RS485是半双工通信模式的异步串行传输的标准接口。
与RS232相比，解决了传输距离和点对多点的数据传输方式，更易于组网。其特点是采用了查分信号逻辑电平，接口电平比RS232有明显的降低，这样损坏入口芯片的概率就降低了，且该逻辑电平与TTL电平兼容，可方便地与TTL电路连接。串行通信接口采用MAX232和MAX485芯片，将ARM输出TTL电平转换为RS232电平或RS485电平。系统配置4路RS232/485通信接口，每个通信回路设置独立的电磁兼容保护电路，并可通过跳线选择工作模式。
2.5I/O端口电路设计
2.5.1I/O端口概述
数字量信号指自变量是离散的、因变量也是离散的信号，这种信号的自变量用整数表示，因变量用有限数字中的一个数字来表示。由于数字信号是用两种物联状态来表示0和1的，故其抵抗本身干扰和环境干扰的能力都比模拟信号强很多。在现代技术的信号处理中，数字信号发挥的作用越来越大，基本上复杂的信号处理都离不开数字信号。
模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。模拟信号传输过程中，先把信息信号转换成几乎一模一样的波动电信号，再通过有线或无线的方式传输出去，电信号被接受下来后，通过接收设备还原成信息信号。
2.5.2I/O端口电路
(1)数字量信号输入在数字量输入端，通过光耦进行隔离防护处理，分压电阻和分流电阻要选取合适的阻值，来得到输入信号的电压阈值。数字量输入电压信号通过光耦隔离之后，将信号传入核心板。
(2)数字量信号输出在数字量输出的隔离部分选用了PS2801光耦隔离器，信号通过PS2801后输入下一级。
2.6以太网通信芯片
数据采集器采用通用以太网接口芯片DM9000来实现以太网通信，DM9000是一款完全集成的和符合成本效益单芯片快速以太网MAC控制器与一般处理接口，一个10/100M自适应的PHY和4KDWORD值的SRAM。它在低功耗和高性能进程的3.3V和5V的支持宽容。DM9000支持8位、16位和32位接口访问内部存储器，以支持不同的处理器，DM9000物理协议层接口完全适应10MBps下3类、4类、5类非屏蔽双绞线和100MBps下5类非屏蔽双绞线，完全符合IEEE802.3u规格，它的自动协调功能将自动完成配置以最大限度地适合其线路带宽。
DM9000芯片具有以下特点：1)支持处理器以字节/字/双字的长度读写内部存储器的数据操作命令;2)集成10/100M自适应收发器;3)支持IEEE802.3x流量控制的全双工模式;4)4K双字SRAM;5)兼容3.3V和5V输入输出电压。
2.7频率测取和数据转换
物联网智能集中器对配网自动化设备的准确采样是准确获取检测设备信息量的关键，设计使用PT和CT对电网原边信号进行隔离降压。离散化的过程中采样频率的确定尤为重要，较高的采样频率会增加时间和空间开销，影响实时性，而过低的采样频率会造成数据丢失，使工作性能和稳定性下降。
采样点数由采样频率和FFT算法来约束，配网自动化终端设备采集信号时，需要采集至多16次谐波信号，而一个周期内至少均匀采集三个点，故一个周期内至少采集48个点。基于此设计采用时间抽取基二算法。为满足实时性要求，需采集配网自动化终端的实时工作频率。配网自动化设备输入的正弦波信号通过测量电路转换为同频率的方波信号，并将方波信号装入定时器，通过配置定时器及程序来完成工作频率的测量。
2.8频率提取
经采样得到离散信号后，需要对离散时间信号进行傅里叶变换，从中提取电压和电流有效值、基波分量等信息。首先选择所输入的数据，使用FFT算法对输入数据进行处理，获得谐波分量按照复数形式的表述，然后使用函数计算谐波的幅值和相位角。数据的采集和处理完成后，需要实现终端和设备间的数据通信。
3软件设计方案
3.1采集设备软件设计
采集器软件系统采用模块化结构，不同功能的单元分别设计成独立的任务，任务之间通过共享缓存的方式实现数据和状态信息的交换。软件包括综合管理单元、物联网通信单元、数据采集单元、存储管理单元和状态指示单元等模块。综合管理单元实现系统初始化和任务控制等功能，物联网通信单元实现与远程物联网单元通信，实现数据接收发送。数据采集单元实现与远程UPS设备通信获取设备数据，采集干节点信息。存储管理单元实现通信数据、设备数据、配置数据、对时数据的缓冲、共享和FLASH存储器读取、写入。
3.2系统异常处理
(1)数据采集异常物联网采集器采集数据之前会先对被采设备的状态进行查询，若设备状态异常，则上报被采设备信息和异常状态。若设备状态正常则完成正常的采集程序。当被采设备状态正常而数据为空时，物联网采集器将会轮询三次查询，若还未采集到数据，将上传故障码为0的正常状态信息，然后需要运维人员检查设备状态、采集器状态、网络状态等信息。
(2)网络传输异常当采集器内部未检测到网络传输成功标志时，物联网采集器将采集到的数据以文件的形式保存在采集器TF卡内部，文件命名格式为标准年月日格式，如“YYYY-mmdd”。当网络连通时，采集器再接受主站指令，将文件发送到系统主站。
(3)存储管理单元若发生通信故障，物联网采集器采集到的数据将以文件的形式保存到本地TF卡内，以天为单位建立新文件的方式保存，文件名称命名规范为年月日，数据有效期为一月，数据更新频次为每十五分钟刷新一次。数据保存方式为文本追加的方式，只在文档末尾添加数据，不覆盖文本原始数据。待通信网络恢复后，文本数据可接受系统主站的指令，上传到系统主站。
4结束语
本文主要为配网自动化系统中的设备提供了一套故障信息采集及展示方案，独立于配网自动化系统外，不会增加原有的配网自动化系统的运行压力，灵活应用了泛在电力物联网技术，应用前景广泛。
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