基于ARM9的一種新型饋線自動(dòng)化終端設(shè)計(jì)

摘要：為提高饋線自動(dòng)化的水平，提出了基于ARM9處理器的一種新型饋線自動(dòng)化終端設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了饋線終端的遙調(diào)、遙測(cè)、遙信、遙控功能。測(cè)試結(jié)果表明，該裝置數(shù)據(jù)采集速度快、精度高，無線通信可靠穩(wěn)定，滿足現(xiàn)代配網(wǎng)自動(dòng)化要求。

引言

隨著智能電網(wǎng)研究的興起和城鄉(xiāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化提出了更高的要求。具有選擇性、能快速切除故障、具備故障自愈能力的饋線終端(Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU)成為研究熱點(diǎn)。參考文獻(xiàn)中基于數(shù)字處理器DSP，參考文獻(xiàn)中應(yīng)用ARM與DSP分別開發(fā)設(shè)計(jì)了饋線自動(dòng)化終端裝置。

上述參考文獻(xiàn)采用不同的處理器，使用不同的技術(shù)，設(shè)計(jì)了配電網(wǎng)饋線終端，但所設(shè)計(jì)裝置存在著成本高、配置靈活性低和安裝布線困難等問題。ARM微處理器具有較強(qiáng)的處理能力，運(yùn)算速度快、性能高、功耗低、成本低、體積小，是饋線終端核心控制器件的首選。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是新一代信息技術(shù)的重要部分，具有廣闊的應(yīng)用前景，可以實(shí)現(xiàn)饋線終端數(shù)據(jù)無線通信。新型能源太陽能無污染、可再生、成本低，使用太陽能是一個(gè)必然的趨勢(shì)。

1 FTU整體設(shè)計(jì)方案

饋線自動(dòng)化系統(tǒng)是對(duì)配電線路上的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視、協(xié)調(diào)及控制的一個(gè)集成系統(tǒng)，由3部分組成：饋線終端(FTU)、監(jiān)測(cè)子站和監(jiān)控中心。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

監(jiān)測(cè)線路上的FTU負(fù)責(zé)采集配電線路的電量信息，對(duì)柱上開關(guān)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，并把配電線路及柱上開關(guān)的信息通過射頻網(wǎng)絡(luò)匯聚到監(jiān)測(cè)子站，監(jiān)測(cè)子站則發(fā)揮數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的作用，利用3G路由器的DTU功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。

配電主站實(shí)時(shí)接收FTU終端采集的信息數(shù)據(jù)包，并對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示、存儲(chǔ)、故障判定等，并且實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心遠(yuǎn)程控制柱上開關(guān)閉合等控制功能。

2 饋線終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

饋線終端FTU的主要任務(wù)是采集配電線路電量信息、監(jiān)測(cè)控制柱上開關(guān)狀態(tài)，通過射頻網(wǎng)絡(luò)把實(shí)時(shí)信息發(fā)送到監(jiān)測(cè)子站以及接收與處理上位機(jī)發(fā)送的控制命令。針對(duì)上述要求，本終端應(yīng)具有以下功能：實(shí)時(shí)電量信息采集及監(jiān)測(cè)功能、柱上開關(guān)控制與狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)功能、無線通信功能。根據(jù)以上功能分析，結(jié)合裝置本身的可靠性和可擴(kuò)展性的要求，硬件設(shè)計(jì)采用可組態(tài)的模塊化設(shè)計(jì)，其中硬件結(jié)構(gòu)包括CPU控制模塊、電量采集模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、無線通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及電源模塊等幾部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 雙電源可切換電源模塊

FTU采用雙電源供電模式，在系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，通過PT獲取AC220 V為系統(tǒng)提供24 V、5 V電源;在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)切換到備用電源模式。

FTU終端的備用電源采用太陽能充電的鋰電池，通過把兩塊12 V電池串聯(lián)獲取24 V直流工作電源(柱上開關(guān)的操作電壓)，在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)為FTU終端提供供電時(shí)，還能保證對(duì)柱上開關(guān)至少3次分合閘操作的能量，從而保證電力系統(tǒng)供電的可靠性。饋線終端的供電電壓為DC5 V，DC24 V電壓經(jīng)WD15—24D05C1和WD15—24S05C1的DC/DC模塊轉(zhuǎn)換為±5 V，為CPU控制模塊和其他模塊供電，電源轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

2.2 實(shí)時(shí)電量及開關(guān)狀態(tài)采集模塊

電量采集模塊使用的是炬力公司的三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022B，ATT7022B集成了6路二階sigmadelta、ADC、參考電壓電路、所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理等電路，能夠測(cè)量各相以及合相的有功、無功及視在功率，同時(shí)還能測(cè)量各相電流、電壓有效值以及功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)。ATT7022B提供一個(gè)SPI接口，方便與CPU控制模塊進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞，所有計(jì)量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。

實(shí)際上FTU電量采集通過ATT7022B完成，而ARM芯片承擔(dān)各種通信接口、人機(jī)接口和I/O控制等外圍工作，這樣可以降低軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，有效縮短數(shù)字濾波和傅立葉變換的計(jì)算時(shí)間。另外，S3C2440A可支持嵌入式操作系統(tǒng)Linux，將各種通信功能、人機(jī)接口功能和I/O控制功能轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)并發(fā)運(yùn)行的多個(gè)任務(wù)，由Linux進(jìn)行任務(wù)管理和狀態(tài)切換，不僅提高了軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，而且可以有效管理ARM采集的各種信息，滿足配電系統(tǒng)對(duì)FTU功能的多樣化和智能化需求。

柱上開關(guān)狀態(tài)信號(hào)采集模塊功能是將各種柱上開關(guān)量狀態(tài)信號(hào)通過光電隔離電路和并行接口電路送入CPU模塊。配電網(wǎng)電力系統(tǒng)的狀態(tài)信息主要涵蓋保護(hù)信號(hào)、自動(dòng)裝置的動(dòng)作狀態(tài)、隔離開關(guān)的位置狀態(tài)以及系統(tǒng)、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等。所述的狀態(tài)信息都可以轉(zhuǎn)換為輔助觸點(diǎn)或者繼電器的觸點(diǎn)位置信號(hào)。因此，只要采集觸點(diǎn)開關(guān)位置信息就可以實(shí)現(xiàn)柱上開關(guān)狀態(tài)信號(hào)的采集工作。

柱上開關(guān)狀態(tài)信號(hào)采集模塊和控制信號(hào)輸出模塊是單獨(dú)設(shè)計(jì)的，兩個(gè)模塊各自擁有獨(dú)立的回路。為了確保采集的柱上開關(guān)狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性和可靠性，在電路中加入了光電隔離元件以采取必要的隔離措施，并且防止干擾信號(hào)經(jīng)采集模塊進(jìn)入監(jiān)測(cè)終端中。柱上開關(guān)狀態(tài)采集電路如圖4所示。

2.3 輔助硬件組成部分

饋線自動(dòng)化系統(tǒng)遙信輸入、遙控輸出電路主要是完成狀態(tài)信號(hào)的輸入/輸出，包括柱上開關(guān)的開合、遠(yuǎn)方/當(dāng)?shù)貭顩r、通信是否正常、蓄電池投入狀況、外部電源失電以及儲(chǔ)能完成情況等。主控芯片S3C2440擁有大量的接口資源，經(jīng)過光電隔離措施，可實(shí)現(xiàn)16路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出，滿足遙信和遙控需要。

存儲(chǔ)部分主要記錄配電線路發(fā)生故障時(shí)的電流、電壓及柱上開關(guān)的開合狀態(tài)。

3 饋線監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)FTU需實(shí)現(xiàn)的功能，結(jié)合硬件電路，編寫下位機(jī)程序，下位機(jī)程序的流程如圖5所示。在程序中設(shè)置兩個(gè)中斷，一個(gè)是串口接收中斷，用來接收控制中心的命令字，另一個(gè)是定時(shí)器中斷，用來定時(shí)查詢開關(guān)的狀態(tài)信息。

FTU系統(tǒng)通過ATT7022B實(shí)現(xiàn)電量采集，需對(duì)ATT7022B進(jìn)行校表，校表流程如圖6所示。

為了確保A/B/C三相電流矢量和有效值參數(shù)的精度，在進(jìn)行電流有效值的校正時(shí)，將ATT7022B的電流有效值校正到N×Ib左右，外部MCU從ATT7022B讀取到電流有效值后只需要將其除以N，真值N的確定方法是將N×Ib盡量接近60 A。

4 監(jiān)控中心系統(tǒng)管理軟件

監(jiān)控中心系統(tǒng)管理軟件采用基于.NET框架的C#開發(fā)，遵循模塊化的標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)功能為基礎(chǔ)，輔以易于升級(jí)維護(hù)、操作方面、界面簡(jiǎn)約大方等原則。監(jiān)控中心系統(tǒng)管理軟件的主要功能如下：

◆TCP協(xié)議遠(yuǎn)程通信;

◆FTU界面設(shè)計(jì)與配置;

◆數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收與處理;

◆遠(yuǎn)程控制功能;

◆FTU故障處理;

◆其他參數(shù)設(shè)定與存儲(chǔ)。

采用C/S結(jié)構(gòu)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把一區(qū)域的饋線監(jiān)測(cè)終端作為客戶端，監(jiān)控中心作為服務(wù)器端，通過套接字socket實(shí)現(xiàn)雙向通信;模擬FTU的分布狀況，使用GDI+繪圖工具實(shí)現(xiàn)FTU的界面設(shè)計(jì)與配置;監(jiān)控中心將獲取的電量和開關(guān)狀態(tài)信息動(dòng)態(tài)顯示、實(shí)時(shí)存儲(chǔ);對(duì)于異常電量信息，系統(tǒng)進(jìn)行故障類型判定與報(bào)警。

另外，系統(tǒng)管理軟件還實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)校時(shí)、FTU參數(shù)的配置、歷史數(shù)據(jù)的查詢、繪制曲線圖和打印報(bào)表等功能。

5 系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用效果

對(duì)饋線終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、通信測(cè)試，保證了產(chǎn)品的硬件、軟件設(shè)計(jì)的可靠性。在蘇州xxxx電氣公司工程師的幫助下，通過10 kV逆變器產(chǎn)生10 kV高壓，經(jīng)過10：0.1的PT連接到電量采集口;由于此裝置沒有負(fù)載，所以試驗(yàn)中的電流測(cè)試使用電流小車實(shí)現(xiàn)模擬測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)安置2個(gè)FTU終端，測(cè)試結(jié)果表明，該裝置數(shù)據(jù)采集速度快、精度高，其采集數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量結(jié)果基本一致。

系統(tǒng)管理軟件正常監(jiān)測(cè)界面如圖7所示，由于試驗(yàn)中只接入兩相電壓，所以監(jiān)控界面報(bào)警，符合預(yù)期情況。

結(jié)語

本文開發(fā)的基于ARM處理器的饋線終端，具有實(shí)時(shí)電量采集、處理、存儲(chǔ)、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制、電源電壓監(jiān)測(cè)、無線通信等功能。采用無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，擺脫了有線困擾，節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀?，提高了設(shè)備的靈活性和抗干擾性;使用太陽能供電，避免因線路故障造成FTU監(jiān)測(cè)終端無法工作;探討了改進(jìn)的故障定位算法。基于ARM的FTU能很好地滿足配電網(wǎng)自動(dòng)化的實(shí)時(shí)、可靠和智能化的要求。