基于A(yíng)RM9的一種新型饋線(xiàn)自動(dòng)化終端設計

摘要：為提高饋線(xiàn)自動(dòng)化的水平，提出了基于ARM9處理器的一種新型饋線(xiàn)自動(dòng)化終端設計，實(shí)現了饋線(xiàn)終端的遙調、遙測、遙信、遙控功能。測試結果表明，該裝置數據采集速度快、精度高，無(wú)線(xiàn)通信可靠穩定，滿(mǎn)足現代配網(wǎng)自動(dòng)化要求。

引言

隨著(zhù)智能電網(wǎng)研究的興起和城鄉電網(wǎng)結構的不斷改進(jìn)，對配電網(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(xiàn)終端(Feeder Terminal Unit，FTU)成為研究熱點(diǎn)。參考文獻中基于數字處理器DSP，參考文獻中應用ARM與DSP分別開(kāi)發(fā)設計了饋線(xiàn)自動(dòng)化終端裝置。

上述參考文獻采用不同的處理器，使用不同的技術(shù)，設計了配電網(wǎng)饋線(xiàn)終端，但所設計裝置存在著(zhù)成本高、配置靈活性低和安裝布線(xiàn)困難等問(wèn)題。ARM微處理器具有較強的處理能力，運算速度快、性能高、功耗低、成本低、體積小，是饋線(xiàn)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，具有廣闊的應用前景，可以實(shí)現饋線(xiàn)終端數據無(wú)線(xiàn)通信。新型能源太陽(yáng)能無(wú)污染、可再生、成本低，使用太陽(yáng)能是一個(gè)必然的趨勢。

1 FTU整體設計方案

饋線(xiàn)自動(dòng)化系統是對配電線(xiàn)路上的設備進(jìn)行遠程實(shí)時(shí)監視、協(xié)調及控制的一個(gè)集成系統，由3部分組成：饋線(xiàn)終端(FTU)、監測子站和監控中心。其基本結構如圖1所示。

監測線(xiàn)路上的FTU負責采集配電線(xiàn)路的電量信息，對柱上開(kāi)關(guān)進(jìn)行監測與控制，并把配電線(xiàn)路及柱上開(kāi)關(guān)的信息通過(guò)射頻網(wǎng)絡(luò )匯聚到監測子站，監測子站則發(fā)揮數據轉發(fā)的作用，利用3G路由器的DTU功能實(shí)現遠程傳輸。

配電主站實(shí)時(shí)接收FTU終端采集的信息數據包，并對實(shí)時(shí)數據包進(jìn)行解包、校驗、數據動(dòng)態(tài)顯示、存儲、故障判定等，并且實(shí)現監控中心遠程控制柱上開(kāi)關(guān)閉合等控制功能。

2 饋線(xiàn)終端結構設計

饋線(xiàn)終端FTU的主要任務(wù)是采集配電線(xiàn)路電量信息、監測控制柱上開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)射頻網(wǎng)絡(luò )把實(shí)時(shí)信息發(fā)送到監測子站以及接收與處理上位機發(fā)送的控制命令。針對上述要求，本終端應具有以下功能：實(shí)時(shí)電量信息采集及監測功能、柱上開(kāi)關(guān)控制與狀態(tài)監控、數據處理與存儲功能、無(wú)線(xiàn)通信功能。根據以上功能分析，結合裝置本身的可靠性和可擴展性的要求，硬件設計采用可組態(tài)的模塊化設計，其中硬件結構包括CPU控制模塊、電量采集模塊、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、數據存儲模塊及電源模塊等幾部分，其結構如圖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，在系統正常運轉情況下，通過(guò)PT獲取AC220 V為系統提供24 V、5 V電源;在系統出現故障時(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(yáng)能充電的鋰電池，通過(guò)把兩塊12 V電池串聯(lián)獲取24 V直流工作電源(柱上開(kāi)關(guān)的操作電壓)，在電力系統出現故障時(shí)為FTU終端提供供電時(shí)，還能保證對柱上開(kāi)關(guān)至少3次分合閘操作的能量，從而保證電力系統供電的可靠性。饋線(xiàn)終端的供電電壓為DC5 V，DC24 V電壓經(jīng)WD15—24D05C1和WD15—24S05C1的DC/DC模塊轉換為±5 V，為CPU控制模塊和其他模塊供電，電源轉換電路如圖3所示。

2.2 實(shí)時(shí)電量及開(kāi)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(zhuān)用計量芯片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、功率因數以及頻率測量的數字信號處理等電路，能夠測量各相以及合相的有功、無(wú)功及視在功率，同時(shí)還能測量各相電流、電壓有效值以及功率因數、相角、頻率等參數。ATT7022B提供一個(gè)SPI接口，方便與CPU控制模塊進(jìn)行計量參數以及校表參數的傳遞，所有計量參數都可以通過(guò)SPI接口讀出。

實(shí)際上FTU電量采集通過(guò)ATT7022B完成，而ARM芯片承擔各種通信接口、人機接口和I/O控制等外圍工作，這樣可以降低軟件設計的復雜度，有效縮短數字濾波和傅立葉變換的計算時(shí)間。另外，S3C2440A可支持嵌入式操作系統Linux，將各種通信功能、人機接口功能和I/O控制功能轉化為實(shí)時(shí)并發(fā)運行的多個(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的實(shí)時(shí)性，而且可以有效管理ARM采集的各種信息，滿(mǎn)足配電系統對FTU功能的多樣化和智能化需求。

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

柱上開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號采集模塊和控制信號輸出模塊是單獨設計的，兩個(gè)模塊各自擁有獨立的回路。為了確保采集的柱上開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息的準確性和可靠性，在電路中加入了光電隔離元件以采取必要的隔離措施，并且防止干擾信號經(jīng)采集模塊進(jìn)入監測終端中。柱上開(kāi)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(xiàn)自動(dòng)化系統遙信輸入、遙控輸出電路主要是完成狀態(tài)信號的輸入/輸出，包括柱上開(kāi)關(guān)的開(kāi)合、遠方/當地狀況、通信是否正常、蓄電池投入狀況、外部電源失電以及儲能完成情況等。主控芯片S3C2440擁有大量的接口資源，經(jīng)過(guò)光電隔離措施，可實(shí)現16路數字量輸入和16路數字量輸出，滿(mǎn)足遙信和遙控需要。

存儲部分主要記錄配電線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)的電流、電壓及柱上開(kāi)關(guān)的開(kāi)合狀態(tài)。

3 饋線(xiàn)監測終端軟件設計

根據FTU需實(shí)現的功能，結合硬件電路，編寫(xiě)下位機程序，下位機程序的流程如圖5所示。在程序中設置兩個(gè)中斷，一個(gè)是串口接收中斷，用來(lái)接收控制中心的命令字，另一個(gè)是定時(shí)器中斷，用來(lái)定時(shí)查詢(xún)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)信息。

FTU系統通過(guò)ATT7022B實(shí)現電量采集，需對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 監控中心系統管理軟件

監控中心系統管理軟件采用基于.NET框架的C#開(kāi)發(fā)，遵循模塊化的標準，以實(shí)現功能為基礎，輔以易于升級維護、操作方面、界面簡(jiǎn)約大方等原則。監控中心系統管理軟件的主要功能如下：

◆TCP協(xié)議遠程通信;

◆FTU界面設計與配置;

◆數據實(shí)時(shí)接收與處理;

◆遠程控制功能;

◆FTU故障處理;

◆其他參數設定與存儲。

采用C/S結構，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把一區域的饋線(xiàn)監測終端作為客戶(hù)端，監控中心作為服務(wù)器端，通過(guò)套接字socket實(shí)現雙向通信;模擬FTU的分布狀況，使用GDI+繪圖工具實(shí)現FTU的界面設計與配置;監控中心將獲取的電量和開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息動(dòng)態(tài)顯示、實(shí)時(shí)存儲;對于異常電量信息，系統進(jìn)行故障類(lèi)型判定與報警。

另外，系統管理軟件還實(shí)現了自動(dòng)校時(shí)、FTU參數的配置、歷史數據的查詢(xún)、繪制曲線(xiàn)圖和打印報表等功能。

5 系統測試與應用效果

對饋線(xiàn)終端進(jìn)行數據采集、通信測試，保證了產(chǎn)品的硬件、軟件設計的可靠性。在蘇州xxxx電氣公司工程師的幫助下，通過(guò)10 kV逆變器產(chǎn)生10 kV高壓，經(jīng)過(guò)10：0.1的PT連接到電量采集口;由于此裝置沒(méi)有負載，所以試驗中的電流測試使用電流小車(chē)實(shí)現模擬測試?，F場(chǎng)安置2個(gè)FTU終端，測試結果表明，該裝置數據采集速度快、精度高，其采集數據與實(shí)際測量結果基本一致。

系統管理軟件正常監測界面如圖7所示，由于試驗中只接入兩相電壓，所以監控界面報警，符合預期情況。

結語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)的基于A(yíng)RM處理器的饋線(xiàn)終端，具有實(shí)時(shí)電量采集、處理、存儲、開(kāi)關(guān)狀態(tài)監測與控制、電源電壓監測、無(wú)線(xiàn)通信等功能。采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據傳輸技術(shù)，擺脫了有線(xiàn)困擾，節省了數據傳輸的成本，提高了設備的靈活性和抗干擾性;使用太陽(yáng)能供電，避免因線(xiàn)路故障造成FTU監測終端無(wú)法工作;探討了改進(jìn)的故障定位算法?；贏(yíng)RM的FTU能很好地滿(mǎn)足配電網(wǎng)自動(dòng)化的實(shí)時(shí)、可靠和智能化的要求。