基于ARM9的一種新型饋線自動化終端設(shè)計

張輝，胡鋼，王花榮

(1.河海大學 物聯(lián)網(wǎng)工程學院，常州 213022; 2.蘇州市華東電網(wǎng)電氣有限公司)

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基于ARM9的一種新型饋線自動化終端設(shè)計

張輝1，胡鋼1，王花榮2

(1.河海大學 物聯(lián)網(wǎng)工程學院，常州 213022; 2.蘇州市華東電網(wǎng)電氣有限公司)

摘要:為提高饋線自動化的水平，提出了基于ARM9處理器的一種新型饋線自動化終端設(shè)計，實現(xiàn)了饋線終端的遙調(diào)、遙測、遙信、遙控功能。測試結(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)自動化要求。

關(guān)鍵詞:ARM9；饋線終端；自動化；配電網(wǎng)

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，對配電網(wǎng)自動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[1]。參考文獻[2]中基于數(shù)字處理器DSP，參考文獻[3]中應(yīng)用ARM與DSP分別開發(fā)設(shè)計了饋線自動化終端裝置。

參考文獻上述采用不同的處理器，使用不同的技術(shù)，設(shè)計了配電網(wǎng)饋線終端，但所設(shè)計裝置存在著成本高、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，是饋線終端核心控制器件的首選[4]。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，可以實現(xiàn)饋線終端數(shù)據(jù)無線通信[5]。新型能源太陽能無污染、可再生、成本低，使用太陽能是一個必然的趨勢[6]。

1FTU整體設(shè)計方案

饋線自動化系統(tǒng)是對配電線路上的設(shè)備進行遠程實時監(jiān)視、協(xié)調(diào)及控制的一個集成系統(tǒng)，由3部分組成：饋線終端(FTU)、監(jiān)測子站和監(jiān)控中心。其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)測線路上的FTU 負責采集配電線路的電量信息，對柱上開關(guān)進行監(jiān)測與控制，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)測子站，監(jiān)測子站則發(fā)揮數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的作用，利用3G路由器的DTU功能實現(xiàn)遠程傳輸。

配電主站實時接收FTU終端采集的信息數(shù)據(jù)包，并對實時數(shù)據(jù)包進行解包、校驗、數(shù)據(jù)動態(tài)顯示、存儲、故障判定等，并且實現(xiàn)監(jiān)控中心遠程控制柱上開關(guān)閉合等控制功能。

2饋線終端結(jié)構(gòu)設(shè)計

饋線終端FTU 的主要任務(wù)是采集配電線路電量信息、監(jiān)測控制柱上開關(guān)狀態(tài)，通過射頻網(wǎng)絡(luò)把實時信息發(fā)送到監(jiān)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(yīng)具有以下功能：實時電量信息采集及監(jiān)測功能、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展性的要求，硬件設(shè)計采用可組態(tài)的模塊化設(shè)計，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)存儲模塊及電源模塊等幾部分，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2　硬件原理結(jié)構(gòu)框圖

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，自動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)故障時為FTU終端提供供電時，還能保證對柱上開關(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。

圖3　電源轉(zhuǎn)換電路

2.2實時電量及開關(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量芯片ATT7022B，ATT7022B集成了6路二階sigma-delta、ADC、參考電壓電路、所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路，能夠測量各相以及合相的有功、無功及視在功率，同時還能測量各相電流、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SPI接口，方便與CPU控制模塊進行計量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞，所有計量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。

實際上FTU電量采集通過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(shè)計的復(fù)雜度，有效縮短數(shù)字濾波和傅立葉變換的計算時間。另外，S3C2440A可支持嵌入式操作系統(tǒng)Linux，將各種通信功能、人機接口功能和I/O控制功能轉(zhuǎn)化為實時并發(fā)運行的多個任務(wù)，由Linux進行任務(wù)管理和狀態(tài)切換，不僅提高了軟件系統(tǒng)的實時性，而且可以有效管理ARM采集的各種信息，滿足配電系統(tǒng)對FTU功能的多樣化和智能化需求。

柱上開關(guān)狀態(tài)信號采集模塊功能是將各種柱上開關(guān)量狀態(tài)信號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)信息主要涵蓋保護信號、自動裝置的動作狀態(tài)、隔離開關(guān)的位置狀態(tài)以及系統(tǒng)、設(shè)備的運行狀態(tài)等。所述的狀態(tài)信息都可以轉(zhuǎn)換為輔助觸點或者繼電器的觸點位置信號。因此，只要采集觸點開關(guān)位置信息就可以實現(xiàn)柱上開關(guān)狀態(tài)信號的采集工作。

柱上開關(guān)狀態(tài)信號采集模塊和控制信號輸出模塊是單獨設(shè)計的，兩個模塊各自擁有獨立的回路。為了確保采集的柱上開關(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)采集模塊進入監(jiān)測終端中。柱上開關(guān)狀態(tài)采集電路如圖4所示。

圖4　開關(guān)狀態(tài)采集電路

2.3輔助硬件組成部分

饋線自動化系統(tǒng)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，包括柱上開關(guān)的開合、遠方/當?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。

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

3饋線監(jiān)測終端軟件設(shè)計

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

圖5　下位機程序流程

FTU系統(tǒng)通過ATT7022B實現(xiàn)電量采集，需對ATT7022B進行校表，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，在進行電流有效值的校正時，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。

圖6　校表流程

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)，遵循模塊化的標準，以實現(xiàn)功能為基礎(chǔ)，輔以易于升級維護、操作方面、界面簡約大方等原則。監(jiān)控中心系統(tǒng)管理軟件的主要功能如下：

◆ TCP協(xié)議遠程通信；

◆ FTU界面設(shè)計與配置；

◆ 數(shù)據(jù)實時接收與處理；

◆ 遠程控制功能；

◆ FTU故障處理；

◆ 其他參數(shù)設(shè)定與存儲。

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實現(xiàn)雙向通信；模擬FTU的分布狀況，使用GDI+繪圖工具實現(xiàn)FTU的界面設(shè)計與配置；監(jiān)控中心將獲取的電量和開關(guān)狀態(tài)信息動態(tài)顯示、實時存儲；對于異常電量信息，系統(tǒng)進行故障類型判定與報警。

另外，系統(tǒng)管理軟件還實現(xiàn)了自動校時、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表等功能。

5系統(tǒng)測試與應(yīng)用效果

對饋線終端進行數(shù)據(jù)采集、通信測試，保證了產(chǎn)品的硬件、軟件設(shè)計的可靠性。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；由于此裝置沒有負載，所以試驗中的電流測試使用電流小車實現(xiàn)模擬測試?，F(xiàn)場安置2個FTU終端，測試結(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)與實際測量結(jié)果基本一致。

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

圖7　系統(tǒng)管理軟件主界面

結(jié)語

本文開發(fā)的基于ARM 處理器的饋線終端，具有實時電量采集、處理、存儲、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測與控制、電源電壓監(jiān)測、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)某杀荆岣吡嗽O(shè)備的靈活

[1] 潘運濤, 原明亭．網(wǎng)絡(luò)化雜散電流檢測儀設(shè)計[J]．自動化儀表, 2007, 28(9):186-189．

[2] 胡福年．基于DSP的饋線自動化遠方終端研究[J]．繼電器，2006，34(11): 78-82．

[3] 王焱, 牟昊楠，楊曉偉，等.基于ARM和DSP的電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2014(10):45-50.

[4] 李港, 朱大奇，顏明重. 基于ARM 的水下機器人通信與控制器研制[J].自動化與儀表,2010(3):4-6.

[5] 陳冠升, 胥布工. 基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的饋線終端設(shè)計[J].低壓電器,2010(21):29-32.

[6] 司敏山, 高藝. 基于太陽能的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].無線通信技術(shù)，2010(2):57-60.

張輝(碩士研究生)，研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

(責任編輯：楊迪娜收修改稿日期：2015-11-17)

New Feeder Automation Terminal Based on ARM9

Zhang Hui1,Hu Gang1,Wang Huarong2

(1.College of IoT Engineering,Hohai University,Changzhou 213022，China;2.Suzhou East China Electric Network Electrial Co.，Ltd.)

Abstract：In order to improve the level of feeder automation,a new kind of feeder terminal unit based on ARM9 is proposed,which realizes functions such as telemetering,telecontrol,remote signalling and remote regulating.The test results show that the device has high data acquisition speed,high precision,and high reliability of wireless communication,thus it satisfies the automation demands of modern power grid．

Key words:ARM9;FTU;Automation;Power Grid

中圖分類號:TP273

文獻標識碼:A