基于無線通信的配網(wǎng)終端手持式調(diào)試儀的設(shè)計

王婭楠 陳鵬宙 王琳潔 吳施穎 朱鈺杰 戚楷文

（南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇南京 211100）

1概述

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，應(yīng)用智能化、自動化技術(shù)提高電力系統(tǒng)配網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、用戶的用電可靠性已是電力行業(yè)發(fā)展的必然途徑。其中，配網(wǎng)自動化技術(shù)的應(yīng)用是重要一環(huán)。配網(wǎng)自動化可以利用先進(jìn)的自動控制技術(shù)、計算機(jī)通信技術(shù)、電子技術(shù)等技術(shù)，實現(xiàn)在線實時監(jiān)管，實時收集配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，掌握電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息集成，并構(gòu)建完整的自動化電力管理系統(tǒng)[1]。配網(wǎng)自動化系統(tǒng)一般采用分布式結(jié)構(gòu)，依靠通信網(wǎng)絡(luò)將配網(wǎng)主站、子站和終端連接起來，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。配網(wǎng)自動化主站是配網(wǎng)監(jiān)控和管理系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)對整個配電網(wǎng)的監(jiān)視、控制和有效管理，從而使配電網(wǎng)處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)；配網(wǎng)子站起到一個上傳下達(dá)的溝通作用，采用多種通信方式向上與配網(wǎng)主站通信、向下與所屬配網(wǎng)終端通信；配網(wǎng)終端設(shè)備是配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的最底層，主要負(fù)責(zé)柱上開關(guān)、配電變壓器、環(huán)網(wǎng)柜、開閉所等一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的采集、處理及對一次設(shè)備的控制等功能。

饋線自動化終端( FTU )大多安裝于戶外桿塔上，采用串口或以太網(wǎng)調(diào)試，給運(yùn)維人員進(jìn)行設(shè)備調(diào)試、參數(shù)整定、程序更新等工作帶來很大不便。目前，市面上有的配電終端測試設(shè)備，如配電之星P-2200A2 配電自動化終端測試儀，可對配電自動化終端（FTU 、DTU、TTU、故障指示器）及饋線自動化（FA）進(jìn)行全功能測試，其具有簡潔直觀的操作界面，豐富全面的測試功能，穩(wěn)定高效的硬件平臺，整機(jī)設(shè)計便攜耐用。該測試儀提供網(wǎng)口，串口，USB，GPS，WiFi 等多種通訊接口。本文探討了一種手持式的配電終端的調(diào)試儀器，采用調(diào)試儀與配網(wǎng)終端進(jìn)行調(diào)頻配對，從而達(dá)到無線傳輸通信，能與配網(wǎng)終端進(jìn)行規(guī)約測試和保護(hù)整定值下發(fā)等功能，具有成本低廉、攜帶方便、簡單易用等特點，非常適合作為配電終端的調(diào)試手段。

2 手持式調(diào)試儀硬件設(shè)計

2.1 整體硬件結(jié)構(gòu)（圖1）

本次調(diào)試儀選用ALIENTEK 探索者STM32F407ZGT6 作為控制芯片，探索者STM32F407 是正點原子推出的一款基于ARM Cortex-M4 內(nèi)核的開發(fā)板，自帶1M 字節(jié)FLASH，并外擴(kuò)192K 字節(jié) SRAM，滿足基本的內(nèi)存需求。時鐘最高主頻為168Mhz，可以保障控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率。該開發(fā)板具有豐富的板載資源，開發(fā)板上現(xiàn)有114 個IO 口，其中通信接口多達(dá)17 個，可以進(jìn)行以太網(wǎng)、CAN、SPI、串口等方式通信，方便進(jìn)行各種外設(shè)開發(fā)。例如，我們在原有開發(fā)板的基礎(chǔ)上，插入無線通信模塊NRF24L01 卡，充分發(fā)揮了開發(fā)板的無線通信功能。

另外，本次調(diào)試儀選用一塊10000mA 的充電寶作為電源，再經(jīng)過電壓電流變換轉(zhuǎn)換為開發(fā)板STM32 正常的工作電壓、電流。放置在調(diào)試儀手柄內(nèi)，節(jié)省空間。整個調(diào)試儀采用塑料外殼封裝，防摔、防水，便于攜帶。

圖1 整體硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 無線通信模塊（圖2）

無線通信模塊即NRF24L01 是NORDIC 公司生產(chǎn)的一款無線通信通信芯片，采用FSK 調(diào)制，內(nèi)部集成NORDIC 自己的Enhanced Short Burst 協(xié)議。可以實現(xiàn)點對點或是1 對6的無線通信。無線通信速度可以達(dá)到2M（bps）。NORDIC 公司提供通信模塊的GERBER 文件，可以直接加工生產(chǎn)。嵌入式工程師或是單片機(jī)愛好者只需要為單片機(jī)系統(tǒng)預(yù)留5 個GPIO，1 個中斷輸入引腳，就可以很容易實現(xiàn)無線通信的功能，非常適合用來為MCU 系統(tǒng)構(gòu)建無線通信功能。

圖2 無線模塊接口圖

NRF24L01 的工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式、關(guān)機(jī)模式，本文設(shè)計的手持式配電終端調(diào)試儀主要采用這四種工作方式中的收發(fā)模式。NRF24L01 的所有配置工作都是通過SPI 完成，共有30 字節(jié)的配置。我們將NRF24L01 工作于Enhanced ShockBurstTM 收發(fā)模式。ShockBurstTM 的配置字可以分為數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、地址、CRC 四個部分，能使NRF24L01 能夠處理射頻協(xié)議，在配置完成后，NRF24L01 工作的過程中，只需改變其最低一個字節(jié)中的內(nèi)容，以實現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間切換。這種工作模式下，系統(tǒng)的程序編制會更加簡單，并且穩(wěn)定性也會更高。

3 手持式調(diào)試儀軟件設(shè)計

調(diào)試儀的軟件系統(tǒng)移植了UCOS-III 操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)的多任務(wù)管理有利于軟件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，因此調(diào)試儀軟件系統(tǒng)也按模塊進(jìn)行設(shè)計。其任務(wù)模塊包括Emwin 圖形顯示模塊、觸摸屏任務(wù)模塊以及無線通信任務(wù)模塊。

我們在使用M3 內(nèi)核MCU 的時候會移植UCGUI 來制作精美的UI，UCGUI 的高級版本就是emWin，而STemWin 是SEGGER 授權(quán)給ST 的emWin 版本，ST 的芯片可以免費(fèi)使用STemWin，并且STemWin 針對ST 的芯片做了優(yōu)化。調(diào)試儀的界面顯示主要靠移植STemWin 來實現(xiàn)，并且在移植過程中適配了ALIENTEK 的7 寸顯示屏。當(dāng)調(diào)試儀連接電源開啟后，將進(jìn)入主界面，用戶可以觸摸點擊按鈕，與處于無線通信測試模式下的FTU 進(jìn)行通信，實現(xiàn)調(diào)試儀的基本功能。界面設(shè)計如圖3 所示。

圖3 調(diào)試儀整體界面設(shè)計

4 實驗系統(tǒng)運(yùn)行分析

以手持式配電終端調(diào)試儀和帶液晶顯示的FTU 實驗裝置按IEC60870-5-104 規(guī)約通信為例，二者通過無線通信模塊發(fā)送或接受報文，不斷比較報文中的特征位和信息位，相互配合，從而實現(xiàn)“三遙”功能、數(shù)據(jù)查詢功能、SOE 事件順序記錄等SCADA系統(tǒng)的基本功能。與本次調(diào)試儀相配合的FTU 實驗裝置可切換“正常運(yùn)行以太網(wǎng)通信”、“無線通信調(diào)試模式”兩種模式。在調(diào)試模式下，可以完成遙測量采集、遙信量采集、繼電保護(hù)功能與調(diào)試儀通信，并且同樣配備了一塊7 寸顯示屏，不僅能顯示與調(diào)試儀測試時發(fā)送的報文，還能實時顯示A/D 采樣電路采集到的模擬的電壓值、電流值和開關(guān)狀態(tài)。同時，內(nèi)置RTC 時鐘，能夠與調(diào)試儀進(jìn)行對時。調(diào)試過程中可設(shè)置短路故障，測試FTU 按規(guī)約向調(diào)試儀發(fā)送遙信變位信息，并可根據(jù)調(diào)試儀發(fā)送的遙控指令，實現(xiàn)故障隔離，恢復(fù)供電。

調(diào)試儀的特點是其基于無線通信，可按規(guī)約與被調(diào)試的配電終端實現(xiàn)三遙功能，并能夠設(shè)置繼電保護(hù)的整定值下發(fā)，對通信報文能夠查閱和顯示（圖4-5）。

圖4 調(diào)試儀整體外觀

圖5 調(diào)試儀菜單界面

5 結(jié)論

饋線自動化終端FTU 控制著配電系統(tǒng)斷路器、重合器、分段開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)等一次設(shè)備,一般安裝于10kV 配網(wǎng)架空線戶外桿塔上,靠近一次設(shè)備,距離地面為6～8m。這就需要運(yùn)行維護(hù)人員爬至桿塔上打開FTU 箱柜進(jìn)行操作,不僅耗費(fèi)體力,增加維護(hù)難度,而且?guī)щ姴僮髟O(shè)備,存在安全隱患,因此給運(yùn)行人員進(jìn)行設(shè)備調(diào)試、參數(shù)整定、程序更新等工作帶來很大不便。而我們本次的設(shè)計的手持式配電終端調(diào)試儀具有以下特色:(1) 采用手持式的設(shè)計形式,并且塑料外殼封裝,防摔、防水,便于攜帶,簡單方便,穩(wěn)定可靠;(2)采用無線傳輸通信,沒有模擬量輸入,即不需要采集電流電壓提供FTU 信號,無論遠(yuǎn)方FTU 運(yùn)行正?；虿徽r都能通過此調(diào)試儀檢測到FTU 當(dāng)前情況,測試FTU 是否正確按規(guī)約通信,然后做出相應(yīng)的對策;(3)采用液晶屏做成人機(jī)交互界面,能夠?qū)崟r顯示菜單,并支持按鍵操作;(4)手柄內(nèi)含一塊充電寶，作為整個調(diào)試儀的移動電源，不需要插座供電，便于攜帶。

但是此次設(shè)計的調(diào)試儀也存在一些缺點,例如，無線通信模塊收發(fā)模式下一次最多發(fā)送32 位的u8 字符型常量，而有時我們需要發(fā)送的104 規(guī)約報文會超過32 位，此時就需要考慮分兩次發(fā)送，還有進(jìn)一步提升的空間。