基于ARM9的一種新型饋線自動化終端設計

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計，實現了饋線終端的遙調、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，無線通信可靠穩定，滿足現代配網自動化要求。

引言

隨著智能電網研究的興起和城鄉電網結構的不斷改進，對配電網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，FTU)成為研究熱點。參考文獻中基于數字處理器DSP，參考文獻中應用ARM與DSP分別開發設計了饋線自動化終端裝置。

上述參考文獻采用不同的處理器，使用不同的技術，設計了配電網饋線終端，但所設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。物聯網技術是新一代信息技術的重要部分，具有廣闊的應用前景，可以實現饋線終端數據無線通信。新型能源太陽能無污染、可再生、成本低，使用太陽能是一個必然的趨勢。

1 FTU整體設計方案

饋線自動化系統是對配電線路上的設備進行遠程實時監視、協調及控制的一個集成系統，由3部分組成：饋線終端(FTU)、監測子站和監控中心。其基本結構如圖1所示。

監測線路上的FTU負責采集配電線路的電量信息，對柱上開關進行監測與控制，并把配電線路及柱上開關的信息通過射頻網絡匯聚到監測子站，監測子站則發揮數據轉發的作用，利用3G路由器的DTU功能實現遠程傳輸。

配電主站實時接收FTU終端采集的信息數據包，并對實時數據包進行解包、校驗、數據動態顯示、存儲、故障判定等，并且實現監控中心遠程控制柱上開關閉合等控制功能。

2 饋線終端結構設計

饋線終端FTU的主要任務是采集配電線路電量信息、監測控制柱上開關狀態，通過射頻網絡把實時信息發送到監測子站以及接收與處理上位機發送的控制命令。針對上述要求，本終端應具有以下功能：實時電量信息采集及監測功能、柱上開關控制與狀態監控、數據處理與存儲功能、無線通信功能。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、開關量輸入/輸出模塊、無線通信模塊、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PT獲取AC220 V為系統提供24 V、5 V電源;在系統出現故障時，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電池串聯獲取24 V直流工作電源(柱上開關的操作電壓)，在電力系統出現故障時為FTU終端提供供電時，還能保證對柱上開關至少3次分合閘操作的能量，從而保證電力系統供電的可靠性。饋線終端的供電電壓為DC5 V，DC24 V電壓經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 實時電量及開關狀態采集模塊

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、相角、頻率等參數。ATT7022B提供一個SPI接口，方便與CPU控制模塊進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計的復雜度，有效縮短數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控制功能轉化為實時并發運行的多個任務，由Linux進行任務管理和狀態切換，不僅提高了軟件系統的實時性，而且可以有效管理ARM采集的各種信息，滿足配電系統對FTU功能的多樣化和智能化需求。

柱上開關狀態信號采集模塊功能是將各種柱上開關量狀態信號通過光電隔離電路和并行接口電路送入CPU模塊。配電網電力系統的狀態信息主要涵蓋保護信號、自動裝置的動作狀態、隔離開關的位置狀態以及系統、設備的運行狀態等。所述的狀態信息都可以轉換為輔助觸點或者繼電器的觸點位置信號。因此，只要采集觸點開關位置信息就可以實現柱上開關狀態信號的采集工作。

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

2.3 輔助硬件組成部分

饋線自動化系統遙信輸入、遙控輸出電路主要是完成狀態信號的輸入/輸出，包括柱上開關的開合、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，經過光電隔離措施，可實現16路數字量輸入和16路數字量輸出，滿足遙信和遙控需要。

存儲部分主要記錄配電線路發生故障時的電流、電壓及柱上開關的開合狀態。

3 饋線監測終端軟件設計

根據FTU需實現的功能，結合硬件電路，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，用來定時查詢開關的狀態信息。

FTU系統通過ATT7022B實現電量采集，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。

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

◆TCP協議遠程通信;

◆FTU界面設計與配置;

◆數據實時接收與處理;

◆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，基于物聯網技術，把一區域的饋線監測終端作為客戶端，監控中心作為服務器端，通過套接字socket實現雙向通信;模擬FTU的分布狀況，使用GDI+繪圖工具實現FTU的界面設計與配置;監控中心將獲取的電量和開關狀態信息動態顯示、實時存儲;對于異常電量信息，系統進行故障類型判定與報警。

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

5 系統測試與應用效果

對饋線終端進行數據采集、通信測試，保證了產品的硬件、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10 kV逆變器產生10 kV高壓，經過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模擬測試。現場安置2個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

本文開發的基于ARM處理器的饋線終端，具有實時電量采集、處理、存儲、開關狀態監測與控制、電源電壓監測、無線通信等功能。采用無線網絡數據傳輸技術，擺脫了有線困擾，節省了數據傳輸的成本，提高了設備的靈活性和抗干擾性;使用太陽能供電，避免因線路故障造成FTU監測終端無法工作;探討了改進的故障定位算法。基于ARM的FTU能很好地滿足配電網自動化的實時、可靠和智能化的要求。