程 立 李 政 黃 偉 朱中華 李少卿

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100）

饋線自動(dòng)化終端（FTU）安裝于10kV配網(wǎng)架空線上，控制配電系統(tǒng)斷路器、重合器、分段開(kāi)關(guān)、負(fù)荷開(kāi)關(guān)等一次設(shè)備。由于FTU安裝于戶外桿塔上，靠近一次設(shè)備，距離地面一般為6～8m，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(lái)很大不便。以往的做法是用串口或者以太網(wǎng)進(jìn)行調(diào)試，需要將調(diào)試線插到FTU裝置上，這就需要運(yùn)行維護(hù)人員爬至桿塔上打開(kāi)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[1]。無(wú)線UART做為一種短距離傳輸方式，具有成本低廉、連接方便、簡(jiǎn)單易用、傳輸速率快等特點(diǎn)，非常適合做為FTU的調(diào)試手段，很好的解決了FTU的設(shè)備調(diào)試、參數(shù)設(shè)定、程序更新等困難。

1 整體設(shè)計(jì)方案

本文方案采用EXAR公司的無(wú)線UART技術(shù)，該技術(shù)采用868MHz到900MHz公用信號(hào)頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到150m，最大傳輸速率可以達(dá)到230.4kbps?；跓o(wú)線UART的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由FTU、無(wú)線UART網(wǎng)絡(luò)、手持終端模塊、筆記本電腦組成，如圖1所示。FTU發(fā)出無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，手持終端模塊接收到無(wú)線信號(hào)后，通過(guò)USB接口傳輸給筆記本電腦，筆記本電腦通過(guò)終端軟件完成調(diào)試工作[2]。

配電FTU采用VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)，文件系統(tǒng)采用yaffs2[3]。在測(cè)控模塊、保護(hù)模塊和通信模塊的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了無(wú)線UART數(shù)據(jù)調(diào)試功能，而且根據(jù)無(wú)線UART的技術(shù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的通信模式，使得無(wú)線UART的調(diào)試簡(jiǎn)單方便，而且穩(wěn)定可靠。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文采用EXAR公司的XR18W 750和XR18W 753芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線UART技術(shù)。XR18W 750是一種無(wú)線控制芯片，采用并口和串口與其他系統(tǒng)互連。以8051單片機(jī)作為內(nèi)核，擁有4KB的RAM和3KB的ROM空間。串口的波特率可以從1200bps到921.6kbps不等。XR18W 750采用128比特的AES加密技術(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)編碼和解碼。XR18W 753是一款低功耗、工作在868MHz到915MHz公用頻段的射頻發(fā)射芯片，最低可以接收-93dBm的信號(hào)強(qiáng)度。XR18W 750和XR18W 753廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、廠站自動(dòng)化、商業(yè)系統(tǒng)等。

圖1 無(wú)線UART系統(tǒng)圖

FTU采用嵌入式的微處理器（Power PC）做為主CPU，集成了電源電路、復(fù)位電路、NOR FLASH電路、NAND FLASH電路、液晶接口電路、A/D采樣電路、以太網(wǎng)接口電路、串口接口電路、can網(wǎng)接口電路、無(wú)線UART接口電路等[4]。FTU終端集成電路如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)電路

3 FTU系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為保護(hù)測(cè)控模塊、實(shí)時(shí)庫(kù)模塊、歷史庫(kù)模塊、組態(tài)配置模塊、無(wú)線調(diào)試模塊等，如圖3所示。其中保護(hù)測(cè)控等對(duì)實(shí)時(shí)性有著極為嚴(yán)格要求的模塊運(yùn)行在中斷中，而實(shí)時(shí)庫(kù)、歷史庫(kù)、組態(tài)配置等組件運(yùn)行在任務(wù)中。各個(gè)模塊之間松散耦合，通過(guò)注冊(cè)機(jī)制建立聯(lián)系，同時(shí)各個(gè)模塊之間通過(guò)消息或者管道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1）保護(hù)測(cè)控模塊

保護(hù)測(cè)控模塊分為兩部分：中斷執(zhí)行部分和任務(wù)執(zhí)行部分。中斷每0.833ms運(yùn)行一次，測(cè)量采用24點(diǎn)采樣、并進(jìn)行開(kāi)入和開(kāi)出的計(jì)算。保護(hù)采用傅里葉算法，設(shè)置三段式保護(hù)和零序保護(hù)。任務(wù)執(zhí)行部分進(jìn)行PT斷線、線路失壓、過(guò)負(fù)荷、電池管理、遙測(cè)等計(jì)算。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊：該模塊包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、調(diào)度端數(shù)據(jù)引用表的創(chuàng)建，運(yùn)行時(shí)提供快速入庫(kù)、快速提取數(shù)據(jù)操作。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)還提供了對(duì)SOE、遙信變位、步位置變化等異步事件的支持。

3）歷史數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

歷史庫(kù)訂閱實(shí)時(shí)庫(kù)的變位信息，操作記錄。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)采用多個(gè)任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，支持同步和異步兩種方式，兩種方式下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索、刪除等操作。

4）組態(tài)管理模塊

組態(tài)管理模塊：①生成和維護(hù)所連裝置信息總表；②配置和維護(hù)一次間隔信息；③配置和維護(hù)板卡和規(guī)約信息；④配置和維護(hù)對(duì)時(shí)源；⑤生成和維護(hù)送往調(diào)度的轉(zhuǎn)發(fā)信息表、并對(duì)規(guī)約需要的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；⑥進(jìn)行信息合成（遙測(cè)、遙信、步位置信息計(jì)算轉(zhuǎn)換）；⑦程序文件、配置文件的上載和下載[5]。

5）對(duì)上規(guī)約模塊

對(duì)上規(guī)約模塊負(fù)責(zé)配電終端同遠(yuǎn)方主站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成遙測(cè)、遙信、遙控等功能。常用的有IEC101[6]、IEC104[7]、CDT[8]等規(guī)約，采用的通道方式分別有光纖以太網(wǎng)、EPON網(wǎng)絡(luò)[9]、GPRS/CDMA[10]等。

6）顯示模塊

負(fù)責(zé)與實(shí)時(shí)庫(kù)通信，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在液晶屏，并且將用戶操作（修改定值、遙控開(kāi)關(guān)）傳遞給實(shí)時(shí)庫(kù)，負(fù)責(zé)完成人機(jī)交互。同時(shí)查看歷史信息，包括操作記錄、歷史事件等。

7）無(wú)線調(diào)試

負(fù)責(zé)與無(wú)線手持終端完成數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)FTU的無(wú)線調(diào)試功能，包括：①FTU內(nèi)部信息的診斷和分析；②對(duì)主站規(guī)約報(bào)文的監(jiān)視和分析；③人工置數(shù)功能；④組態(tài)和程序的上載和下載；⑤定值的查看和修改；⑥開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程控制；⑦遠(yuǎn)程復(fù)位功能。

3.2 無(wú)線調(diào)試模塊設(shè)計(jì)

如圖4所示，調(diào)試模塊在實(shí)時(shí)庫(kù)、歷史庫(kù)中完成注冊(cè)任務(wù)。實(shí)時(shí)庫(kù)和歷史庫(kù)發(fā)布訂閱信息給調(diào)試模塊，并且支持調(diào)試模塊的控制和修改操作。對(duì)上規(guī)約庫(kù)發(fā)送調(diào)試信息與報(bào)文監(jiān)視信息給調(diào)試模塊，調(diào)試模塊根據(jù)手持終端的監(jiān)視命令來(lái)選擇是否存儲(chǔ)和顯示。無(wú)線UART驅(qū)動(dòng)模塊完成FTU自身信息的廣播及與手持終端之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，并將實(shí)時(shí)庫(kù)、歷史庫(kù)、對(duì)上規(guī)約庫(kù)等信息傳送給手持終端，接收手持終端下發(fā)的控制和修改命令并且轉(zhuǎn)發(fā)給調(diào)試模塊。

圖4 無(wú)線調(diào)試模塊圖

4 無(wú)線調(diào)試功能模塊實(shí)現(xiàn)

4.1 調(diào)試模塊

調(diào)試模塊在實(shí)時(shí)庫(kù)中完成注冊(cè)。實(shí)時(shí)庫(kù)發(fā)布遙測(cè)、遙信、遙控、保護(hù)事件、定值等信息，同時(shí)調(diào)試模塊獲得實(shí)時(shí)庫(kù)的相關(guān)操作權(quán)限。當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)觸發(fā)一個(gè)變位事件（如開(kāi)關(guān)變位、保護(hù)動(dòng)作等），實(shí)時(shí)庫(kù)會(huì)向調(diào)試模塊發(fā)布這個(gè)事件。事件參考IEC103[11]規(guī)約中通用分類服務(wù)的格式，其中信息的關(guān)鍵字包括：裝置地址、組號(hào)、條目號(hào)、時(shí)標(biāo)、分合位置。

同樣地，當(dāng)調(diào)試模塊需要查詢實(shí)時(shí)庫(kù)的遙測(cè)、遙信等實(shí)時(shí)信息時(shí)，調(diào)試模塊通過(guò)調(diào)用相應(yīng)接口可以獲得四遙信息。當(dāng)手持終端進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，定值修改時(shí)，調(diào)試模塊根據(jù)注冊(cè)內(nèi)容獲得相關(guān)權(quán)限，通過(guò)發(fā)送相應(yīng)信息通知實(shí)時(shí)庫(kù)完成開(kāi)關(guān)操作和定值修改等任務(wù)。

相應(yīng)地，調(diào)試模塊也在歷史庫(kù)完成注冊(cè)。歷史庫(kù)為調(diào)試模塊提供相應(yīng)的查詢權(quán)限。歷史庫(kù)分為兩大部分：歷史事件庫(kù)和操作記錄庫(kù)，前者完成開(kāi)關(guān)變位、保護(hù)動(dòng)作、裝置告警等信息的存儲(chǔ)，后者完成遠(yuǎn)方或就地進(jìn)行的開(kāi)關(guān)操作信息的存儲(chǔ)。當(dāng)調(diào)試模塊發(fā)送相應(yīng)的歷史查詢命令時(shí)，歷史庫(kù)會(huì)根據(jù)查詢命令的關(guān)鍵字進(jìn)行檢索，關(guān)鍵字中會(huì)包括歷史庫(kù)類型、時(shí)間段、數(shù)據(jù)類型等信息。歷史庫(kù)檢索到信息后，將得到結(jié)果通過(guò)消息或者管道發(fā)送給調(diào)試模塊。

對(duì)上規(guī)約庫(kù)為調(diào)試模塊提供報(bào)文監(jiān)視、規(guī)約信息打印、人工置數(shù)等接口服務(wù)，調(diào)試模塊根據(jù)手持終端發(fā)送過(guò)來(lái)的命令，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。此外，調(diào)試模塊用軟開(kāi)關(guān)控制報(bào)文監(jiān)視、規(guī)約信息打印等相關(guān)功能的開(kāi)啟，防止大量未篩選的調(diào)試信息涌入調(diào)試模塊。

由于無(wú)線UART不能提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，因此調(diào)試模塊必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的協(xié)議來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴f(xié)議設(shè)計(jì)需要考慮鏈路的重發(fā)、測(cè)試及應(yīng)用層的服務(wù)類型等。本文設(shè)計(jì)的協(xié)議采用平衡方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，任何一方都可以發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，另外一方接收到數(shù)據(jù)后都必須給予確認(rèn)（采用短楨），否則數(shù)據(jù)超時(shí)發(fā)送（最多重發(fā)三遍）。

本協(xié)議設(shè)計(jì)如下：LPDU=LPCI+ASDU（或DSDU）+checkSum+endCode，其中LPCI為鏈路規(guī)約控制信息，LPDU為鏈路規(guī)約數(shù)據(jù)單元，ASDU為應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元，DSDU為調(diào)試服務(wù)數(shù)據(jù)單元，checkSum為校驗(yàn)和，endCode為結(jié)束符。每包LPDU報(bào)文只包含一包ASDU報(bào)文（或者DSDU報(bào)文），報(bào)文的最大長(zhǎng)度定為2048字節(jié)。LPCI分為短楨和長(zhǎng)楨，短楨主要用于鏈路測(cè)試，數(shù)據(jù)確認(rèn)等，沒(méi)有ASDU(DSDU)等部分；長(zhǎng)楨主要是命令楨和數(shù)據(jù)楨，包含完整的報(bào)文組織結(jié)構(gòu)。短幀和長(zhǎng)幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

短幀：

4.2 無(wú)線UART驅(qū)動(dòng)模塊

實(shí)時(shí)庫(kù)和歷史庫(kù)為調(diào)試模塊提供了相應(yīng)的信息后，調(diào)試模塊將相應(yīng)的信息幀發(fā)送到無(wú)線UART的驅(qū)動(dòng)模塊。無(wú)線UART驅(qū)動(dòng)模塊最終完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

無(wú)線UART的XR18W 750芯片可以提供3種通信模式：廣播、組播和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)。廣播模式對(duì)所有FTU終端和手持終端都可以偵聽(tīng)到，組播模式只有同組的FTU終端和手持終端才能偵聽(tīng)到，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式只用于FTU終端和手持式終端兩者之間傳輸信息之用。以上3種模式各有利弊，廣播模式數(shù)據(jù)傳輸廣，所有FTU和手持終端均可收到，但傳輸可靠性較低；組播類似于廣播，但更受限于組內(nèi)的信息共享；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸可靠性高，但僅限于兩點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。因此，任何一種通信模式都有缺陷，必須將幾種通信模式結(jié)合起來(lái)共同考慮。本文設(shè)計(jì)了一種方法，采用廣播模式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式相結(jié)合，很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。如圖5所示，F(xiàn)TU裝置啟動(dòng)之后，首先切換為廣播模式，每隔10s廣播自身信息，手持終端會(huì)進(jìn)行偵聽(tīng)，將偵聽(tīng)到的FTU形成菜單列表。調(diào)試者選擇相應(yīng)的FTU菜單雙擊按鈕，F(xiàn)TU會(huì)收到手持終端的呼叫報(bào)文。若沒(méi)有收到，F(xiàn)TU繼續(xù)進(jìn)行廣播。若FTU收到手持終端呼叫報(bào)文后，迅速切換為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，此時(shí)手持終端也切換為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，兩者之間開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。若FTU在30s之內(nèi)未收到手持終端數(shù)據(jù)或者手持終端主動(dòng)斷掉與FTU之間聯(lián)系，則FTU切換為廣播模式，重新廣播自身信息。

5 手持式終端實(shí)現(xiàn)

手持終端采用類似于FTU無(wú)線傳輸?shù)挠布O(shè)計(jì)方法，也采用EXAR公司的XR18W 750和XR18W 753芯片相結(jié)合的方式，同時(shí)采用了USB芯片接口，將手持終端封裝在類似于U盤(pán)的小盒子[12]。與筆記本接口方式采用USB，USB一方面為手持式終端提供電源，另一方面為手持式終端提供通信接口。在筆記本電腦上，采用WINXP操作系統(tǒng)將USB映射為串口，利用VC6.0和MFC類庫(kù)進(jìn)行編程，采用動(dòng)態(tài)庫(kù)方式，將主機(jī)界面模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊和通信庫(kù)模塊分別加載，實(shí)現(xiàn)了通信報(bào)文察看、字符串命令、人工置數(shù)、文件的上下載等功能。

圖5 無(wú)線UART驅(qū)動(dòng)流程圖

6 測(cè)試

基于無(wú)線UART的FTU系統(tǒng)在研制過(guò)程中做了各種測(cè)試對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證。與通過(guò)有線RS232的調(diào)試方式進(jìn)行了比較，效果差異不是很大。筆者選擇了變位遙信、變化遙測(cè)、遙控、文件上下載等項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試，其中硬件平臺(tái)：CPU為PowerPC，主頻400M；內(nèi)存64M；Flash為128M，操作系統(tǒng)為VxWorks，波特率為19200bps。試驗(yàn)數(shù)據(jù)摘錄見(jiàn)表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果摘錄

由此可以看出，在數(shù)據(jù)的傳輸響應(yīng)時(shí)間方面，無(wú)線UART并不比RS232遜色多少，尤其在變位遙信、變化遙測(cè)等方面。雖然在文件傳輸方面，無(wú)線UART稍微較慢，但相對(duì)于FTU爬桿操作的難度來(lái)說(shuō)，這點(diǎn)時(shí)間差異也是維護(hù)人員可以接受的。

7 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行

本文設(shè)計(jì)的基于無(wú)線UART的FTU系統(tǒng)成功應(yīng)用在青海、山東、浙江等地。典型的如青海某地區(qū)，該地區(qū)海拔高度平均3000m，包括三個(gè)縣和一個(gè)自治州。該地區(qū)全部采用FTU，大部分安裝在農(nóng)村、草原及山坡上，不僅安裝困難，而且維護(hù)需要爬桿，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試比較困難。采用無(wú)線UART調(diào)試手段后，維護(hù)人員只需要在桿塔下就可以完成FTU參數(shù)整定、定值核對(duì)、主站通信報(bào)文監(jiān)視等任務(wù)，極大地減輕了運(yùn)行維護(hù)人員的工作量。

8 結(jié)論

本文提出了基于無(wú)線UART的FTU系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，并且成功實(shí)現(xiàn)在FTU及手持式終端的研發(fā)上。該FTU硬件設(shè)計(jì)可靠穩(wěn)定、配置靈活，軟件設(shè)計(jì)功能豐富、可擴(kuò)展性強(qiáng)，F(xiàn)TU整體運(yùn)行穩(wěn)定。手持式終端小巧方便、易于使用，維護(hù)方便安全。調(diào)試軟件人機(jī)界面良好，可操作性強(qiáng)，易于用戶使用?；跓o(wú)線UART的FTU系統(tǒng)設(shè)計(jì)，已經(jīng)成功在青海、山東、浙江等地使用，為用戶的調(diào)試提供了極大方便，減少了工作量，提高工作效率。

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