胡福年 孫守娟 林宗浩

（江蘇師范大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

一種改進(jìn)的饋線終端設(shè)計

胡福年 孫守娟 林宗浩

（江蘇師范大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

結(jié)合現(xiàn)代配電網(wǎng)對饋線自動化的新要求，分析了以TMS320LF2407為主控芯片設(shè)計的饋線終端（FTU）的局限性，提出了改進(jìn)的饋線終端設(shè)計方案。以TMS320F28335為核心處理器，提升了總體性能；新增GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信功能，實現(xiàn)多種通信方式并存；采用改進(jìn)的故障定位算法，實現(xiàn)故障快速定位；給出了故障錄波的具體實現(xiàn)方式，為故障分析提供可靠依據(jù)。算例測試結(jié)果表明，當(dāng)故障發(fā)生時，終端能準(zhǔn)確地實現(xiàn)故障定位，便于快速完成供電恢復(fù)，滿足現(xiàn)代配網(wǎng)自動化要求。

TMS320F28335 饋線終端（FTU） 饋線自動化 GPRS 故障定位

0 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(jìn)，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［1－4］。與32位浮點 DSP相比，采用16位定點芯片 TMS320-LF2407設(shè)計的FTU［5］處理速度慢，運算精度低，且通信方式單一，需自我建立通道，降低了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。采 用 TMS320F2812 的 FTU［6－10］，相 比TMS320LF2407的設(shè)計，在實時性和可靠性方面有了進(jìn)一步提高，但通信方式仍沒有改進(jìn)。而饋線自動化對通信要求越來越高，包括通信速度快、可靠性高、信元及交互精簡［11］。基于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信的新型饋線自動化系統(tǒng)，可在FTU與監(jiān)控子站間建立時效性強、可靠性高的通信通道，提高饋線系統(tǒng)的靈活性［12－14］。饋線故障定位算法的優(yōu)劣也直接影響配電網(wǎng)故障的快速搶修和供電恢復(fù)［15－19］。

針對以上現(xiàn)狀，本文提出一種基于 TMS320-F28335的改進(jìn)FTU設(shè)計，滿足現(xiàn)代配電網(wǎng)對饋線自動化終端的新要求。

1 FTU設(shè)計方案改進(jìn)

本文選用 TMS320F28335作為 FTU的主控制器。相比2407、F2812等定點處理器，F(xiàn)28335增加了浮點運算內(nèi)核，能夠執(zhí)行復(fù)雜的浮點運算，具有更高的運算速度；且片內(nèi)存儲資源豐富，外設(shè)集成度高，所需外接電路大大減少。因此，采用 TMS320-F28335，F(xiàn)TU的處理精度和速度得到大幅度提高，增強了系統(tǒng)可靠性。

TMS320F28335具有以下功能特點：①內(nèi)置的12位16路A/D模塊擴展了采集通道，轉(zhuǎn)換時間縮短；②采用MAX3232改進(jìn)型驅(qū)動芯片，實現(xiàn)了功耗更低的異步串口通信，便于完成現(xiàn)場調(diào)試功能；③采用SN65HVD232總線收發(fā)器，無需電平轉(zhuǎn)換，可將多個FTU連接在一起，擴展了通信通道，實現(xiàn)了CAN通信；④利用RS-485串口連接GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信，完成FTU與監(jiān)控子站的雙向通信，實現(xiàn)多種通信方式并存。

系統(tǒng)硬件總體框圖如圖1所示。

圖1 FTU硬件總體框圖Fig.1 Overall block diagram of FTU hardware

1.1 A/D采樣

利用F28335中自帶的A/D模塊對電網(wǎng)模擬量進(jìn)行采集。在25 MHz的A/D時鐘頻率下，轉(zhuǎn)換時間為80 ns左右，采樣頻率最高可達(dá)12.5 MS/s。經(jīng)過信號調(diào)理和適當(dāng)?shù)哪M數(shù)字濾波等改進(jìn)措施，即能滿足配電網(wǎng)自動化終端對測量精度的要求，且冗余的A/D通道能滿足溫度等模擬量采集。相比2407的10位8路模擬量采集，F(xiàn)28335內(nèi)置的A/D模塊可縮短轉(zhuǎn)換時間，降低功耗和提高系統(tǒng)可靠性，達(dá)到實時采集電網(wǎng)電壓、電流和頻率等模擬量要求，實現(xiàn)遙測功能。

1.2 開關(guān)量輸入輸出

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(yuǎn)方/當(dāng)?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。采用2407作為主控芯片的FTU，只完成了8路開關(guān)量輸入輸出信號，且需要CPLD芯片擴展，影響數(shù)據(jù)傳輸速率，導(dǎo)致可靠性降低。在改進(jìn)的設(shè)計方案中，主控芯片F(xiàn)28335擁有大量的口線資源，經(jīng)過光電隔離措施，不需要CPLD等硬件外擴控制口線，即可達(dá)到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。

1.3 異步串行通信電路設(shè)計

饋線自動化系統(tǒng)現(xiàn)場大都要求FTU必須具有RS-232或 RS-485串口資源，以實現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試功能。F28335帶有3個SCI（UART）模塊，具有雙緩沖接收和發(fā)送功能，且波特率可編程為64 000種不同的通信速率，而2407只有1個異步串口，沒有緩沖單元。因此，改進(jìn)的設(shè)計方案更具優(yōu)越性。

改進(jìn)方案將其中一個串口設(shè)計為RS-232接口，采用MAX3232驅(qū)動芯片進(jìn)行串口通信，串口通信電路如圖2所示。MAX3232采用1μA關(guān)斷模式，功耗更低，同時能確保120 kbit/s數(shù)據(jù)速率，并保持RS-232應(yīng)有的輸出電平。另一個串口設(shè)計為RS-485接口，用于連接GPRSModem，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信。

圖2 異步串行通信電路Fig.2 Asynchronous serial communication circuit

1.4 CAN總線通信電路設(shè)計

FTU之間的通信采用CAN總線通信方式。即通過CAN總線將多個FTU連接起來，共享通道資源，擴充采樣通道數(shù)量，提高了通信處理能力，減輕了監(jiān)控子站的通信負(fù)擔(dān)。CAN總線通信電路如圖3所示。

圖3 CAN總線通信電路Fig.3 CAN bus communication circuit

F28335自帶增強型CAN（eCAN）控制器模塊，不需要外加任何CAN控制器便可方便地實現(xiàn)對CAN總線的控制功能；且完全兼容CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，具有32個可編程消息郵箱，波特率可達(dá)1 MHz，完全滿足CAN總線協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的要求。

收發(fā)器采用TI公司的SN65HVD232總線收發(fā)器。與SN65HVD230相比，控制驅(qū)動輸出時，信號質(zhì)量有所改善；且其工作電壓與F28335引腳電平相同，均為3.3 V，無須電平轉(zhuǎn)換，減小了功耗，提高了通信的可靠性。

2 GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模塊

改進(jìn)的饋線終端（FTU）與監(jiān)控子站之間采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信。GPRS采用分組交換技術(shù)，分組交換接入時間小于1 s，能夠提供快速及時的TCP/IP連接，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性高，并且實時在線。從經(jīng)濟性角度來說，GPRS可同時滿足多個用戶共享同一無線信道。這不僅提高了資源利用率，且用戶只需按其實際的通信流量付費，經(jīng)濟實惠。

RS-485接口與GPRSModem連接。GPRSModem具備專用客戶識別模塊（subscriber identity module，SIM）卡，內(nèi)嵌 TCP/IP協(xié)議，包含 IP模塊和 GPRS模塊。

GPRS工作流程如圖4所示。

圖4 GPRS工作流程圖Fig.4 The working flowchart of GPRS

通信時，GPRSModem呼叫進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò)。FTU采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點（gateway GPRS support node，GGSN）后進(jìn)入Internet，通過IP地址確認(rèn)后到達(dá)認(rèn)證服務(wù)器，最后到達(dá)監(jiān)控子站，子站再對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包、CRC校驗等處理。之后認(rèn)證服務(wù)器創(chuàng)建PPP激活請求，并為FTU分配IP地址。

借助Internet標(biāo)志有FTU地址的IP包，通過RS-485串口發(fā)送到FTU開關(guān)保護(hù)裝置PARC單元中。至此即實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向傳輸、處理和控制，完成GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信功能。

的FTU故障監(jiān)測終端為例進(jìn)行算法分析。

圖5 配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.5 Topology of power distribution network

3 故障定位算法

3.1 算法原理

改進(jìn)的故障定位算法以圖論知識為基礎(chǔ)。算法原理如下。

①首先根據(jù)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嘍；

②當(dāng)故障發(fā)生時，F(xiàn)TU通過GPRS上傳故障信息到監(jiān)控子站，生成故障信息矩陣G；

③將網(wǎng)絡(luò)描述矩陣和故障信息矩陣進(jìn)行相加運算，得到故障判定矩陣P=D+G；

④最后根據(jù)故障定位判據(jù)得出故障發(fā)生區(qū)間。

3.2 算例分析

配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示。以圖5所示的8節(jié)點

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嚨纳?/p>

若配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，?jié)點i有子節(jié)點j且正方向由i節(jié)點流向節(jié)點j，則dij=1，其余情況下元素皆為0，末端節(jié)點全部置“0”。

由圖5可得：d12=1，d15=1，d23=1，d24=1，d56=1，d58=1，d67=1，從而生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃?。該矩陣?維方陣。

3.2.2 故障判定矩陣的生成

若第i個開關(guān)節(jié)點有故障，開關(guān)上的FTU流有超過整定值的故障電流且方向與規(guī)定的正方向一致時，將第i行第i列元素置“1”，即gii=1，否則置“0”。如圖5中6、7節(jié)點間，8節(jié)點末梢均發(fā)生故障，則節(jié)點1、5、6、8檢測到故障，即有：g11=1、g55=1、g66=1、g88=1，從而生成故障信息矩陣G。最后由D+G生成故障判定矩陣P。

3.2.3 故障區(qū)段判據(jù)

（1）節(jié)點末梢饋線段故障

若P中元素滿足pii=1且對于所有的j（j≠i）都有pij=0，即i行其他元素為0，則故障區(qū)間為節(jié)點i末梢饋線段。由P矩陣得：p88=1，而第8行其他元素為0，由此判斷出8節(jié)點末梢的饋線段發(fā)生故障。

（2）節(jié)點之間的饋線段故障

若P中元素滿足pii=1且對所有pij=1的j（j≠i）都有pjj=0，則故障區(qū)間為節(jié)點i和j之間的饋線段。由P矩陣得：p66=1，p67=1，p77=1，由此判斷出在節(jié)點6和7之間發(fā)生故障。

算例故障定位測試結(jié)果如表1所示。

表1 算例故障定位測試結(jié)果Tab.1 Exam p les of test results of the fault positioning

該算法簡潔實用，判斷直觀，避免了以往矩陣算法使用的乘法和規(guī)格化處理，同時克服了遺傳算法中不能實時在線的缺點。測試結(jié)果說明，改進(jìn)的故障定位算法不僅能準(zhǔn)確、快速地定位出故障發(fā)生區(qū)間，同時還能完成饋線末端的準(zhǔn)確定位，從而實現(xiàn)故障后的快速搶修和供電恢復(fù)，提高了配電網(wǎng)的可靠性。對于多電源網(wǎng)絡(luò)，需規(guī)定供電線路最短的電源作為供電電源，并規(guī)定該電源的功率流出方向為正方向，判定原理與本算例相同。

4 故障錄波

FTU的故障錄波功能用于記錄和分析配電網(wǎng)受到大擾動后，相關(guān)參數(shù)的變化過程及繼電保護(hù)和安全自動裝置的動作行為。它為分析故障原因、研究反事故措施、及時處理事故、檢驗繼電保護(hù)動作行為和自動裝置運行情況，提供了可靠的依據(jù)。

故障錄波要記錄故障后5個周波和故障前4個周波。在電力系統(tǒng)動態(tài)錄波裝置的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，對模擬量的數(shù)據(jù)保存方式規(guī)定為分時段記錄方式，如圖6所示。

圖6 故障錄波時段Fig.6 Time of faultwave recording

A時段指系統(tǒng)大擾動開始前的狀態(tài)數(shù)據(jù)，記錄故障前0.04 s的波形；B時段指大擾動時初始的狀態(tài)數(shù)據(jù)，記錄故障后0.1 s的波形；C時段指系統(tǒng)大擾動后中期的狀態(tài)數(shù)據(jù)，記錄每一周期的工頻有效值，記錄時間3 s；D時段為系統(tǒng)動態(tài)過程數(shù)據(jù)，每0.1 s記錄一個工頻有效值，記錄時間20 s；E時段大于10min，每1.0 s記錄一次工頻有效值。

為了能夠及時有效地記錄故障時的波形，在外擴的64 kB的RAM中開辟兩塊同樣大小的錄波存儲單元Data_A、Data_B，一個循環(huán)記錄當(dāng)前的錄波數(shù)據(jù)，另一個循環(huán)記錄故障錄波數(shù)據(jù)。每采樣一次，就將采樣的數(shù)據(jù)存入當(dāng)前的錄波存儲單元中，一旦檢測到有故障發(fā)生，立刻計數(shù)。當(dāng)計滿5個周波時，切換錄波存儲單元，即將當(dāng)前的錄波存儲單元與故障錄波單元互換，實現(xiàn)故障錄波。

5 結(jié)束語

本文提出了基于F28335的改進(jìn)型饋線終端，結(jié)合現(xiàn)代配電網(wǎng)對饋線自動化終端的要求，設(shè)計了FTU的總體框圖及外圍電路。改進(jìn)的設(shè)計方案具有12位16路A/D采集，16路開關(guān)量輸入輸出功能；采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信、CAN總線通信、異步串行通信3種通信方式并存，分別實現(xiàn)FTU與監(jiān)控子站的通信、FTU之間的互通信以及現(xiàn)場調(diào)試功能，提高了FTU的通信效率。最后探討了改進(jìn)的故障定位算法和故障錄波功能，并結(jié)合算例給出了具體分析。算例測試結(jié)果表明，該算法運算量小，判斷直觀，實用性強，能夠?qū)崿F(xiàn)故障準(zhǔn)確定位，從而快速完成故障搶修和供電恢復(fù)。由此可見，基于F28335的FTU能很好地滿足配電網(wǎng)自動化的新要求，符合新型FA系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

［1］劉健，倪建立，鄧永輝.配電自動化系統(tǒng)［M］.2版.北京：中國水利水電出版，2006：72－75.

［2］劉健，贠保記，趙樹仁，等.一種快速自愈的分布智能饋線自動化系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（10）：62－66.

［3］劉健，趙樹仁，贠保記，等.分布式智能型饋線自動化系統(tǒng)快速自愈技術(shù)及可靠性保障措施［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35（17）：67－71.

［4］董旭柱，黃邵遠(yuǎn)，陳柔伊，等.智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2012，36（18）：17－21.

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

［6］徐科軍，陶維青，汪海寧.DSP及其電氣與自動化工程應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：305－314.

［7］周洪，羅星，鄧其軍.基于DSP的智能配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜FTU的設(shè)計［J］.電力自動化設(shè)備，2011，31（2）：124－128.

［8］公茂法，楊興，吳江波，等.一種新型饋線終端設(shè)備的研究［J］.電力系統(tǒng)通信，2011，32（229）：4－8.

［9］Zhou Hong，Deng Qijun，Dan Wei，et al.The research and development of smart distribution feeder terminal unit based on Digital Signal Processor［C］∥2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering（MACE），2010：3994－3997.

［10］Zhou Hong，Luo Xing，Deng Qijun.The design and development of DSP based ringmain unit FTU（Feeder Automation Terminal Unit）in intelligent distribution［C］∥2010 International Conference on Electrical and Control Engineering（ICECE），2010：2299－2303.

［11］涂國梁.基于自愈功能饋線終端單元饋線自動化的應(yīng)用研究［J］.供用電，2012，29（4）：9－12.

［12］張海龍，徐建源，王博，等.基于GPRS技術(shù)的新型饋線自動化系統(tǒng)的研究［J］.低壓電器，2009（3）：46－50.

［13］Li Jian，Qi Yu Lin.Design of communication system formultiterminal traveling wave fault location scheme in distribution network based on GPRS network［C］∥2011 IEEE 3rd International Conference on Communication Software and Networks（ICCSN），2011：281－284.

［14］周云成，樸在林，付立思.10kV配電網(wǎng)無功優(yōu)化自動化控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（2）：125－130.

［15］郭謀發(fā)，楊耿杰，黃建業(yè)，等.配電網(wǎng)饋線故障區(qū)段定位系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2011，23（2）：18－23.

［16］羅梅，楊洪耕.配電網(wǎng)故障定位的一種改進(jìn)通用矩陣算法［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（5）：64－68.

［17］范煒豪，陳燁.配電網(wǎng)故障定位與快速搶修系統(tǒng)研究［J］.工礦自動化，2012（10）：56－58.

［18］張偉.一種智能分布式饋線自動化故障判定方法［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（5）：108－113.

［19］劉健，張小慶，同向前，等.含分布式電源配電網(wǎng)的故障定位［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，37（2）：36－48.

An Improved Design of Feeder Terminal Unit

In accordance with the new requirements ofmodern power distribution grid on feeder automation，the limitations of feeder terminal unit（FTU）with TMS320LF2407 as the main control chip are analyzed，and the improved design scheme of the FTU is proposed.With TMS320F28335 as the core processor，the overall performance is upgraded，and the function ofGPRSwireless network communication is added to realize the coexistence ofmultiple types of communication.The improved fault positioning algorithm is adopted to implement rapid fault positioning；the concrete implementingmode for fault recording is given to provide reliable basis of fault analysis.The test results of example show that precise fault positioning can be realized when faultoccurs，thismakes power supply to be recovered promptly，thus satisfies demands for automation ofmodern power grid.

TMS320F28335 Feeder terminal unit（FTU） Feeder automation GPRS Fault positioning

修改稿收到日期：2013－11－18。
第一作者胡福年（1967－），男，2007年畢業(yè)于南京理工大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，教授；主要從事電力系統(tǒng)分析與控制、電力市場方面的教學(xué)和研究工作。

TM76

A