鄒 浩,姚 舜,鞏方波

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司運(yùn)維檢修部,山東 泰安 271000;2.山東魯能智能技術(shù)有限公司,濟(jì)南 250101）

0 引言

從功能上來(lái)講，配電自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)分為兩大部分：保護(hù)測(cè)控部分和通信管理部分。保護(hù)測(cè)控部分完成模擬量信號(hào)計(jì)算、數(shù)字量信號(hào)采集、保護(hù)邏輯、配網(wǎng)控制邏輯的實(shí)現(xiàn)及動(dòng)作出口等；通信管理部分實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口，與主站（子站）或其他系統(tǒng)通信，高級(jí)應(yīng)用及管理等功能。本設(shè)計(jì)采用保護(hù)測(cè)控部分和通信管理部分獨(dú)立設(shè)計(jì)的思路，即：保護(hù)測(cè)控部分1個(gè)CPU、通信管理部分1個(gè)CPU，兩個(gè)CPU之間通過(guò)CAN或其他串行方式進(jìn)行通信，各板卡通過(guò)插板方式進(jìn)行連接。

1 硬件設(shè)計(jì)

基于Cortex-M4的配電自動(dòng)化DTU硬件系統(tǒng)主要由電源板，COM板，DSP板，AI板，DO板和DI板組成，硬件系統(tǒng)的整體組成如圖1所示。

1.1 DSP板電路設(shè)計(jì)

DSP板是本硬件系統(tǒng)的核心組成部分，完成了整個(gè)系統(tǒng)的模擬量信號(hào)計(jì)算、數(shù)字量信號(hào)采集、保護(hù)邏輯、配網(wǎng)控制邏輯的實(shí)現(xiàn)及動(dòng)作出口,由于保護(hù)測(cè)控部分對(duì)數(shù)字信號(hào)處理能力要求相對(duì)較強(qiáng)，Cortex-M4系列高性能微控制器具有DSP和FPU指令，在高達(dá)180 MHz的工作頻率下通過(guò)閃存執(zhí)行時(shí)其處理性能達(dá)到225 DMIPS/608 CoreMark,完全可以滿足200KSPS ADC的采樣和保護(hù)邏輯的處理要求。并且COTEX-M4處理器片內(nèi)資源更豐富，通信接口更多，需要擴(kuò)展的電路很少，大大降低了配網(wǎng)產(chǎn)品的整體成本；且其整體性能除數(shù)字信號(hào)處理能力外，全面超越DSP處理器。

模擬量采樣部分?jǐn)M采用8通道DAS,內(nèi)置16位、雙極性輸入、同步采樣200KSPS ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。同時(shí)，為了既能滿足電壓、電流同步采樣的需求，又能夠節(jié)約成本，多路模擬量采集采用多路模擬開(kāi)關(guān)切換的方式來(lái)完成；這樣既能保證每一相電壓電流采樣點(diǎn)的相位同步，又節(jié)約了ADC器件降低了成本。

另外，本系統(tǒng)方案擴(kuò)展了SDRAM，Nor Flash，Nand Flash，鐵電等外設(shè)接口，其中SDRAM用于擴(kuò)展外部RAM，Nor Flash、Nand Flash和鐵電分別用來(lái)存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)、SOE等。對(duì)外接口擴(kuò)展出了2路CAN接口，一個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)口，B碼對(duì)時(shí)接口，2路RS485，2路RS232，直流模擬量輸入等接口，以上對(duì)外接口都通過(guò)隔離器件實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部的電氣隔離。

DSP板系統(tǒng)電路如圖2所示：

1.2 COM板電路設(shè)計(jì)

COM板通信管理部分，功能通用性較強(qiáng)，且其軟件開(kāi)發(fā)是基于Linux操作系統(tǒng)的，更換板卡后軟件移植的工作量也很小。COM板對(duì)上通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)軟件或者服務(wù)器通信，對(duì)下通過(guò)CAN總線或者其他串行總線與DSP板通信。根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)COM板擴(kuò)展了2路以太網(wǎng)接口，2路RS485，2路RS232，B碼對(duì)時(shí)接口，并且預(yù)留了藍(lán)牙，Zigbee，LCD接口。其硬件系統(tǒng)如圖3所示。

1.3 開(kāi)入板電路設(shè)計(jì)

開(kāi)入板用于采集外部回路的開(kāi)入信號(hào)，由于外部干擾的存在開(kāi)入電路必須加入硬件防抖和軟件防抖。為了精確計(jì)算遙信發(fā)生時(shí)間開(kāi)入板加入了秒脈沖對(duì)時(shí)，對(duì)時(shí)精度可以達(dá)到1ms。開(kāi)入板通過(guò)CAN總線與DSP進(jìn)行通信。開(kāi)入板系統(tǒng)原理如下圖4所示：

1.4 開(kāi)出板電路設(shè)計(jì)

開(kāi)出板用于完成保護(hù)邏輯、配網(wǎng)控制邏輯的動(dòng)作出口。由于開(kāi)出板對(duì)外出口的對(duì)象是線路上的開(kāi)關(guān)設(shè)備，因此必須保證開(kāi)出板不能出現(xiàn)誤動(dòng)，延遲動(dòng)作。本系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單可靠的防誤動(dòng)方法，給出口繼電器增加一級(jí)預(yù)控繼電器；2個(gè)預(yù)控分/合繼電器分別控制遙控分和遙控合繼電器的電源輸入，其中預(yù)控分繼電器的常開(kāi)節(jié)點(diǎn)與預(yù)控合的控制閉合節(jié)點(diǎn)相連，預(yù)控分繼電器的控制閉合節(jié)點(diǎn)與預(yù)控合繼電器的常開(kāi)節(jié)點(diǎn)相連；這樣下發(fā)遙控分命令時(shí)由于遙控合繼電器沒(méi)有電源輸入只能實(shí)現(xiàn)遙控分繼電器動(dòng)作，遙控合繼電器無(wú)法動(dòng)作，從而避免了遙控分/合的誤動(dòng)。實(shí)現(xiàn)原理如下圖5所示：

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件包括三個(gè)部分：上位機(jī)軟件，COM板軟件和DSP板軟件。上位機(jī)軟件主要完成設(shè)備的管理和參數(shù)下發(fā)，COM板軟件完成上位機(jī)軟件/后臺(tái)服務(wù)器與DSP軟件之間的數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)發(fā)，DSP完成了整個(gè)系統(tǒng)的模擬量信號(hào)計(jì)算、數(shù)字量信號(hào)采集、保護(hù)邏輯、配網(wǎng)控制邏輯的實(shí)現(xiàn)及動(dòng)作出口。

2.1 系統(tǒng)工作流程

上位機(jī)軟件/服務(wù)器將系統(tǒng)參數(shù)通過(guò)COM板下發(fā)至DSP板，DSP板根據(jù)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行模擬量信號(hào)實(shí)時(shí)采集及計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果作為邏輯保護(hù)和配網(wǎng)控制邏輯實(shí)現(xiàn)的依據(jù)；保護(hù)邏輯和配網(wǎng)控制邏輯的結(jié)果通過(guò)CAN總線下發(fā)至開(kāi)出板進(jìn)行動(dòng)作出口。開(kāi)入板將數(shù)字量信號(hào)采集的結(jié)果通過(guò)CAN總線上傳至DSP板，DSP板將生成的SOE保存在鐵電或者Nand Flash之中并通過(guò)COM板上傳至上位機(jī)軟件或者服務(wù)器。整個(gè)系統(tǒng)的通信鏈如圖6所示。

2.2 開(kāi)入板基于計(jì)數(shù)器的時(shí)間戳軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司相關(guān)文件的要求開(kāi)入板采集變位遙信狀態(tài)的時(shí)間需要精確到毫秒，而一般的MCU或者外部日歷芯片都沒(méi)有毫秒單位。為了實(shí)現(xiàn)此功能而不增加硬件成本選擇更高級(jí)的單片機(jī)或者外部日歷芯片，本方案實(shí)現(xiàn)了一種低成本基于計(jì)數(shù)器的時(shí)間戳系統(tǒng)。單片機(jī)至少具有一個(gè)16位和32位計(jì)數(shù)器，16位計(jì)數(shù)器作為毫秒或者微秒計(jì)數(shù)器，滿1秒向32位計(jì)數(shù)器進(jìn)一位（即32位計(jì)數(shù)器加1）32位計(jì)數(shù)器里存儲(chǔ)的為自2000年1月1日0時(shí)以來(lái)的秒數(shù)。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)DSP通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)下發(fā)日歷時(shí)間，并通過(guò)秒脈沖校準(zhǔn)16位定時(shí)器里面的計(jì)數(shù)值（接收到秒脈沖時(shí)計(jì)數(shù)清零）。通過(guò)32位和16位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就可以推算出日歷時(shí)間。

2.3 開(kāi)出板防誤動(dòng)的軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)開(kāi)出是保護(hù)邏輯和配網(wǎng)控制邏輯的輸出結(jié)果，節(jié)點(diǎn)開(kāi)出直接影響外部開(kāi)關(guān)的動(dòng)作狀態(tài)，因此除了硬件防止誤動(dòng)外本系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)了一種防誤動(dòng)軟件方案。下面以24點(diǎn)遙控進(jìn)行說(shuō)明，byte0～byte3的低6位表示1～24點(diǎn)各遙控變位，bit6作為bit0～bit5或結(jié)果的取反，即～(bit0 | bit 1 | bit2 | bit3 | bit4 | bit5)，bit7是bit6位的取反，即～bit6。byte4是byte0的取反，如果byte0為0xA3則byte4為0x5C。通過(guò)本校驗(yàn)產(chǎn)生的有益效果是即對(duì)遙控變位進(jìn)行了雙重校驗(yàn)，又避免了出現(xiàn)傳輸0x00或者0xFF的數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1

2.4 高效的功率矯正算法軟件設(shè)計(jì)

視在功率的向量表示 S = P + jQ （1），向量S在經(jīng)過(guò)互感器后經(jīng)過(guò)α角度便宜后的視在功率為S’ = P’ + jQ’ （2），根據(jù)歐拉公式 S = S’*ejα = (P’ + jQ’)*(cosα + jsinα) = (P’cosα - Q’sinα) +j(Q’cosα+ P’sinα) （3），根據(jù)（1）、（3）二式可知P = P’cosα - Q’sinα，Q = Q’cosα + P’sinα；由于α非常小，cos(α)近似為1，故P = P’ - Q’sinα（4），Q = Q’ + P’sinα （5）。由（5）式可知當(dāng)輸入Q為零時(shí)測(cè)量出的sinα = - Q’/P’。經(jīng)過(guò)本方法校準(zhǔn)后的功率值精確度比根據(jù)電壓電流計(jì)算出相角差再進(jìn)行功率矯正的方法要高，并且該方法大大減少了功率矯正的計(jì)算量，縮短了程序中斷的時(shí)間。

2.5 高可靠性的對(duì)時(shí)策略

針對(duì)設(shè)備所處的環(huán)境，本方案實(shí)現(xiàn)了以下對(duì)時(shí)方案：B碼對(duì)時(shí)，SNTP對(duì)時(shí)，104規(guī)約對(duì)時(shí)，CAN規(guī)約對(duì)時(shí)，秒脈沖對(duì)時(shí)。COM板對(duì)時(shí)優(yōu)先級(jí)順序由高到低為B碼對(duì)時(shí)，SNTP對(duì)時(shí)，104規(guī)約對(duì)時(shí)；DSP板對(duì)時(shí)優(yōu)先級(jí)順序由高到低為CAN協(xié)議對(duì)時(shí)，B碼對(duì)時(shí)；開(kāi)入板通過(guò)CAN協(xié)議與秒脈沖協(xié)同對(duì)時(shí)。

系統(tǒng)對(duì)時(shí)方案如圖7所示。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)方案嚴(yán)格遵守了國(guó)網(wǎng)公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并已經(jīng)通過(guò)國(guó)家電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中心的EMC試驗(yàn)與型式試驗(yàn)。本方案在設(shè)計(jì)中充分考慮了硬件的可擴(kuò)展性可根據(jù)不同的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)國(guó)網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)中4U和6U的核心單元設(shè)計(jì)。目前各大電氣設(shè)備廠商相繼推出自己的DTU、FTU、TTU設(shè)備，本方案提供了一種低成本、高可靠性，高運(yùn)行效率的設(shè)計(jì)思路，并且運(yùn)行結(jié)果表明本配網(wǎng)自動(dòng)化DTU產(chǎn)品的使用提高了配網(wǎng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平和實(shí)用化水平，有利的推動(dòng)了配網(wǎng)自動(dòng)化行業(yè)的發(fā)展。