吳 航，韓 俊，何 帥，王婭楠，程 亮

（南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，南京 211167）

1 引言

近些年隨著我國配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)，針對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的仿真培訓(xùn)及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也得到了探索。如文獻(xiàn)[1]介紹了一種配網(wǎng)自動(dòng)化仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)有模擬柜（三部分構(gòu)成：配網(wǎng)一次設(shè)備模擬部分，模擬控制器部分及負(fù)荷模擬部分）、控制中心（控制中心由計(jì)算機(jī)、通訊控制器及其它計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備構(gòu)成。軟件由四部分構(gòu)成：控制中心界面設(shè)計(jì)軟件、系統(tǒng)運(yùn)行情況演示軟件、遠(yuǎn)程操作控制軟件，線路仿真及計(jì)算軟件）及顯示部分構(gòu)成。該仿真系統(tǒng)為配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)搭建了一個(gè)應(yīng)用研究平臺(tái)，目前，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)多種方案的仿真。系統(tǒng)能演示配電網(wǎng)的正常運(yùn)行方式和故障運(yùn)行方式及故障隔離過程。

文獻(xiàn)[2]介紹了一種采用分層式體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際城區(qū)10kV配電網(wǎng)自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)模擬。根據(jù)現(xiàn)實(shí)的配網(wǎng)系統(tǒng)，整個(gè)模擬系統(tǒng)分為配電網(wǎng)主站層、終端層和一次設(shè)備層 3個(gè)層次。通過通信系統(tǒng)將 3個(gè)圖3 配電模擬培訓(xùn)系統(tǒng)配置層次統(tǒng)一起來，可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)各種工況和故障的模擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)習(xí)者充分了解現(xiàn)代化的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，了解配電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)律和電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行技術(shù)，充分掌握電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)。

目前配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)有純軟件仿真和數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)兩種，本文介紹一個(gè)配網(wǎng)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，也是兼具軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。

2 配網(wǎng)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文設(shè)計(jì)的配網(wǎng)自動(dòng)化試驗(yàn)系統(tǒng)以0.4kV電壓等級(jí)模擬10kV配網(wǎng)，結(jié)構(gòu)上分為主站層和終端層2層設(shè)計(jì)。其中主站層由PC機(jī)模擬，采用C++Builder開發(fā)，具備配網(wǎng)SCADA、智能告警、SOE數(shù)據(jù)庫和報(bào)文查詢等功能。終端層為FTU實(shí)驗(yàn)裝置，終端通過以太網(wǎng)或CAN總線與模擬主站連接，采用當(dāng)前配網(wǎng)中使用的104、101和DNP3.0等通信規(guī)約，將采集的遙測(cè)、遙信量上傳，接受主站的遙控命令，操作繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷開關(guān)的控制，以及繼電保護(hù)和故障監(jiān)測(cè)等功能。

配網(wǎng)自動(dòng)化試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

項(xiàng)目編號(hào)：TB201904016

作者簡(jiǎn)介： 吳 航，男，漢族，1994年生，江蘇宿遷人，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)信息工程。

韓 俊，男，漢族，1998年生，江蘇南京人，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)信息工程。

何 帥，男，漢族，1996年生，河南洛陽人，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)信息工程。

王婭楠，女，漢族，1999年生，女，漢族，江蘇泰州人，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)信息工程。

程 亮，男，漢族，1998年生，安徽宣城人，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)信息工程。

3 FTU硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于STM32F407開發(fā)平臺(tái)，硬件上分為CPU板，信息采集板，LCD顯示模塊和電源模塊，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 FTU硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 CPU板

CPU板核心處理器采用M4架構(gòu)的STM32F407ZGT6，該處理器主頻高達(dá)168MHz，片上資源豐富，包含192kB片內(nèi)SRAM和1MB的片上FLASH存儲(chǔ)器，3個(gè)12位ADC控制器，即使不外擴(kuò)交流采樣AD，也可實(shí)現(xiàn)直流采樣，同時(shí)具備RTC時(shí)鐘、MAC控制器和多個(gè)GPIO接口，方便和節(jié)省了大量外部電路設(shè)計(jì)。為方便報(bào)文數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢，外擴(kuò)了16MB FLASH存儲(chǔ)器和SD卡接口模塊，可滿足大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求。

3.2 數(shù)據(jù)采集板

對(duì)于遙信量，即開關(guān)狀態(tài)的采集，通過接觸器的輔助觸點(diǎn)，經(jīng)光耦隔離后可直接由GPIO端口接入CPU處理。模擬開關(guān)采用帶輔助觸點(diǎn)的接觸器，相對(duì)于繼電器而言，接觸器開斷電流能力更強(qiáng)，可達(dá)100A左右，不僅可以模擬遙控操作，切斷負(fù)荷電流，對(duì)于模擬的故障電流也可以切斷。

電壓電流的模擬量采集，由于主CPU內(nèi)部包括3個(gè)ADC控制器，可采用直流采樣方式，即電壓電流經(jīng)互感器變換后接全波整流電路，再經(jīng)濾波電路，濾去交流成分，接入CPU板的GPIO口，提供給處理器處理。此種方案優(yōu)點(diǎn)省去了AD模塊，但需要定制特定的電壓、電流互感器。本設(shè)計(jì)采用交流采樣方式，采用380/7.07V電壓互感器和電壓輸出的電流互感器。當(dāng)一次側(cè)輸入電壓范圍為0-380V時(shí)，二次輸出電壓為0-7.07V，當(dāng)一次側(cè)輸入電流為0-100A時(shí)，二次側(cè)輸出電壓為0-7.07V，經(jīng)濾波后送入同步采樣AD芯片，AD芯片與主CPU之間采用SPI總線通信，將轉(zhuǎn)換得到的電壓、電流數(shù)字量送CPU處理。這里采用的AD芯片為AD7606，可實(shí)現(xiàn)8路信號(hào)輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電壓、電流以及零序量的采集。液晶顯示采用7英寸LCD顯示屏，帶有電容觸摸屏功能，經(jīng)過調(diào)用STemWin圖形庫函，開發(fā)友好人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)觸摸操作，代替了傳統(tǒng)的矩陣鍵盤，使得操作更直觀便捷。

3.3 液晶顯示模塊

3.4 電源模塊

電源模塊采用AC轉(zhuǎn)DC方式。220V交流輸入轉(zhuǎn)直流12V或24V輸出供各模塊使用。其中，CPU板采用直流12V電源供電，滿足主芯片和LCD顯示屏的功率需求；信息采集板采用直流24V供電，用以驅(qū)動(dòng)接觸器線包，實(shí)現(xiàn)分合操作，并通過分壓形成一路5V輸出供AD7606使用。

4 FTU軟件設(shè)計(jì)

FTU軟件設(shè)計(jì)采用嵌入式操作系統(tǒng)FreeRTOS，以搶占方式，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是將并發(fā)的各任務(wù)按照其實(shí)時(shí)性，賦以不同的優(yōu)先級(jí)，實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)則擁有高優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先享有CPU使用權(quán)。處理高優(yōu)先級(jí)任務(wù)時(shí)，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)被掛起，待高優(yōu)先級(jí)任務(wù)處理完成，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。相對(duì)于無操作系統(tǒng)的大循環(huán)方式，F(xiàn)reeRTOS的任務(wù)處理是并發(fā)的，根據(jù)其優(yōu)先級(jí)，搶占、掛起任務(wù)，實(shí)時(shí)性更高[3]。

FTU各部分的硬件驅(qū)動(dòng)采用調(diào)用庫函數(shù)形式開發(fā)。ST官方提供了符合CMSIS規(guī)范的固件庫，在使用時(shí)，只需將固件庫中的“stm32f4xx_xxx.c/.h”文件和配置文件“stm32f4xx_conf.h”復(fù)制到工程下，并根據(jù)我們用到的功能，配置相應(yīng)的“.c”文件即可。

FTU軟件組成如圖3所示。

圖3 FTU軟件結(jié)構(gòu)框圖

5 FTU功能特點(diǎn)

5.1 獨(dú)有實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降摹叭藱C(jī)交互”功能

配網(wǎng)FTU多安裝于戶外饋線桿塔，不具備人機(jī)界面，直接用來搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不利于對(duì)配網(wǎng)信息流傳輸及通信規(guī)約的研究。本設(shè)計(jì)通過ST emWIN開發(fā)獨(dú)有的人機(jī)界面，方便實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较碌挠押谩叭藱C(jī)交互”，主要功能包括饋線運(yùn)行狀態(tài)顯示、保護(hù)參數(shù)整定、通信方式選擇和通信報(bào)文查閱等。

配網(wǎng)運(yùn)行的電壓電流量和開關(guān)狀態(tài)量可實(shí)時(shí)顯示在液晶屏幕上，保護(hù)參數(shù)在身份認(rèn)證后可手動(dòng)修改，通信方式提供了多種選擇，可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)、CAN總線等通信方式。模擬了配網(wǎng)通信規(guī)約，例如IEC60870-5-101、104規(guī)約，DNP3.0規(guī)約以及IEC61850規(guī)約的IED建模部分等。FTU與主站的通信報(bào)文存儲(chǔ)于本機(jī)存儲(chǔ)模塊，可通過報(bào)文查詢功能，將報(bào)文逐條顯示在報(bào)文查閱界面，直觀的反映出配網(wǎng)的通信過程，便于FTU于主站信息流的研究。

5.2 與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用相同的FTU功能

本設(shè)計(jì)具備與現(xiàn)場(chǎng)FTU相同的遙測(cè)、遙信、遙控以及對(duì)時(shí)功能。FTU通過以太網(wǎng)等通信方式與主站連接后，可上傳配網(wǎng)運(yùn)行的電壓、電流量和開關(guān)狀態(tài)量，并接受模擬主站的遙控命令，進(jìn)行相應(yīng)的遙控返校及執(zhí)行操作，控制接觸器分合閘。另外，本機(jī)自帶RTC時(shí)鐘單元，可接收主站對(duì)時(shí)命令，并實(shí)現(xiàn)與主站的時(shí)鐘同步。

6 結(jié)束語

本文介紹的配網(wǎng)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及帶液晶顯示的FTU裝置設(shè)計(jì)，可以模擬配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的部分功能及實(shí)際FTU的全部功能，F(xiàn)TU特有的液晶顯示設(shè)計(jì)能把FTU與主站通信的信息流展示，對(duì)智能電網(wǎng)信息工程是一個(gè)很好的研究平臺(tái)。