關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)TU，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)

一 概述。

隨著我國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展壯大，電網(wǎng)設(shè)備逐漸向大型化、參數(shù)化和復(fù)雜化發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)備檢修制度的缺陷越來越明顯，如果由于頻繁的操作導(dǎo)致電力設(shè)備老化或損壞，造成故障在設(shè)備檢修周期到達(dá)前發(fā)生，從而不僅引起停電故障，還可能造成人員或氣體設(shè)備的損壞。過度維修不僅用戶的運(yùn)行時(shí)間縮短，而且經(jīng)常導(dǎo)致變壓器等電力設(shè)備在充分發(fā)揮其全部經(jīng)濟(jì)效益之前就過早更換，設(shè)備的使用效率降低，電網(wǎng)的運(yùn)維費(fèi)用也增加了，所以配電網(wǎng)的狀態(tài)監(jiān)測就顯得十分必要。本文設(shè)計(jì)了一款FTU裝置，該裝置的核心處理器為ARM7，通信采用nRF905和MC55構(gòu)成無線通信，從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)的信息采集、傳送和計(jì)算分析，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化。同時(shí)，F(xiàn)TU的在線監(jiān)測功能可以實(shí)現(xiàn)變壓器的狀態(tài)檢測和評估，提供配電檢修的依據(jù)，從而合理安排配電檢修計(jì)劃，有效的降低檢修時(shí)間。

二 配網(wǎng)自動(dòng)化FTU的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

2.1 配網(wǎng)自動(dòng)化FTU的硬件設(shè)計(jì)

1FTU裝置的構(gòu)成。

圖2.1為FTU的整體架構(gòu)。整個(gè)設(shè)備由數(shù)據(jù)采集部分、中央控制單元CPU、電源部分、在線絕緣監(jiān)測部分以及通信模塊構(gòu)成。為降低裝置的制造成本，提高其可靠性，在進(jìn)行FTU設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在確保裝置功能完善的同時(shí)盡量降低裝置結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。考慮裝置功能的擴(kuò)展升級，應(yīng)預(yù)留部分輸入輸出接口，為以后的系統(tǒng)升級維護(hù)做準(zhǔn)備。

圖2.1 FTU的架構(gòu)圖

（1）FTU的CPU選擇。

該裝置的微處理器采用飛利浦LPC2292，其CPU為ARM7處理器芯片。ARM7芯片具有實(shí)時(shí)仿真功能，并可以進(jìn)行仿真跟蹤。其工作頻率可達(dá)60Hz，高速閃存儲器為256k字節(jié)，存儲器接口為128位。在最高時(shí)鐘頻率下在芯片可以執(zhí)行32位代碼。LPC2292芯片的封裝形式為144腳，其功率消耗極低，內(nèi)置多個(gè)定時(shí)器，自帶ADC為8通道，精度為10位，以及2路CAN通訊通道，具有脈沖調(diào)制輸出功能和9各外部中斷接口。該芯片十分適合工業(yè)自動(dòng)化控制。[1]

（2）AD轉(zhuǎn)換芯片的選擇。

由于LPC2292自帶的AD通道精度僅為10位，精度比較低，難以滿足數(shù)據(jù)采集的精度要求，為確保FTU的信號采集精度和速度，裝置外加精度為12位的AD轉(zhuǎn)換芯片。我們選擇MAX197_E芯片，該芯片具有8路12位模擬量轉(zhuǎn)換通道，其最大轉(zhuǎn)化速率可達(dá)100kSPS，工作電壓為雙極性，自帶信號調(diào)理電路，可進(jìn)行安全隔離。工業(yè)級的芯片，其工作溫度范圍可達(dá)-40℃~85℃。可測量-10V到+10V的電壓信號以及0-20mA的電流信號進(jìn)行檢測，CT和PT轉(zhuǎn)化后的信號可以直接接入，其最大耐受電壓為16.5V。MAX197_E引腳的主要功能如表2-1所示。

表2-1 MAX197_E引腳功能表

D7(MSB)

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

PDI

PD0

ACQMOD

RNG

BIP

A2

A1

A0

時(shí)鐘及電源關(guān)斷模式選擇

內(nèi)部/外部采集選擇

量程選擇

極性選擇

模擬輸入通道選擇

（3）CT與PT的選取。

FTU的CT我們選擇LCTA2ECE-60A/24mA型電流互感器。該互感器一次側(cè)的額定工作電流為60A，二次側(cè)的額定電流為24mA，額定采樣電壓為4.8V，采樣電阻為200歐，相移在20′以內(nèi)，非線性度在0.2%以內(nèi)，線性范圍超過1.5倍額定值，最大耐受電壓超過6000V。FTU的PT選擇TV1005-1M電流型電壓互感器，其一次側(cè)回路電壓應(yīng)在1000V以內(nèi)，二次側(cè)電壓應(yīng)地獄0.75V，額定電流為2mA，相移在15′以內(nèi)，非線性度在0.2%以內(nèi)，線性范圍超過1.5倍額定值，50Hz下耐受2000V電壓一分鐘。在工作過程中需要對一次側(cè)電流進(jìn)行限值，由于PT的電壓通常為100V，限流電阻理論上可選擇50KΩ,為保留一定的余量電阻可取51KΩ。[2]圖2.2為PT采樣電路。

（4）溫度傳感器的選擇。

為了對變壓器和電纜等設(shè)備的運(yùn)行溫度進(jìn)行監(jiān)測，需要增加溫度檢測芯片，本文選取了DS18B20型號數(shù)字溫度檢測芯片，該芯片優(yōu)點(diǎn)在于外形較小，應(yīng)用范圍廣，可靠性高以及響應(yīng)時(shí)間短。

（5）外部擴(kuò)展存儲芯片。

選取容量為64M的IS42S16400A芯片作為外存儲器，該存儲器滿足了FTU的數(shù)據(jù)存儲和日后的擴(kuò)展需求。該存儲其芯片的供電電壓為3.3V，可以和CPU芯片共用電源。該芯片運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)為工業(yè)級，可適應(yīng)較為惡劣的工作環(huán)境。

（6）通信芯片的選擇。

FTU的通訊要滿足通信速率高、功率消耗低、抗干擾能力強(qiáng)以及性價(jià)比高等要求。因此本文中選擇nRF905芯片實(shí)現(xiàn)裝置的無線通信功能，該芯片在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其傳輸距離遠(yuǎn)可達(dá)300米以上，抗干擾能力強(qiáng)，可經(jīng)受高壓干擾。[3]

2 開關(guān)量輸入輸出部分。

配電網(wǎng)的各種開關(guān)的位置信號是FTU的開關(guān)量點(diǎn)的主要檢測對象。通常這些信號通過信號電纜接入FTU。為了避免外部干擾信號通過信號電纜進(jìn)入FTU，從而對裝置造成干擾，應(yīng)對開關(guān)量端口進(jìn)行光電隔離處理。經(jīng)過光電隔離的信號首先存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，傳輸給CPU。光電隔離器我們選擇型號為TLP521-4的芯片，該芯片自帶4路光電回路，其最大直流隔離電壓為2500V，四路的光耦單元相互獨(dú)立，工作溫度在-55℃-100℃。 開關(guān)量點(diǎn)的工作電壓為24V，圖2.3為開關(guān)量輸入模塊電路圖。

圖2.3 開關(guān)量輸入電路圖

3 FTU電源模塊設(shè)計(jì)。

為提高電源的安全性和可靠性，選擇由蓄電池構(gòu)成的電源電路為FTU提供電源。當(dāng)正常運(yùn)行過程中，系統(tǒng)自動(dòng)為蓄電池進(jìn)行充電，并未FTU提供電源，當(dāng)電網(wǎng)故障斷電后，由蓄電池繼續(xù)為裝置持續(xù)供電，從而保證監(jiān)控模塊的持續(xù)運(yùn)行。該FTU模塊的電源經(jīng)過電流互感器從電網(wǎng)耦合取得，經(jīng)過整流橋整流后經(jīng)由UC3906電源芯片為蓄電池充電。蓄電池電壓經(jīng)LP2985芯片控制轉(zhuǎn)換后供給FTU使用，該電源的輸出電流為150mA，輸出電壓控制精度可達(dá)0.01V。電源模塊的電路圖如下所示。

圖2.4 FTU電源模塊電路圖

4 在線絕緣監(jiān)測模塊。

為加強(qiáng)電網(wǎng)的狀態(tài)監(jiān)控，該FTU選用了成熟了狀態(tài)監(jiān)控模塊對電網(wǎng)的變壓器、電抗器等電力設(shè)備的絕緣情況進(jìn)行監(jiān)控，為設(shè)備的狀態(tài)檢修提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 FTU的軟件設(shè)計(jì)。

ADS1.2是專門針對ARM系列芯片的編程軟件，其功能強(qiáng)大。ADS軟件由仿真模塊、編譯模塊、應(yīng)用函數(shù)模塊以及調(diào)試模塊四部分構(gòu)成。支持C語言和C++語言編程，容易上手，編程難度和編程工作量都有效降低。FTU的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先建立系統(tǒng)的整體架構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)由幾個(gè)單獨(dú)的功能模塊構(gòu)成，每個(gè)模塊逐步求精細(xì)化。通過采用定時(shí)等內(nèi)部中斷以及數(shù)據(jù)采樣、通訊請求等外部中斷等手段設(shè)置標(biāo)志位，通過檢測這些標(biāo)志位調(diào)用相應(yīng)的功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。如圖2.5所示，裝置上電后首先進(jìn)行初始化，完成初始參數(shù)的設(shè)定，首先檢測自身運(yùn)行狀態(tài)，判斷是否進(jìn)行數(shù)據(jù)處理請求、信號檢測請求、故障分析以及通訊請求等功能調(diào)用，從而在需要的情況下實(shí)現(xiàn)這些功能。

圖2.5 FTU主程序流程圖

2.3 FTU的實(shí)現(xiàn)。

為對該FTU的性能進(jìn)行測試，從而驗(yàn)證裝置的信號采集和通訊功能進(jìn)行測試，從而確保產(chǎn)品的硬件和軟件的可靠性。在試驗(yàn)中將FTU安裝在變壓器和電阻負(fù)載組成的系統(tǒng)中，進(jìn)行模擬試驗(yàn)。經(jīng)測試表明該裝置信號采集速度快、精度高，數(shù)據(jù)采集值和實(shí)際測量值基本相同，誤差在允許范圍內(nèi)，故障檢測和報(bào)警模塊工作正常。通訊功能正常，可進(jìn)行可靠連接。其性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

三結(jié)論。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以及相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步配電網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化需求越來越高。FTU是配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的重要節(jié)點(diǎn)，對提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，提高系統(tǒng)供電質(zhì)量，縮短系統(tǒng)檢修時(shí)間，提升系統(tǒng)運(yùn)行效益有著極大的促進(jìn)作用。本文設(shè)計(jì)的FTU裝置從實(shí)際應(yīng)用和成本投入綜合考慮，滿足了設(shè)備可靠性、成本投入、設(shè)備功能、維護(hù)的易操作性以及系統(tǒng)的易擴(kuò)展性等方面的需求。在線絕緣檢測裝置的引入，使設(shè)備具備了狀態(tài)檢測的功能，愈發(fā)的適合我國配網(wǎng)自動(dòng)化的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M],北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.30-31.

[2]李樂樂.基于ARM的10kV配電網(wǎng)控制與保護(hù)技術(shù)研究[碩士學(xué)位論文]，華北電力大學(xué)（保定），2008.