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配网自动化终端设备的设计与实现
摘要: 近年来我国电力用户用电量剧增，配电网络规模越来越庞大，单纯的人力监测配网运行状况已经远远不能满足如此复杂的配网运行的需要，配电网自动化改造迫在眉睫。电力配网的节点数量庞大，大量的配网自动化终端（FTU）需要投入到配电网络中。为了适应国内应用特点并且有效的控制FTU的造价，本文以ARM7为核心，配合必要的外设电路，设计了一款配网自动化监测终端，并通过试验对其功能进行了验证。 关键词：配电网络，FTU，硬件设计，软件设计
一 概述。
随着我国电力系统的不断发展壮大，电网设备逐渐向大型化、参数化和复杂化发展，传统的设备检修制度的缺陷越来越明显，如果由于频繁的操作导致电力设备老化或损坏，造成故障在设备检修周期到达前发生，从而不仅引起停电故障，还可能造成人员或气体设备的损坏。过度维修不仅用户的运行时间缩短，而且经常导致变压器等电力设备在充分发挥其全部经济效益之前就过早更换，设备的使用效率降低，电网的运维费用也增加了，所以配电网的状态监测就显得十分必要。本文设计了一款FTU装置，该装置的核心处理器为ARM7，通信采用nRF905和MC55构成无线通信，从而实现配电网络的信息采集、传送和计算分析，从而实现电力系统的自动化。同时，FTU的在线监测功能可以实现变压器的状态检测和评估，提供配电检修的依据，从而合理安排配电检修计划，有效的降低检修时间。
二 配网自动化FTU的设计和实现。
2.1 配网自动化FTU的硬件设计
1 FTU装置的构成。
图2.1为FTU的整体架构。整个设备由数据采集部分、中央控制单元CPU、电源部分、在线绝缘监测部分以及通信模块构成。为降低装置的制造成本，提高其可靠性，在进行FTU设计时应在确保装置功能完善的同时尽量降低装置结构的复杂程度。考虑装置功能的扩展升级，应预留部分输入输出接口，为以后的系统升级维护做准备。
图2.1 FTU的架构图
（1）FTU的CPU选择。
该装置的微处理器采用飞利浦LPC2292，其CPU为ARM7处理器芯片。ARM7芯片具有实时仿真功能，并可以进行仿真跟踪。其工作频率可达60Hz，高速闪存储器为256k字节，存储器接口为128位。在最高时钟频率下在芯片可以执行32位代码。LPC2292芯片的封装形式为144脚，其功率消耗极低，内置多个定时器，自带ADC为8通道，精度为10位，以及2路CAN通讯通道，具有脉冲调制输出功能和9各外部中断接口。该芯片十分适合工业自动化控制。[1]
（2）AD转换芯片的选择。
由于LPC2292自带的AD通道精度仅为10位，精度比较低，难以满足数据采集的精度要求，为确保FTU的信号采集精度和速度，装置外加精度为12位的AD转换芯片。我们选择MAX197_E芯片，该芯片具有8路12位模拟量转换通道，其最大转化速率可达100kSPS，工作电压为双极性，自带信号调理电路，可进行安全隔离。工业级的芯片，其工作温度范围可达-40℃~85℃。可测量-10V到+10V的电压信号以及0-20mA的电流信号进行检测，CT和PT转化后的信号可以直接接入，其最大耐受电压为16.5V。MAX197_E引脚的主要功能如表2-1所示。
表2-1 MAX197_E引脚功能表
（3）CT与PT的选取。
FTU的CT我们选择LCTA2ECE-60A/24mA型电流互感器。该互感器一次侧的额定工作电流为60A，二次侧的额定电流为24mA，额定采样电压为4.8V，采样电阻为200欧，相移在20′以内，非线性度在0.2%以内，线性范围超过1.5倍额定值，最大耐受电压超过6000V。FTU的PT选择TV1005-1M电流型电压互感器，其一次侧回路电压应在1000V以内，二次侧电压应地狱0.75V，额定电流为2mA，相移在15′以内，非线性度在0.2%以内，线性范围超过1.5倍额定值，50Hz下耐受2000V电压一分钟。在工作过程中需要对一次侧电流进行限值，由于PT的电压通常为100V，限流电阻理论上可选择50KΩ,为保留一定的余量电阻可取51KΩ。[2]图2.2为PT采样电路。
图2.2 PT采样电路图
（4）温度传感器的选择。
为了对变压器和电缆等设备的运行温度进行监测，需要增加温度检测芯片，本文选取了DS18B20型号数字温度检测芯片，该芯片优点在于外形较小，应用范围广，可靠性高以及响应时间短。
（5）外部扩展存储芯片。
选取容量为64M的IS42S16400A芯片作为外存储器，该存储器满足了FTU的数据存储和日后的扩展需求。该存储其芯片的供电电压为3.3V，可以和CPU芯片共用电源。该芯片运行标准为工业级，可适应较为恶劣的工作环境。
（6）通信芯片的选择。
FTU的通讯要满足通信速率高、功率消耗低、抗干扰能力强以及性价比高等要求。因此本文中选择nRF905芯片实现装置的无线通信功能，该芯片在工业控制领域应用广泛，其传输距离远可达300米以上，抗干扰能力强，可经受高压干扰。[3]
2 开关量输入输出部分。
配电网的各种开关的位置信号是FTU的开关量点的主要检测对象。通常这些信号通过信号电缆接入FTU。为了避免外部干扰信号通过信号电缆进入FTU，从而对装置造成干扰，应对开关量端口进行光电隔离处理。经过光电隔离的信号首先存入数据缓冲区，传输给CPU。光电隔离器我们选择型号为TLP521-4的芯片，该芯片自带4路光电回路，其最大直流隔离电压为2500V，四路的光耦单元相互独立，工作温度在-55℃-100℃。 开关量点的工作电压为24V，图2.3为开关量输入模块电路图。
图2.3 开关量输入电路图
3 FTU电源模块设计。
为提高电源的安全性和可靠性，选择由蓄电池构成的电源电路为FTU提供电源。当正常运行过程中，系统自动为蓄电池进行充电，并未FTU提供电源，当电网故障断电后，由蓄电池继续为装置持续供电，从而保证监控模块的持续运行。该FTU模块的电源经过电流互感器从电网耦合取得，经过整流桥整流后经由UC3906电源芯片为蓄电池充电。蓄电池电压经LP2985芯片控制转换后供给FTU使用，该电源的输出电流为150mA，输出电压控制精度可达0.01V。电源模块的电路图如下所示。
图2.4 FTU电源模块电路图
4 在线绝缘监测模块。
为加强电网的状态监控，该FTU选用了成熟了状态监控模块对电网的变压器、电抗器等电力设备的绝缘情况进行监控，为设备的状态检修提供数据支持。
2.2 FTU的软件设计。
ADS1.2是专门针对ARM系列芯片的编程软件，其功能强大。ADS软件由仿真模块、编译模块、应用函数模块以及调试模块四部分构成。支持C语言和C++语言编程，容易上手，编程难度和编程工作量都有效降低。FTU的软件采用模块化结构设计，首先建立系统的整体架构，整个系统由几个单独的功能模块构成，每个模块逐步求精细化。通过采用定时等内部中断以及数据采样、通讯请求等外部中断等手段设置标志位，通过检测这些标志位调用相应的功能函数实现相应的功能。如图2.5所示，装置上电后首先进行初始化，完成初始参数的设定，首先检测自身运行状态，判断是否进行数据处理请求、信号检测请求、故障分析以及通讯请求等功能调用，从而在需要的情况下实现这些功能。
图2.5 FTU主程序流程图
2.3 FTU的实现。
为对该FTU的性能进行测试，从而验证装置的信号采集和通讯功能进行测试，从而确保产品的硬件和软件的可靠性。在试验中将FTU安装在变压器和电阻负载组成的系统中，进行模拟试验。经测试表明该装置信号采集速度快、精度高，数据采集值和实际测量值基本相同，误差在允许范围内，故障检测和报警模块工作正常。通讯功能正常，可进行可靠连接。其性能达到设计要求。
三结论。
随着电网规模的不断扩大，以及相关技术的不断进步配电网络的自动化需求越来越高。FTU是配网自动化系统中的重要节点，对提高电力系统运行的可靠性，提高系统供电质量，缩短系统检修时间，提升系统运行效益有着极大的促进作用。本文设计的FTU装置从实际应用和成本投入综合考虑，满足了设备可靠性、成本投入、设备功能、维护的易操作性以及系统的易扩展性等方面的需求。在线绝缘检测装置的引入，使设备具备了状态检测的功能，愈发的适合我国配网自动化的需求。
参考文献：
[1] 周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M],北京:北京航空航天大学出版社,2005.30-31.
[2] 李乐乐.基于ARM的10kV配电网控制与保护技术研究[硕士学位论文]，华北电力大学（保定），2008.
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