基于ARM9的一种新型馈线自动化终端设计

摘要：为提高馈线自动化的水平，提出了基于ARM9处理器的一种新型馈线自动化终端设计，实现了馈线终端的遥调、遥测、遥信、遥控功能。测试结果表明，该装置数据采集速度快、精度高，无线通信可靠稳定，满足现代配网自动化要求。

引言

随着智能电网研究的兴起和城乡电网结构的不断改进，对配电网自动化提出了更高的要求。具有选择性、能快速切除故障、具备故障自愈能力的馈线终端(Feeder Terminal Unit，FTU)成为研究热点。参考文献中基于数字处理器DSP，参考文献中应用ARM与DSP分别开发设计了馈线自动化终端装置。

上述参考文献采用不同的处理器，使用不同的技术，设计了配电网馈线终端，但所设计装置存在着成本高、配置灵活性低和安装布线困难等问题。ARM微处理器具有较强的处理能力，运算速度快、性能高、功耗低、成本低、体积小，是馈线终端核心控制器件的首选。物联网技术是新一代信息技术的重要部分，具有广阔的应用前景，可以实现馈线终端数据无线通信。新型能源太阳能无污染、可再生、成本低，使用太阳能是一个必然的趋势。

1 FTU整体设计方案

馈线自动化系统是对配电线路上的设备进行远程实时监视、协调及控制的一个集成系统，由3部分组成：馈线终端(FTU)、监测子站和监控中心。其基本结构如图1所示。

监测线路上的FTU负责采集配电线路的电量信息，对柱上开关进行监测与控制，并把配电线路及柱上开关的信息通过射频网络汇聚到监测子站，监测子站则发挥数据转发的作用，利用3G路由器的DTU功能实现远程传输。

配电主站实时接收FTU终端采集的信息数据包，并对实时数据包进行解包、校验、数据动态显示、存储、故障判定等，并且实现监控中心远程控制柱上开关闭合等控制功能。

2 馈线终端结构设计

馈线终端FTU的主要任务是采集配电线路电量信息、监测控制柱上开关状态，通过射频网络把实时信息发送到监测子站以及接收与处理上位机发送的控制命令。针对上述要求，本终端应具有以下功能：实时电量信息采集及监测功能、柱上开关控制与状态监控、数据处理与存储功能、无线通信功能。根据以上功能分析，结合装置本身的可靠性和可扩展性的要求，硬件设计采用可组态的模块化设计，其中硬件结构包括CPU控制模块、电量采集模块、开关量输入/输出模块、无线通信模块、数据存储模块及电源模块等几部分，其结构如图2所示。

2.1 双电源可切换电源模块

FTU采用双电源供电模式，在系统正常运转情况下，通过PT获取AC220 V为系统提供24 V、5 V电源;在系统出现故障时，自动切换到备用电源模式。

FTU终端的备用电源采用太阳能充电的锂电池，通过把两块12 V电池串联获取24 V直流工作电源(柱上开关的操作电压)，在电力系统出现故障时为FTU终端提供供电时，还能保证对柱上开关至少3次分合闸操作的能量，从而保证电力系统供电的可靠性。馈线终端的供电电压为DC5 V，DC24 V电压经WD15—24D05C1和WD15—24S05C1的DC/DC模块转换为±5 V，为CPU控制模块和其他模块供电，电源转换电路如图3所示。

2.2 实时电量及开关状态采集模块

电量采集模块使用的是炬力公司的三相电能专用计量芯片ATT7022B，ATT7022B集成了6路二阶sigmadelta、ADC、参考电压电路、所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路，能够测量各相以及合相的有功、无功及视在功率，同时还能测量各相电流、电压有效值以及功率因数、相角、频率等参数。ATT7022B提供一个SPI接口，方便与CPU控制模块进行计量参数以及校表参数的传递，所有计量参数都可以通过SPI接口读出。

实际上FTU电量采集通过ATT7022B完成，而ARM芯片承担各种通信接口、人机接口和I/O控制等外围工作，这样可以降低软件设计的复杂度，有效缩短数字滤波和傅立叶变换的计算时间。另外，S3C2440A可支持嵌入式操作系统Linux，将各种通信功能、人机接口功能和I/O控制功能转化为实时并发运行的多个任务，由Linux进行任务管理和状态切换，不仅提高了软件系统的实时性，而且可以有效管理ARM采集的各种信息，满足配电系统对FTU功能的多样化和智能化需求。

柱上开关状态信号采集模块功能是将各种柱上开关量状态信号通过光电隔离电路和并行接口电路送入CPU模块。配电网电力系统的状态信息主要涵盖保护信号、自动装置的动作状态、隔离开关的位置状态以及系统、设备的运行状态等。所述的状态信息都可以转换为辅助触点或者继电器的触点位置信号。因此，只要采集触点开关位置信息就可以实现柱上开关状态信号的采集工作。

柱上开关状态信号采集模块和控制信号输出模块是单独设计的，两个模块各自拥有独立的回路。为了确保采集的柱上开关状态信息的准确性和可靠性，在电路中加入了光电隔离元件以采取必要的隔离措施，并且防止干扰信号经采集模块进入监测终端中。柱上开关状态采集电路如图4所示。

2.3 辅助硬件组成部分

馈线自动化系统遥信输入、遥控输出电路主要是完成状态信号的输入/输出，包括柱上开关的开合、远方/当地状况、通信是否正常、蓄电池投入状况、外部电源失电以及储能完成情况等。主控芯片S3C2440拥有大量的接口资源，经过光电隔离措施，可实现16路数字量输入和16路数字量输出，满足遥信和遥控需要。

存储部分主要记录配电线路发生故障时的电流、电压及柱上开关的开合状态。

3 馈线监测终端软件设计

根据FTU需实现的功能，结合硬件电路，编写下位机程序，下位机程序的流程如图5所示。在程序中设置两个中断，一个是串口接收中断，用来接收控制中心的命令字，另一个是定时器中断，用来定时查询开关的状态信息。

FTU系统通过ATT7022B实现电量采集，需对ATT7022B进行校表，校表流程如图6所示。

为了确保A/B/C三相电流矢量和有效值参数的精度，在进行电流有效值的校正时，将ATT7022B的电流有效值校正到N×Ib左右，外部MCU从ATT7022B读取到电流有效值后只需要将其除以N，真值N的确定方法是将N×Ib尽量接近60 A。

4 监控中心系统管理软件

监控中心系统管理软件采用基于.NET框架的C#开发，遵循模块化的标准，以实现功能为基础，辅以易于升级维护、操作方面、界面简约大方等原则。监控中心系统管理软件的主要功能如下：

◆TCP协议远程通信;

◆FTU界面设计与配置;

◆数据实时接收与处理;

◆远程控制功能;

◆FTU故障处理;

◆其他参数设定与存储。

采用C/S结构，基于物联网技术，把一区域的馈线监测终端作为客户端，监控中心作为服务器端，通过套接字socket实现双向通信;模拟FTU的分布状况，使用GDI+绘图工具实现FTU的界面设计与配置;监控中心将获取的电量和开关状态信息动态显示、实时存储;对于异常电量信息，系统进行故障类型判定与报警。

另外，系统管理软件还实现了自动校时、FTU参数的配置、历史数据的查询、绘制曲线图和打印报表等功能。

5 系统测试与应用效果

对馈线终端进行数据采集、通信测试，保证了产品的硬件、软件设计的可靠性。在苏州xxxx电气公司工程师的帮助下，通过10 kV逆变器产生10 kV高压，经过10：0.1的PT连接到电量采集口;由于此装置没有负载，所以试验中的电流测试使用电流小车实现模拟测试。现场安置2个FTU终端，测试结果表明，该装置数据采集速度快、精度高，其采集数据与实际测量结果基本一致。

系统管理软件正常监测界面如图7所示，由于试验中只接入两相电压，所以监控界面报警，符合预期情况。

结语

本文开发的基于ARM处理器的馈线终端，具有实时电量采集、处理、存储、开关状态监测与控制、电源电压监测、无线通信等功能。采用无线网络数据传输技术，摆脱了有线困扰，节省了数据传输的成本，提高了设备的灵活性和抗干扰性;使用太阳能供电，避免因线路故障造成FTU监测终端无法工作;探讨了改进的故障定位算法。基于ARM的FTU能很好地满足配电网自动化的实时、可靠和智能化的要求。