一種改進的饋線終端設計

胡福年 孫守娟 林宗浩

（江蘇師范大學電氣工程及自動化學院，江蘇 徐州 221116）

一種改進的饋線終端設計

胡福年 孫守娟 林宗浩

（江蘇師范大學電氣工程及自動化學院，江蘇 徐州 221116）

結合現代配電網對饋線自動化的新要求，分析了以TMS320LF2407為主控芯片設計的饋線終端（FTU）的局限性，提出了改進的饋線終端設計方案。以TMS320F28335為核心處理器，提升了總體性能；新增GPRS無線網絡通信功能，實現多種通信方式并存；采用改進的故障定位算法，實現故障快速定位；給出了故障錄波的具體實現方式，為故障分析提供可靠依據。算例測試結果表明，當故障發生時，終端能準確地實現故障定位，便于快速完成供電恢復，滿足現代配網自動化要求。

TMS320F28335 饋線終端（FTU） 饋線自動化 GPRS 故障定位

0 引言

隨著智能電網研究的興起和城鄉電網結構的不斷改進，對配電網自動化提出了更高的要求。具有選擇性、能快速切除故障、具備故障自愈能力的饋線終端（feeder terminal unit，FTU）成為研究熱點［1－4］。與32位浮點 DSP相比，采用16位定點芯片 TMS320-LF2407設計的FTU［5］處理速度慢，運算精度低，且通信方式單一，需自我建立通道，降低了系統的可靠性和穩定性。采 用 TMS320F2812 的 FTU［6－10］，相 比TMS320LF2407的設計，在實時性和可靠性方面有了進一步提高，但通信方式仍沒有改進。而饋線自動化對通信要求越來越高，包括通信速度快、可靠性高、信元及交互精簡［11］?；贕PRS無線網絡通信的新型饋線自動化系統，可在FTU與監控子站間建立時效性強、可靠性高的通信通道，提高饋線系統的靈活性［12－14］。饋線故障定位算法的優劣也直接影響配電網故障的快速搶修和供電恢復［15－19］。

針對以上現狀，本文提出一種基于 TMS320-F28335的改進FTU設計，滿足現代配電網對饋線自動化終端的新要求。

1 FTU設計方案改進

本文選用 TMS320F28335作為 FTU的主控制器。相比2407、F2812等定點處理器，F28335增加了浮點運算內核，能夠執行復雜的浮點運算，具有更高的運算速度；且片內存儲資源豐富，外設集成度高，所需外接電路大大減少。因此，采用 TMS320-F28335，FTU的處理精度和速度得到大幅度提高，增強了系統可靠性。

TMS320F28335具有以下功能特點：①內置的12位16路A/D模塊擴展了采集通道，轉換時間縮短；②采用MAX3232改進型驅動芯片，實現了功耗更低的異步串口通信，便于完成現場調試功能；③采用SN65HVD232總線收發器，無需電平轉換，可將多個FTU連接在一起，擴展了通信通道，實現了CAN通信；④利用RS-485串口連接GPRS無線網絡通信，完成FTU與監控子站的雙向通信，實現多種通信方式并存。

系統硬件總體框圖如圖1所示。

圖1 FTU硬件總體框圖Fig.1 Overall block diagram of FTU hardware

1.1 A/D采樣

利用F28335中自帶的A/D模塊對電網模擬量進行采集。在25 MHz的A/D時鐘頻率下，轉換時間為80 ns左右，采樣頻率最高可達12.5 MS/s。經過信號調理和適當的模擬數字濾波等改進措施，即能滿足配電網自動化終端對測量精度的要求，且冗余的A/D通道能滿足溫度等模擬量采集。相比2407的10位8路模擬量采集，F28335內置的A/D模塊可縮短轉換時間，降低功耗和提高系統可靠性，達到實時采集電網電壓、電流和頻率等模擬量要求，實現遙測功能。

1.2 開關量輸入輸出

饋線自動化系統遙信輸入、遙控輸出電路主要是完成狀態信號的輸入輸出，包括柱上開關的開合、遠方/當地狀況、通信是否正常、蓄電池投入狀況、外部電源失電以及儲能完成情況等。采用2407作為主控芯片的FTU，只完成了8路開關量輸入輸出信號，且需要CPLD芯片擴展，影響數據傳輸速率，導致可靠性降低。在改進的設計方案中，主控芯片F28335擁有大量的口線資源，經過光電隔離措施，不需要CPLD等硬件外擴控制口線，即可達到16路數字量輸入和16路數字量輸出，滿足遙信和遙控需要。

1.3 異步串行通信電路設計

饋線自動化系統現場大都要求FTU必須具有RS-232或 RS-485串口資源，以實現現場調試功能。F28335帶有3個SCI（UART）模塊，具有雙緩沖接收和發送功能，且波特率可編程為64 000種不同的通信速率，而2407只有1個異步串口，沒有緩沖單元。因此，改進的設計方案更具優越性。

改進方案將其中一個串口設計為RS-232接口，采用MAX3232驅動芯片進行串口通信，串口通信電路如圖2所示。MAX3232采用1μA關斷模式，功耗更低，同時能確保120 kbit/s數據速率，并保持RS-232應有的輸出電平。另一個串口設計為RS-485接口，用于連接GPRSModem，實現無線網絡通信。

圖2 異步串行通信電路Fig.2 Asynchronous serial communication circuit

1.4 CAN總線通信電路設計

FTU之間的通信采用CAN總線通信方式。即通過CAN總線將多個FTU連接起來，共享通道資源，擴充采樣通道數量，提高了通信處理能力，減輕了監控子站的通信負擔。CAN總線通信電路如圖3所示。

圖3 CAN總線通信電路Fig.3 CAN bus communication circuit

F28335自帶增強型CAN（eCAN）控制器模塊，不需要外加任何CAN控制器便可方便地實現對CAN總線的控制功能；且完全兼容CAN2.0B標準協議，具有32個可編程消息郵箱，波特率可達1 MHz，完全滿足CAN總線協議的物理層和數據鏈路層的要求。

收發器采用TI公司的SN65HVD232總線收發器。與SN65HVD230相比，控制驅動輸出時，信號質量有所改善；且其工作電壓與F28335引腳電平相同，均為3.3 V，無須電平轉換，減小了功耗，提高了通信的可靠性。

2 GPRS網絡通信模塊

改進的饋線終端（FTU）與監控子站之間采用GPRS無線網絡通信。GPRS采用分組交換技術，分組交換接入時間小于1 s，能夠提供快速及時的TCP/IP連接，數據傳輸穩定性高，并且實時在線。從經濟性角度來說，GPRS可同時滿足多個用戶共享同一無線信道。這不僅提高了資源利用率，且用戶只需按其實際的通信流量付費，經濟實惠。

RS-485接口與GPRSModem連接。GPRSModem具備專用客戶識別模塊（subscriber identity module，SIM）卡，內嵌 TCP/IP協議，包含 IP模塊和 GPRS模塊。

GPRS工作流程如圖4所示。

圖4 GPRS工作流程圖Fig.4 The working flowchart of GPRS

通信時，GPRSModem呼叫進入GPRS網絡。FTU采集的數據經過網關GPRS支持節點（gateway GPRS support node，GGSN）后進入Internet，通過IP地址確認后到達認證服務器，最后到達監控子站，子站再對接收到的數據進行解包、CRC校驗等處理。之后認證服務器創建PPP激活請求，并為FTU分配IP地址。

借助Internet標志有FTU地址的IP包，通過RS-485串口發送到FTU開關保護裝置PARC單元中。至此即實現了數據的雙向傳輸、處理和控制，完成GPRS無線網絡通信功能。

的FTU故障監測終端為例進行算法分析。

圖5 配電網絡拓撲Fig.5 Topology of power distribution network

3 故障定位算法

3.1 算法原理

改進的故障定位算法以圖論知識為基礎。算法原理如下。

①首先根據配電網拓撲結構得到網絡拓撲矩陣D；

②當故障發生時，FTU通過GPRS上傳故障信息到監控子站，生成故障信息矩陣G；

③將網絡描述矩陣和故障信息矩陣進行相加運算，得到故障判定矩陣P=D+G；

④最后根據故障定位判據得出故障發生區間。

3.2 算例分析

配電網絡拓撲如圖5所示。以圖5所示的8節點

3.2.1 網絡拓撲矩陣的生成

若配電網絡拓撲中，節點i有子節點j且正方向由i節點流向節點j，則dij=1，其余情況下元素皆為0，末端節點全部置“0”。

由圖5可得：d12=1，d15=1，d23=1，d24=1，d56=1，d58=1，d67=1，從而生成網絡拓撲矩陣。該矩陣為8維方陣。

3.2.2 故障判定矩陣的生成

若第i個開關節點有故障，開關上的FTU流有超過整定值的故障電流且方向與規定的正方向一致時，將第i行第i列元素置“1”，即gii=1，否則置“0”。如圖5中6、7節點間，8節點末梢均發生故障，則節點1、5、6、8檢測到故障，即有：g11=1、g55=1、g66=1、g88=1，從而生成故障信息矩陣G。最后由D+G生成故障判定矩陣P。

3.2.3 故障區段判據

（1）節點末梢饋線段故障

若P中元素滿足pii=1且對于所有的j（j≠i）都有pij=0，即i行其他元素為0，則故障區間為節點i末梢饋線段。由P矩陣得：p88=1，而第8行其他元素為0，由此判斷出8節點末梢的饋線段發生故障。

（2）節點之間的饋線段故障

若P中元素滿足pii=1且對所有pij=1的j（j≠i）都有pjj=0，則故障區間為節點i和j之間的饋線段。由P矩陣得：p66=1，p67=1，p77=1，由此判斷出在節點6和7之間發生故障。

算例故障定位測試結果如表1所示。

表1 算例故障定位測試結果Tab.1 Exam p les of test results of the fault positioning

該算法簡潔實用，判斷直觀，避免了以往矩陣算法使用的乘法和規格化處理，同時克服了遺傳算法中不能實時在線的缺點。測試結果說明，改進的故障定位算法不僅能準確、快速地定位出故障發生區間，同時還能完成饋線末端的準確定位，從而實現故障后的快速搶修和供電恢復，提高了配電網的可靠性。對于多電源網絡，需規定供電線路最短的電源作為供電電源，并規定該電源的功率流出方向為正方向，判定原理與本算例相同。

4 故障錄波

FTU的故障錄波功能用于記錄和分析配電網受到大擾動后，相關參數的變化過程及繼電保護和安全自動裝置的動作行為。它為分析故障原因、研究反事故措施、及時處理事故、檢驗繼電保護動作行為和自動裝置運行情況，提供了可靠的依據。

故障錄波要記錄故障后5個周波和故障前4個周波。在電力系統動態錄波裝置的相關標準中，對模擬量的數據保存方式規定為分時段記錄方式，如圖6所示。

圖6 故障錄波時段Fig.6 Time of faultwave recording

A時段指系統大擾動開始前的狀態數據，記錄故障前0.04 s的波形；B時段指大擾動時初始的狀態數據，記錄故障后0.1 s的波形；C時段指系統大擾動后中期的狀態數據，記錄每一周期的工頻有效值，記錄時間3 s；D時段為系統動態過程數據，每0.1 s記錄一個工頻有效值，記錄時間20 s；E時段大于10min，每1.0 s記錄一次工頻有效值。

為了能夠及時有效地記錄故障時的波形，在外擴的64 kB的RAM中開辟兩塊同樣大小的錄波存儲單元Data_A、Data_B，一個循環記錄當前的錄波數據，另一個循環記錄故障錄波數據。每采樣一次，就將采樣的數據存入當前的錄波存儲單元中，一旦檢測到有故障發生，立刻計數。當計滿5個周波時，切換錄波存儲單元，即將當前的錄波存儲單元與故障錄波單元互換，實現故障錄波。

5 結束語

本文提出了基于F28335的改進型饋線終端，結合現代配電網對饋線自動化終端的要求，設計了FTU的總體框圖及外圍電路。改進的設計方案具有12位16路A/D采集，16路開關量輸入輸出功能；采用GPRS無線網絡通信、CAN總線通信、異步串行通信3種通信方式并存，分別實現FTU與監控子站的通信、FTU之間的互通信以及現場調試功能，提高了FTU的通信效率。最后探討了改進的故障定位算法和故障錄波功能，并結合算例給出了具體分析。算例測試結果表明，該算法運算量小，判斷直觀，實用性強，能夠實現故障準確定位，從而快速完成故障搶修和供電恢復。由此可見，基于F28335的FTU能很好地滿足配電網自動化的新要求，符合新型FA系統的發展趨勢。

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An Improved Design of Feeder Terminal Unit

In accordance with the new requirements ofmodern power distribution grid on feeder automation，the limitations of feeder terminal unit（FTU）with TMS320LF2407 as the main control chip are analyzed，and the improved design scheme of the FTU is proposed.With TMS320F28335 as the core processor，the overall performance is upgraded，and the function ofGPRSwireless network communication is added to realize the coexistence ofmultiple types of communication.The improved fault positioning algorithm is adopted to implement rapid fault positioning；the concrete implementingmode for fault recording is given to provide reliable basis of fault analysis.The test results of example show that precise fault positioning can be realized when faultoccurs，thismakes power supply to be recovered promptly，thus satisfies demands for automation ofmodern power grid.

TMS320F28335 Feeder terminal unit（FTU） Feeder automation GPRS Fault positioning

修改稿收到日期：2013－11－18。
第一作者胡福年（1967－），男，2007年畢業于南京理工大學控制科學與工程專業，獲博士學位，教授；主要從事電力系統分析與控制、電力市場方面的教學和研究工作。

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