配網自動化信息工程實驗系統設計

王婭楠 王琳潔 吳施穎 邢 慧 俞千慧 張夢圓

（南京工程學院電力工程學院，江蘇 南京211167）

1 概述

配網自動化系統融合了先進的測量、傳感、控制、信息與通信等技術以及傳統的配電技術，形成了自動故障定位和故障隔離、變電站自動化、饋線自動化等技術[1-2]。配網自動化系統包括配網自動化主站、配網自動化子站、配網終端三個部分，配網自動化主站的服務對象是區域內全部配網線路、設備及用戶，它主要負責處理配網區域內的信息、優化配置線路的運行方式、進行故障處理；配網自動化子站主要負責匯集、轉發配網節點信息；配網終端主要負責對配網節點信息的采集、執行主站下發的命令、控制開關設備、對故障的自動化識別等等。

目前，配網自動化的發展已較為成熟，各類配網自動化產品也種類繁多，但針對通信規約及通信信息的員工配網自動化培訓系統缺少。本文設計了一個配網自動化信息工程實驗系統，系統能模擬配網主站SCADA 及數據庫的功能；能完全實現FTU 的三遙功能，能在FTU 及配網主站展示通信報文信息；FTU的獨特設計之處有大屏幕顯示菜單并操作。

2 實驗系統簡介

本文設計的配網自動化信息工程實驗系統用單相220V 交流電模擬10kV 配電網，設計的配網自動化信息工程實驗系統主要包括配網主站與FTU（Feeder Terminal Unit）兩個部分，配網主站與FTU 可以按104 規約進行通信，其結構如圖1 所示。

圖1 配網自動化信息工程實驗系統結構

配網自動化模擬主站在PC 機上采用C++Builder 軟件仿真設計,充分利用其C++語法結構的特點與友好的圖形界面，設計出了配網仿真線路與良好的人機交互界面，實現了遙測、遙信、遙控、對時、SOE 時間順序記錄等功能。配網終端FTU 裝置是本次設計的重點，主要采用STM32F407 開發板設計，具有信息采集、繼電保護、人機交互、命令執行等功能。

3 實驗系統設計介紹

3.1 配網主站功能仿真

配網主站設計遵循“一體化”的設計原則，設計的配網SCADA 系統主要包括：人機交互模塊、通信服務模塊、數據處理模塊、數據庫管理模塊，其系統模塊如圖2 所示。

圖2 SCADA 系統的模塊圖

人機交互模塊負責為操作員提供可視化的操作界面，主要包括：配網節點運行信息顯示、104 報文內容顯示、功能按鈕實現。通信服務模塊負責建立網絡連接、提供外部數據源，主要包括：網絡管理、接收與發送數據緩沖區創建。通信功能是通過SOCKET 控件實現的，配網自動化主站作為數據請求方，在TCP連接中為客戶端，在C++Builder 中調用ClientSocket 控件即可實現。

數據處理模塊負責管理數據，主要包括：信號判別、標度變換、命令生成等等，信號判別是對開關分合狀態的判斷，方法為：判斷相應標志位，其中：“0”表示開關斷開、“1”表示開關閉合；標度變換的內容是將接收到的電壓電流值還原為工程一次值。

數據庫管理模塊主要負責數據庫創建、數據存儲、數據查詢。數據庫采用SQL Server 軟件設計，C++Builder 軟件通過ADO 相關控件對數據庫進行訪問與操作。

3.2 FTU 軟硬件設計

FTU 的設計基于STM32F4 開發板，其硬件模塊如圖3 所示，開發板搭載了電源模塊電路、JTAG 接口電路、復位電路、A/D 轉換電路、通信接口電路、LCD 液晶顯示電路，此外通過開發板外部的擴展IO 口設計了開關量輸入/出電路。

圖3 FTU 的硬件模塊電路

FTU 的軟件系統是基于UCOS-III 操作系統設計的，該操作系統的多任務管理有利于軟件系統的模塊化設計，故FTU 軟件系統也按模塊進行設計。其任務模塊如圖4 所示，包括人機交互模塊、通信任務模塊、遙控量輸出、遙信量采集、遙測量采集、實時時鐘區，其中人機交互模塊由Emwin 圖形顯示與觸摸屏任務兩部分組成。

圖4 FTU 軟件系統任務模塊

配網終端FTU 的主要任務是監測控制、通信等基本任務，故對系統任務進行劃分時，首先要考慮在出現故障的情況下，系統能夠運行基礎的任務，并對出現的故障向主站實時反饋。根據對各個任務重要程度的判斷，FTU 軟件系統把任務劃分為7 個優先級，內核任務占前五個優先級，故用戶任務優先級從6開始設計，設計的任務優先級如表1 所示。

從表1 中可以看出，遙信量采集與遙控量采集任務優先級較高，故障出現時，FTU 根據采集到的故障數據判斷故障跳開繼電器。TCP 服務器任務優先級為8，在FTU 采集到的遙測量遙信量后，FTU 立即上傳數據，若收到主站下發遙控命令，FTU 立即執行要命令。EMWINDEMO 任務與TOUCH 任務分別實現了圖形顯示與觸摸的功能，任務優先級最低。

3.3 數據采集與開關控制電路

在STM32F407 開發板外專門設置了數據采集與開關控制電路，其中數據采集電路主要功能是采集電壓、電流值，有通過交流采樣采集電壓電流值與變送器采集電壓電流值兩種方法，本次設計采用變送器采集電壓電流值，采用由迅鵬公司生產的變送器，其中電流變送器型號為YPD-I-A1-P5-O1，電壓變送器型號為YPD-U-A1-P5-O1，電壓變送器與電流變送器工作電源都為220V 交流電。電流變送器的輸入電流范圍為：0-1A，輸出電壓范圍：0-5V。電壓變送器輸入電流范圍為：0-1A，輸出電壓范圍：0-5V。輸出的信號均為模擬信號，該信號輸入STM32F407 的A/D 轉換通道后變位數字信號。本次設計的繼電器跳合閘模塊采用SONGLE 公司生產的1 路帶光耦隔離的繼電器模塊，芯片接線原理如圖5 所示。該模塊采用貼片式光耦隔離，驅動性能好，觸發電流不大（5mA）。本次設計的小型交流電路系統正常運行狀態下電流為90mA 左右，完全滿足觸發要求。觸發方式有兩種可供選擇：高電平觸發和低電平觸發，另外，繼電器模塊的強大的容錯設計可有效避免繼電器誤動作。

4 實驗系統運行分析

模擬主站與FTU 以太網按IEC60870-5-104 規約通信，可以實現“三遙”功能、數據查詢功能、SOE 事件順序記錄等SCADA系統的基本功能，設計的FTU 可以完成遙測量采集、遙信量采集、繼電保護、人機交互、與主站進行通信，如圖6 所示。本設計在FTU 與主站端均可顯示104 規約報文。

圖6 帶人機交互的FTU 運行效果圖

實驗系統的特點是可以模擬正常的遙信遙測上傳及報文內容，可以模擬故障情況下的規約報文等，對按104 規約的主站與FTU 信息通信的報文展示具有突出的優點。

5 結論

本次配網自動化信息工程實驗系統的設計能展示主站與FTU 按104 規約通信的各種報文，是學員學習配網自動化信息通信內容和規約的優良平臺。實驗系統的提高之處在于可進一步開發配網自動化系統中的101 規約、DNP3.0 規約及IEC61850 規約應用培訓內容。