基于無線通信的配網終端手持式調試儀的設計

王婭楠 陳鵬宙 王琳潔 吳施穎 朱鈺杰 戚楷文

（南京工程學院電力工程學院，江蘇南京 211100）

1概述

隨著智能電網的發展，應用智能化、自動化技術提高電力系統配網的運行穩定性、用戶的用電可靠性已是電力行業發展的必然途徑。其中，配網自動化技術的應用是重要一環。配網自動化可以利用先進的自動控制技術、計算機通信技術、電子技術等技術，實現在線實時監管，實時收集配電網運行數據，掌握電網結構參數等信息集成，并構建完整的自動化電力管理系統[1]。配網自動化系統一般采用分布式結構，依靠通信網絡將配網主站、子站和終端連接起來，構成一個完整的系統。配網自動化主站是配網監控和管理系統的核心，實現對整個配電網的監視、控制和有效管理，從而使配電網處于最優運行狀態；配網子站起到一個上傳下達的溝通作用，采用多種通信方式向上與配網主站通信、向下與所屬配網終端通信；配網終端設備是配網自動化系統的最底層，主要負責柱上開關、配電變壓器、環網柜、開閉所等一次設備運行狀態信息的采集、處理及對一次設備的控制等功能。

饋線自動化終端( FTU )大多安裝于戶外桿塔上，采用串口或以太網調試，給運維人員進行設備調試、參數整定、程序更新等工作帶來很大不便。目前，市面上有的配電終端測試設備，如配電之星P-2200A2 配電自動化終端測試儀，可對配電自動化終端（FTU 、DTU、TTU、故障指示器）及饋線自動化（FA）進行全功能測試，其具有簡潔直觀的操作界面，豐富全面的測試功能，穩定高效的硬件平臺，整機設計便攜耐用。該測試儀提供網口，串口，USB，GPS，WiFi 等多種通訊接口。本文探討了一種手持式的配電終端的調試儀器，采用調試儀與配網終端進行調頻配對，從而達到無線傳輸通信，能與配網終端進行規約測試和保護整定值下發等功能，具有成本低廉、攜帶方便、簡單易用等特點，非常適合作為配電終端的調試手段。

2 手持式調試儀硬件設計

2.1 整體硬件結構（圖1）

本次調試儀選用ALIENTEK 探索者STM32F407ZGT6 作為控制芯片，探索者STM32F407 是正點原子推出的一款基于ARM Cortex-M4 內核的開發板，自帶1M 字節FLASH，并外擴192K 字節 SRAM，滿足基本的內存需求。時鐘最高主頻為168Mhz，可以保障控制算法的執行速度和代碼效率。該開發板具有豐富的板載資源，開發板上現有114 個IO 口，其中通信接口多達17 個，可以進行以太網、CAN、SPI、串口等方式通信，方便進行各種外設開發。例如，我們在原有開發板的基礎上，插入無線通信模塊NRF24L01 卡，充分發揮了開發板的無線通信功能。

另外，本次調試儀選用一塊10000mA 的充電寶作為電源，再經過電壓電流變換轉換為開發板STM32 正常的工作電壓、電流。放置在調試儀手柄內，節省空間。整個調試儀采用塑料外殼封裝，防摔、防水，便于攜帶。

圖1 整體硬件結構圖

2.2 無線通信模塊（圖2）

無線通信模塊即NRF24L01 是NORDIC 公司生產的一款無線通信通信芯片，采用FSK 調制，內部集成NORDIC 自己的Enhanced Short Burst 協議?？梢詫崿F點對點或是1 對6的無線通信。無線通信速度可以達到2M（bps）。NORDIC 公司提供通信模塊的GERBER 文件，可以直接加工生產。嵌入式工程師或是單片機愛好者只需要為單片機系統預留5 個GPIO，1 個中斷輸入引腳，就可以很容易實現無線通信的功能，非常適合用來為MCU 系統構建無線通信功能。

圖2 無線模塊接口圖

NRF24L01 的工作模式有四種：收發模式、配置模式、空閑模式、關機模式，本文設計的手持式配電終端調試儀主要采用這四種工作方式中的收發模式。NRF24L01 的所有配置工作都是通過SPI 完成，共有30 字節的配置。我們將NRF24L01 工作于Enhanced ShockBurstTM 收發模式。ShockBurstTM 的配置字可以分為數據寬度、地址寬度、地址、CRC 四個部分，能使NRF24L01 能夠處理射頻協議，在配置完成后，NRF24L01 工作的過程中，只需改變其最低一個字節中的內容，以實現接收模式和發送模式之間切換。這種工作模式下，系統的程序編制會更加簡單，并且穩定性也會更高。

3 手持式調試儀軟件設計

調試儀的軟件系統移植了UCOS-III 操作系統，該操作系統的多任務管理有利于軟件系統的模塊化設計，因此調試儀軟件系統也按模塊進行設計。其任務模塊包括Emwin 圖形顯示模塊、觸摸屏任務模塊以及無線通信任務模塊。

我們在使用M3 內核MCU 的時候會移植UCGUI 來制作精美的UI，UCGUI 的高級版本就是emWin，而STemWin 是SEGGER 授權給ST 的emWin 版本，ST 的芯片可以免費使用STemWin，并且STemWin 針對ST 的芯片做了優化。調試儀的界面顯示主要靠移植STemWin 來實現，并且在移植過程中適配了ALIENTEK 的7 寸顯示屏。當調試儀連接電源開啟后，將進入主界面，用戶可以觸摸點擊按鈕，與處于無線通信測試模式下的FTU 進行通信，實現調試儀的基本功能。界面設計如圖3 所示。

圖3 調試儀整體界面設計

4 實驗系統運行分析

以手持式配電終端調試儀和帶液晶顯示的FTU 實驗裝置按IEC60870-5-104 規約通信為例，二者通過無線通信模塊發送或接受報文，不斷比較報文中的特征位和信息位，相互配合，從而實現“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。與本次調試儀相配合的FTU 實驗裝置可切換“正常運行以太網通信”、“無線通信調試模式”兩種模式。在調試模式下，可以完成遙測量采集、遙信量采集、繼電保護功能與調試儀通信，并且同樣配備了一塊7 寸顯示屏，不僅能顯示與調試儀測試時發送的報文，還能實時顯示A/D 采樣電路采集到的模擬的電壓值、電流值和開關狀態。同時，內置RTC 時鐘，能夠與調試儀進行對時。調試過程中可設置短路故障，測試FTU 按規約向調試儀發送遙信變位信息，并可根據調試儀發送的遙控指令，實現故障隔離，恢復供電。

調試儀的特點是其基于無線通信，可按規約與被調試的配電終端實現三遙功能，并能夠設置繼電保護的整定值下發，對通信報文能夠查閱和顯示（圖4-5）。

圖4 調試儀整體外觀

圖5 調試儀菜單界面

5 結論

饋線自動化終端FTU 控制著配電系統斷路器、重合器、分段開關、負荷開關等一次設備,一般安裝于10kV 配網架空線戶外桿塔上,靠近一次設備,距離地面為6～8m。這就需要運行維護人員爬至桿塔上打開FTU 箱柜進行操作,不僅耗費體力,增加維護難度,而且帶電操作設備,存在安全隱患,因此給運行人員進行設備調試、參數整定、程序更新等工作帶來很大不便。而我們本次的設計的手持式配電終端調試儀具有以下特色:(1) 采用手持式的設計形式,并且塑料外殼封裝,防摔、防水,便于攜帶,簡單方便,穩定可靠;(2)采用無線傳輸通信,沒有模擬量輸入,即不需要采集電流電壓提供FTU 信號,無論遠方FTU 運行正?；虿徽r都能通過此調試儀檢測到FTU 當前情況,測試FTU 是否正確按規約通信,然后做出相應的對策;(3)采用液晶屏做成人機交互界面,能夠實時顯示菜單,并支持按鍵操作;(4)手柄內含一塊充電寶，作為整個調試儀的移動電源，不需要插座供電，便于攜帶。

但是此次設計的調試儀也存在一些缺點,例如，無線通信模塊收發模式下一次最多發送32 位的u8 字符型常量，而有時我們需要發送的104 規約報文會超過32 位，此時就需要考慮分兩次發送，還有進一步提升的空間。