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1概述

目前，配網(wǎng)自動(dòng)化的發(fā)展已較為成熟，各類配網(wǎng)自動(dòng)化產(chǎn)品也種類繁多，但針對(duì)通信規(guī)約及通信信息的員工配網(wǎng)自動(dòng)化培訓(xùn)系統(tǒng)缺少。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)配網(wǎng)自動(dòng)化信息工程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)能模擬配網(wǎng)主站SCADA及數(shù)據(jù)庫(kù)的功能；能完全實(shí)現(xiàn)FTU的三遙功能，能在FTU及配網(wǎng)主站展示通信報(bào)文信息；FTU的獨(dú)特設(shè)計(jì)之處有大屏幕顯示菜單并操作。

2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文設(shè)計(jì)的配網(wǎng)自動(dòng)化信息工程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用單相220V交流電模擬10kV配電網(wǎng)，設(shè)計(jì)的配網(wǎng)自動(dòng)化信息工程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括配網(wǎng)主站與FTU（FeederTerminalUnit）兩個(gè)部分，配網(wǎng)主站與FTU可以按104規(guī)約進(jìn)行通信，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。配網(wǎng)自動(dòng)化模擬主站在PC機(jī)上采用C++Builder軟件仿真設(shè)計(jì),充分利用其C++語(yǔ)法結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與友好的圖形界面，設(shè)計(jì)出了配網(wǎng)仿真線路與良好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)、遙信、遙控、對(duì)時(shí)、SOE時(shí)間順序記錄等功能。配網(wǎng)終端FTU裝置是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，主要采用STM32F407開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)，具有信息采集、繼電保護(hù)、人機(jī)交互、命令執(zhí)行等功能。

3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

3.1配網(wǎng)主站功能仿真。配網(wǎng)主站設(shè)計(jì)遵循“一體化”的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)的配網(wǎng)SCADA系統(tǒng)主要包括：人機(jī)交互模塊、通信服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊，其系統(tǒng)模塊如圖2所示。人機(jī)交互模塊負(fù)責(zé)為操作員提供可視化的操作界面，主要包括：配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行信息顯示、104報(bào)文內(nèi)容顯示、功能按鈕實(shí)現(xiàn)。通信服務(wù)模塊負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)連接、提供外部數(shù)據(jù)源，主要包括：網(wǎng)絡(luò)管理、接收與發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)創(chuàng)建。通信功能是通過(guò)SOCKET控件實(shí)現(xiàn)的，配網(wǎng)自動(dòng)化主站作為數(shù)據(jù)請(qǐng)求方，在TCP連接中為客戶端，在C++Builder中調(diào)用ClientSocket控件即可實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)，主要包括：信號(hào)判別、標(biāo)度變換、命令生成等等，信號(hào)判別是對(duì)開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)的判斷，方法為：判斷相應(yīng)標(biāo)志位，其中：“0”表示開(kāi)關(guān)斷開(kāi)、“1”表示開(kāi)關(guān)閉合；標(biāo)度變換的內(nèi)容是將接收到的電壓電流值還原為工程一次值。數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢。數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQLServer軟件設(shè)計(jì)，C++Builder軟件通過(guò)ADO相關(guān)控件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問(wèn)與操作。3.2FTU軟硬件設(shè)計(jì)。FTU的設(shè)計(jì)基于STM32F4開(kāi)發(fā)板，其硬件模塊如圖3所示，開(kāi)發(fā)板搭載了電源模塊電路、JTAG接口電路、復(fù)位電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、通信接口電路、LCD液晶顯示電路，此外通過(guò)開(kāi)發(fā)板外部的擴(kuò)展IO口設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)量輸入/出電路。FTU的軟件系統(tǒng)是基于UCOS-III操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，該操作系統(tǒng)的多任務(wù)管理有利于軟件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，故FTU軟件系統(tǒng)也按模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。其任務(wù)模塊如圖4所示，包括人機(jī)交互模塊、通信任務(wù)模塊、遙控量輸出、遙信量采集、遙測(cè)量采集、實(shí)時(shí)時(shí)鐘區(qū)，其中人機(jī)交互模塊由Emwin圖形顯示與觸摸屏任務(wù)兩部分組成。配網(wǎng)終端FTU的主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)控制、通信等基本任務(wù)，故對(duì)系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行劃分時(shí)，首先要考慮在出現(xiàn)故障的情況下，系統(tǒng)能夠運(yùn)行基礎(chǔ)的任務(wù)，并對(duì)出現(xiàn)的故障向主站實(shí)時(shí)反饋。根據(jù)對(duì)各個(gè)任務(wù)重要程度的判斷，F(xiàn)TU軟件系統(tǒng)把任務(wù)劃分為7個(gè)優(yōu)先級(jí)，內(nèi)核任務(wù)占前五個(gè)優(yōu)先級(jí)，故用戶任務(wù)優(yōu)先級(jí)從6開(kāi)始設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的任務(wù)優(yōu)先級(jí)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(wù)優(yōu)先級(jí)較高，故障出現(xiàn)時(shí)，F(xiàn)TU根據(jù)采集到的故障數(shù)據(jù)判斷故障跳開(kāi)繼電器。TCP服務(wù)器任務(wù)優(yōu)先級(jí)為8，在FTU采集到的遙測(cè)量遙信量后，F(xiàn)TU立即上傳數(shù)據(jù)，若收到主站下發(fā)遙控命令，F(xiàn)TU立即執(zhí)行要命令。EMWINDEMO任務(wù)與TOUCH任務(wù)分別實(shí)現(xiàn)了圖形顯示與觸摸的功能，任務(wù)優(yōu)先級(jí)最低。3.3數(shù)據(jù)采集與開(kāi)關(guān)控制電路。在STM32F407開(kāi)發(fā)板外專門設(shè)置了數(shù)據(jù)采集與開(kāi)關(guān)控制電路，其中數(shù)據(jù)采集電路主要功能是采集電壓、電流值，有通過(guò)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(shè)計(jì)采用變送器采集電壓電流值，采用由迅鵬公司生產(chǎn)的變送器，其中電流變送器型號(hào)為YPD-I-A1-P5-O1，電壓變送器型號(hào)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(hào)均為模擬信號(hào)，該信號(hào)輸入STM32F407的A/D轉(zhuǎn)換通道后變位數(shù)字信號(hào)。本次設(shè)計(jì)的繼電器跳合閘模塊采用SONGLE公司生產(chǎn)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(qū)動(dòng)性能好，觸發(fā)電流不大（5mA）。本次設(shè)計(jì)的小型交流電路系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下電流為90mA左右，完全滿足觸發(fā)要求。觸發(fā)方式有兩種可供選擇：高電平觸發(fā)和低電平觸發(fā)，另外，繼電器模塊的強(qiáng)大的容錯(cuò)設(shè)計(jì)可有效避免繼電器誤動(dòng)作。

4實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行分析

模擬主站與FTU以太網(wǎng)按IEC60870-5-104規(guī)約通信，可以實(shí)現(xiàn)“三遙”功能、數(shù)據(jù)查詢功能、SOE事件順序記錄等SCADA系統(tǒng)的基本功能，設(shè)計(jì)的FTU可以完成遙測(cè)量采集、遙信量采集、繼電保護(hù)、人機(jī)交互、與主站進(jìn)行通信，如圖6所示。本設(shè)計(jì)在FTU與主站端均可顯示104規(guī)約報(bào)文。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以模擬正常的遙信遙測(cè)上傳及報(bào)文內(nèi)容，可以模擬故障情況下的規(guī)約報(bào)文等，對(duì)按104規(guī)約的主站與FTU信息通信的報(bào)文展示具有突出的優(yōu)點(diǎn)。

5結(jié)論

本次配網(wǎng)自動(dòng)化信息工程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能展示主站與FTU按104規(guī)約通信的各種報(bào)文，是學(xué)員學(xué)習(xí)配網(wǎng)自動(dòng)化信息通信內(nèi)容和規(guī)約的優(yōu)良平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的提高之處在于可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的101規(guī)約、DNP3.0規(guī)約及IEC61850規(guī)約應(yīng)用培訓(xùn)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

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作者:王婭楠 單位:南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院