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1概述

目前，配網自動化的發(fā)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(guī)約及通信信息的員工配網自動化培訓系統(tǒng)缺少。本文設計了一個配網自動化信息工程實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)能模擬配網主站SCADA及數(shù)據庫的功能；能完全實現(xiàn)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(tǒng)簡介

本文設計的配網自動化信息工程實驗系統(tǒng)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(tǒng)主要包括配網主站與FTU（FeederTerminalUnit）兩個部分，配網主站與FTU可以按104規(guī)約進行通信，其結構如圖1所示。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(xiàn)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(fā)板設計，具有信息采集、繼電保護、人機交互、命令執(zhí)行等功能。

3實驗系統(tǒng)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(tǒng)主要包括：人機交互模塊、通信服務模塊、數(shù)據處理模塊、數(shù)據庫管理模塊，其系統(tǒng)模塊如圖2所示。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(jié)點運行信息顯示、104報文內容顯示、功能按鈕實現(xiàn)。通信服務模塊負責建立網絡連接、提供外部數(shù)據源，主要包括：網絡管理、接收與發(fā)送數(shù)據緩沖區(qū)創(chuàng)建。通信功能是通過SOCKET控件實現(xiàn)的，配網自動化主站作為數(shù)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(xiàn)。數(shù)據處理模塊負責管理數(shù)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(tài)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(shù)據庫管理模塊主要負責數(shù)據庫創(chuàng)建、數(shù)據存儲、數(shù)據查詢。數(shù)據庫采用SQLServer軟件設計，C++Builder軟件通過ADO相關控件對數(shù)據庫進行訪問與操作。3.2FTU軟硬件設計。FTU的設計基于STM32F4開發(fā)板，其硬件模塊如圖3所示，開發(fā)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(fā)板外部的擴展IO口設計了開關量輸入/出電路。FTU的軟件系統(tǒng)是基于UCOS-III操作系統(tǒng)設計的，該操作系統(tǒng)的多任務管理有利于軟件系統(tǒng)的模塊化設計，故FTU軟件系統(tǒng)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(qū)，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。配網終端FTU的主要任務是監(jiān)測控制、通信等基本任務，故對系統(tǒng)任務進行劃分時，首先要考慮在出現(xiàn)故障的情況下，系統(tǒng)能夠運行基礎的任務，并對出現(xiàn)的故障向主站實時反饋。根據對各個任務重要程度的判斷，F(xiàn)TU軟件系統(tǒng)把任務劃分為7個優(yōu)先級，內核任務占前五個優(yōu)先級，故用戶任務優(yōu)先級從6開始設計，設計的任務優(yōu)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(yōu)先級較高，故障出現(xiàn)時，F(xiàn)TU根據采集到的故障數(shù)據判斷故障跳開繼電器。TCP服務器任務優(yōu)先級為8，在FTU采集到的遙測量遙信量后，F(xiàn)TU立即上傳數(shù)據，若收到主站下發(fā)遙控命令，F(xiàn)TU立即執(zhí)行要命令。EMWINDEMO任務與TOUCH任務分別實現(xiàn)了圖形顯示與觸摸的功能，任務優(yōu)先級最低。3.3數(shù)據采集與開關控制電路。在STM32F407開發(fā)板外專門設置了數(shù)據采集與開關控制電路，其中數(shù)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(shù)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(fā)電流不大（5mA）。本次設計的小型交流電路系統(tǒng)正常運行狀態(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，繼電器模塊的強大的容錯設計可有效避免繼電器誤動作。

4實驗系統(tǒng)運行分析

模擬主站與FTU以太網按IEC60870-5-104規(guī)約通信，可以實現(xiàn)“三遙”功能、數(shù)據查詢功能、SOE事件順序記錄等SCADA系統(tǒng)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(guī)約報文。實驗系統(tǒng)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(guī)約報文等，對按104規(guī)約的主站與FTU信息通信的報文展示具有突出的優(yōu)點。

5結論

本次配網自動化信息工程實驗系統(tǒng)的設計能展示主站與FTU按104規(guī)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(guī)約的優(yōu)良平臺。實驗系統(tǒng)的提高之處在于可進一步開發(fā)配網自動化系統(tǒng)中的101規(guī)約、DNP3.0規(guī)約及IEC61850規(guī)約應用培訓內容。

參考文獻

[1]盛成玉，孫振權．智能配電網技術方案的應用設計[J]．物聯(lián)網技術，2012(10)：84-87．

[2]董旭柱，黃邵遠．智能配電網自愈控制技術[J]．電力系統(tǒng)自動化，2012，36(18)：17-21．

作者:王婭楠 單位:南京工程學院電力工程學院