基于無線UART的FTU系統實現

程 立 李 政 黃 偉 朱中華 李少卿

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100）

饋線自動化終端（FTU）安裝于10kV配網架空線上，控制配電系統斷路器、重合器、分段開關、負荷開關等一次設備。由于FTU安裝于戶外桿塔上，靠近一次設備，距離地面一般為6～8m，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。以往的做法是用串口或者以太網進行調試，需要將調試線插到FTU裝置上，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[1]。無線UART做為一種短距離傳輸方式，具有成本低廉、連接方便、簡單易用、傳輸速率快等特點，非常適合做為FTU的調試手段，很好的解決了FTU的設備調試、參數設定、程序更新等困難。

1 整體設計方案

本文方案采用EXAR公司的無線UART技術，該技術采用868MHz到900MHz公用信號頻段進行數據傳輸，傳輸距離最遠可以達到150m，最大傳輸速率可以達到230.4kbps。基于無線UART的數據傳輸系統由FTU、無線UART網絡、手持終端模塊、筆記本電腦組成，如圖1所示。FTU發出無線網絡信號，手持終端模塊接收到無線信號后，通過USB接口傳輸給筆記本電腦，筆記本電腦通過終端軟件完成調試工作[2]。

配電FTU采用VxWorks嵌入式操作系統，文件系統采用yaffs2[3]。在測控模塊、保護模塊和通信模塊的基礎上實現了無線UART數據調試功能，而且根據無線UART的技術特點設計了相應的通信模式，使得無線UART的調試簡單方便，而且穩定可靠。

2 硬件設計

本文采用EXAR公司的XR18W 750和XR18W 753芯片來實現無線UART技術。XR18W 750是一種無線控制芯片，采用并口和串口與其他系統互連。以8051單片機作為內核，擁有4KB的RAM和3KB的ROM空間。串口的波特率可以從1200bps到921.6kbps不等。XR18W 750采用128比特的AES加密技術，可以方便的實現編碼和解碼。XR18W 753是一款低功耗、工作在868MHz到915MHz公用頻段的射頻發射芯片，最低可以接收-93dBm的信號強度。XR18W 750和XR18W 753廣泛地應用于工業自動化、廠站自動化、商業系統等。

圖1 無線UART系統圖

FTU采用嵌入式的微處理器（Power PC）做為主CPU，集成了電源電路、復位電路、NOR FLASH電路、NAND FLASH電路、液晶接口電路、A/D采樣電路、以太網接口電路、串口接口電路、can網接口電路、無線UART接口電路等[4]。FTU終端集成電路如圖2所示。

圖2 硬件設計電路

3 FTU系統軟件設計

3.1 系統結構

軟件的系統結構分為保護測控模塊、實時庫模塊、歷史庫模塊、組態配置模塊、無線調試模塊等，如圖3所示。其中保護測控等對實時性有著極為嚴格要求的模塊運行在中斷中，而實時庫、歷史庫、組態配置等組件運行在任務中。各個模塊之間松散耦合，通過注冊機制建立聯系，同時各個模塊之間通過消息或者管道進行數據交換。

1）保護測控模塊

保護測控模塊分為兩部分：中斷執行部分和任務執行部分。中斷每0.833ms運行一次，測量采用24點采樣、并進行開入和開出的計算。保護采用傅里葉算法，設置三段式保護和零序保護。任務執行部分進行PT斷線、線路失壓、過負荷、電池管理、遙測等計算。

圖3 軟件系統結構

2）實時數據庫模塊

實時數據庫模塊：該模塊包括實時數據庫、調度端數據引用表的創建，運行時提供快速入庫、快速提取數據操作。實時數據庫還提供了對SOE、遙信變位、步位置變化等異步事件的支持。

3）歷史數據庫模塊

歷史庫訂閱實時庫的變位信息，操作記錄。歷史數據庫采用多個任務來實現，支持同步和異步兩種方式，兩種方式下實現數據的存儲、檢索、刪除等操作。

4）組態管理模塊

組態管理模塊：①生成和維護所連裝置信息總表；②配置和維護一次間隔信息；③配置和維護板卡和規約信息；④配置和維護對時源；⑤生成和維護送往調度的轉發信息表、并對規約需要的參數進行設置；⑥進行信息合成（遙測、遙信、步位置信息計算轉換）；⑦程序文件、配置文件的上載和下載[5]。

5）對上規約模塊

對上規約模塊負責配電終端同遠方主站進行數據通信，完成遙測、遙信、遙控等功能。常用的有IEC101[6]、IEC104[7]、CDT[8]等規約，采用的通道方式分別有光纖以太網、EPON網絡[9]、GPRS/CDMA[10]等。

6）顯示模塊

負責與實時庫通信，將實時數據顯示在液晶屏，并且將用戶操作（修改定值、遙控開關）傳遞給實時庫，負責完成人機交互。同時查看歷史信息，包括操作記錄、歷史事件等。

7）無線調試

負責與無線手持終端完成數據交互，實現FTU的無線調試功能，包括：①FTU內部信息的診斷和分析；②對主站規約報文的監視和分析；③人工置數功能；④組態和程序的上載和下載；⑤定值的查看和修改；⑥開關的遠程控制；⑦遠程復位功能。

3.2 無線調試模塊設計

如圖4所示，調試模塊在實時庫、歷史庫中完成注冊任務。實時庫和歷史庫發布訂閱信息給調試模塊，并且支持調試模塊的控制和修改操作。對上規約庫發送調試信息與報文監視信息給調試模塊，調試模塊根據手持終端的監視命令來選擇是否存儲和顯示。無線UART驅動模塊完成FTU自身信息的廣播及與手持終端之間點對點的通信，并將實時庫、歷史庫、對上規約庫等信息傳送給手持終端，接收手持終端下發的控制和修改命令并且轉發給調試模塊。

圖4 無線調試模塊圖

4 無線調試功能模塊實現

4.1 調試模塊

調試模塊在實時庫中完成注冊。實時庫發布遙測、遙信、遙控、保護事件、定值等信息，同時調試模塊獲得實時庫的相關操作權限。當實際系統觸發一個變位事件（如開關變位、保護動作等），實時庫會向調試模塊發布這個事件。事件參考IEC103[11]規約中通用分類服務的格式，其中信息的關鍵字包括：裝置地址、組號、條目號、時標、分合位置。

同樣地，當調試模塊需要查詢實時庫的遙測、遙信等實時信息時，調試模塊通過調用相應接口可以獲得四遙信息。當手持終端進行開關操作，定值修改時，調試模塊根據注冊內容獲得相關權限，通過發送相應信息通知實時庫完成開關操作和定值修改等任務。

相應地，調試模塊也在歷史庫完成注冊。歷史庫為調試模塊提供相應的查詢權限。歷史庫分為兩大部分：歷史事件庫和操作記錄庫，前者完成開關變位、保護動作、裝置告警等信息的存儲，后者完成遠方或就地進行的開關操作信息的存儲。當調試模塊發送相應的歷史查詢命令時，歷史庫會根據查詢命令的關鍵字進行檢索，關鍵字中會包括歷史庫類型、時間段、數據類型等信息。歷史庫檢索到信息后，將得到結果通過消息或者管道發送給調試模塊。

對上規約庫為調試模塊提供報文監視、規約信息打印、人工置數等接口服務，調試模塊根據手持終端發送過來的命令，實現相應的功能。此外，調試模塊用軟開關控制報文監視、規約信息打印等相關功能的開啟，防止大量未篩選的調試信息涌入調試模塊。

由于無線UART不能提供可靠的數據傳輸服務，因此調試模塊必須設計相應的協議來保證數據傳輸的可靠性。協議設計需要考慮鏈路的重發、測試及應用層的服務類型等。本文設計的協議采用平衡方式進行數據交互，任何一方都可以發起數據傳輸，另外一方接收到數據后都必須給予確認（采用短楨），否則數據超時發送（最多重發三遍）。

本協議設計如下：LPDU=LPCI+ASDU（或DSDU）+checkSum+endCode，其中LPCI為鏈路規約控制信息，LPDU為鏈路規約數據單元，ASDU為應用服務數據單元，DSDU為調試服務數據單元，checkSum為校驗和，endCode為結束符。每包LPDU報文只包含一包ASDU報文（或者DSDU報文），報文的最大長度定為2048字節。LPCI分為短楨和長楨，短楨主要用于鏈路測試，數據確認等，沒有ASDU(DSDU)等部分；長楨主要是命令楨和數據楨，包含完整的報文組織結構。短幀和長幀的數據結構如下：

短幀：

4.2 無線UART驅動模塊

實時庫和歷史庫為調試模塊提供了相應的信息后，調試模塊將相應的信息幀發送到無線UART的驅動模塊。無線UART驅動模塊最終完成數據的收發。

無線UART的XR18W 750芯片可以提供3種通信模式：廣播、組播和點對點。廣播模式對所有FTU終端和手持終端都可以偵聽到，組播模式只有同組的FTU終端和手持終端才能偵聽到，點對點模式只用于FTU終端和手持式終端兩者之間傳輸信息之用。以上3種模式各有利弊，廣播模式數據傳輸廣，所有FTU和手持終端均可收到，但傳輸可靠性較低；組播類似于廣播，但更受限于組內的信息共享；點對點傳輸可靠性高，但僅限于兩點之間的數據傳輸。因此，任何一種通信模式都有缺陷，必須將幾種通信模式結合起來共同考慮。本文設計了一種方法，采用廣播模式和點對點模式相結合，很好地解決了這個問題。如圖5所示，FTU裝置啟動之后，首先切換為廣播模式，每隔10s廣播自身信息，手持終端會進行偵聽，將偵聽到的FTU形成菜單列表。調試者選擇相應的FTU菜單雙擊按鈕，FTU會收到手持終端的呼叫報文。若沒有收到，FTU繼續進行廣播。若FTU收到手持終端呼叫報文后，迅速切換為點對點模式，此時手持終端也切換為點對點模式，兩者之間開始傳送數據。若FTU在30s之內未收到手持終端數據或者手持終端主動斷掉與FTU之間聯系，則FTU切換為廣播模式，重新廣播自身信息。

5 手持式終端實現

手持終端采用類似于FTU無線傳輸的硬件設計方法，也采用EXAR公司的XR18W 750和XR18W 753芯片相結合的方式，同時采用了USB芯片接口，將手持終端封裝在類似于U盤的小盒子[12]。與筆記本接口方式采用USB，USB一方面為手持式終端提供電源，另一方面為手持式終端提供通信接口。在筆記本電腦上，采用WINXP操作系統將USB映射為串口，利用VC6.0和MFC類庫進行編程，采用動態庫方式，將主機界面模塊、數據庫模塊和通信庫模塊分別加載，實現了通信報文察看、字符串命令、人工置數、文件的上下載等功能。

圖5 無線UART驅動流程圖

6 測試

基于無線UART的FTU系統在研制過程中做了各種測試對其性能進行驗證。與通過有線RS232的調試方式進行了比較，效果差異不是很大。筆者選擇了變位遙信、變化遙測、遙控、文件上下載等項目進行測試，其中硬件平臺：CPU為PowerPC，主頻400M；內存64M；Flash為128M，操作系統為VxWorks，波特率為19200bps。試驗數據摘錄見表1所示。

表1 試驗結果摘錄

由此可以看出，在數據的傳輸響應時間方面，無線UART并不比RS232遜色多少，尤其在變位遙信、變化遙測等方面。雖然在文件傳輸方面，無線UART稍微較慢，但相對于FTU爬桿操作的難度來說，這點時間差異也是維護人員可以接受的。

7 現場運行

本文設計的基于無線UART的FTU系統成功應用在青海、山東、浙江等地。典型的如青海某地區，該地區海拔高度平均3000m，包括三個縣和一個自治州。該地區全部采用FTU，大部分安裝在農村、草原及山坡上，不僅安裝困難，而且維護需要爬桿，現場調試比較困難。采用無線UART調試手段后，維護人員只需要在桿塔下就可以完成FTU參數整定、定值核對、主站通信報文監視等任務，極大地減輕了運行維護人員的工作量。

8 結論

本文提出了基于無線UART的FTU系統設計思路，并且成功實現在FTU及手持式終端的研發上。該FTU硬件設計可靠穩定、配置靈活，軟件設計功能豐富、可擴展性強，FTU整體運行穩定。手持式終端小巧方便、易于使用，維護方便安全。調試軟件人機界面良好，可操作性強，易于用戶使用。基于無線UART的FTU系統設計，已經成功在青海、山東、浙江等地使用，為用戶的調試提供了極大方便，減少了工作量，提高工作效率。

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