帶液晶顯示的FTU實驗裝置設計

吳 航，韓 俊，何 帥，王婭楠，程 亮

（南京工程學院電力工程學院，南京 211167）

1 引言

近些年隨著我國配網自動化系統的建設，針對配網自動化系統的仿真培訓及實驗系統也得到了探索。如文獻[1]介紹了一種配網自動化仿真系統，該系統有模擬柜（三部分構成：配網一次設備模擬部分，模擬控制器部分及負荷模擬部分）、控制中心（控制中心由計算機、通訊控制器及其它計算機輔助設備構成。軟件由四部分構成：控制中心界面設計軟件、系統運行情況演示軟件、遠程操作控制軟件，線路仿真及計算軟件）及顯示部分構成。該仿真系統為配電網自動化系統搭建了一個應用研究平臺，目前，該系統能實現配電網自動化系統多種方案的仿真。系統能演示配電網的正常運行方式和故障運行方式及故障隔離過程。

文獻[2]介紹了一種采用分層式體系結構實現對實際城區10kV配電網自動化的計算機模擬。根據現實的配網系統，整個模擬系統分為配電網主站層、終端層和一次設備層 3個層次。通過通信系統將 3個圖3 配電模擬培訓系統配置層次統一起來，可以實現配電網自動化系統各種工況和故障的模擬實驗，讓學習者充分了解現代化的配網自動化系統，了解配電網運行規律和電網調度運行技術，充分掌握電力系統遠動技術。

目前配網自動化系統的仿真培訓系統有純軟件仿真和數字物理混合仿真系統兩種，本文介紹一個配網自動化實驗系統，也是兼具軟件設計和硬件設計的結構。

2 配網自動化實驗系統簡介

本文設計的配網自動化試驗系統以0.4kV電壓等級模擬10kV配網，結構上分為主站層和終端層2層設計。其中主站層由PC機模擬，采用C++Builder開發，具備配網SCADA、智能告警、SOE數據庫和報文查詢等功能。終端層為FTU實驗裝置，終端通過以太網或CAN總線與模擬主站連接，采用當前配網中使用的104、101和DNP3.0等通信規約，將采集的遙測、遙信量上傳，接受主站的遙控命令，操作繼電器實現對負荷開關的控制，以及繼電保護和故障監測等功能。

配網自動化試驗系統結構如圖1所示：

項目編號：TB201904016

作者簡介： 吳 航，男，漢族，1994年生，江蘇宿遷人，研究方向為智能電網信息工程。

韓 俊，男，漢族，1998年生，江蘇南京人，研究方向為智能電網信息工程。

何 帥，男，漢族，1996年生，河南洛陽人，研究方向為智能電網信息工程。

王婭楠，女，漢族，1999年生，女，漢族，江蘇泰州人，研究方向為智能電網信息工程。

程 亮，男，漢族，1998年生，安徽宣城人，研究方向為智能電網信息工程。

3 FTU硬件設計

本設計基于STM32F407開發平臺，硬件上分為CPU板，信息采集板，LCD顯示模塊和電源模塊，結構框圖如圖2所示。

圖2 FTU硬件結構框圖

3.1 CPU板

CPU板核心處理器采用M4架構的STM32F407ZGT6，該處理器主頻高達168MHz，片上資源豐富，包含192kB片內SRAM和1MB的片上FLASH存儲器，3個12位ADC控制器，即使不外擴交流采樣AD，也可實現直流采樣，同時具備RTC時鐘、MAC控制器和多個GPIO接口，方便和節省了大量外部電路設計。為方便報文數據的存儲和查詢，外擴了16MB FLASH存儲器和SD卡接口模塊，可滿足大量數據的存儲需求。

3.2 數據采集板

對于遙信量，即開關狀態的采集，通過接觸器的輔助觸點，經光耦隔離后可直接由GPIO端口接入CPU處理。模擬開關采用帶輔助觸點的接觸器，相對于繼電器而言，接觸器開斷電流能力更強，可達100A左右，不僅可以模擬遙控操作，切斷負荷電流，對于模擬的故障電流也可以切斷。

電壓電流的模擬量采集，由于主CPU內部包括3個ADC控制器，可采用直流采樣方式，即電壓電流經互感器變換后接全波整流電路，再經濾波電路，濾去交流成分，接入CPU板的GPIO口，提供給處理器處理。此種方案優點省去了AD模塊，但需要定制特定的電壓、電流互感器。本設計采用交流采樣方式，采用380/7.07V電壓互感器和電壓輸出的電流互感器。當一次側輸入電壓范圍為0-380V時，二次輸出電壓為0-7.07V，當一次側輸入電流為0-100A時，二次側輸出電壓為0-7.07V，經濾波后送入同步采樣AD芯片，AD芯片與主CPU之間采用SPI總線通信，將轉換得到的電壓、電流數字量送CPU處理。這里采用的AD芯片為AD7606，可實現8路信號輸入，實現對三相電壓、電流以及零序量的采集。液晶顯示采用7英寸LCD顯示屏，帶有電容觸摸屏功能，經過調用STemWin圖形庫函，開發友好人機界面，可實現觸摸操作，代替了傳統的矩陣鍵盤，使得操作更直觀便捷。

3.3 液晶顯示模塊

3.4 電源模塊

電源模塊采用AC轉DC方式。220V交流輸入轉直流12V或24V輸出供各模塊使用。其中，CPU板采用直流12V電源供電，滿足主芯片和LCD顯示屏的功率需求；信息采集板采用直流24V供電，用以驅動接觸器線包，實現分合操作，并通過分壓形成一路5V輸出供AD7606使用。

4 FTU軟件設計

FTU軟件設計采用嵌入式操作系統FreeRTOS，以搶占方式，實現多任務處理。實時操作系統是將并發的各任務按照其實時性，賦以不同的優先級，實時性要求高的任務則擁有高優先級，優先享有CPU使用權。處理高優先級任務時，低優先級任務被掛起，待高優先級任務處理完成，低優先級任務繼續執行。相對于無操作系統的大循環方式，FreeRTOS的任務處理是并發的，根據其優先級，搶占、掛起任務，實時性更高[3]。

FTU各部分的硬件驅動采用調用庫函數形式開發。ST官方提供了符合CMSIS規范的固件庫，在使用時，只需將固件庫中的“stm32f4xx_xxx.c/.h”文件和配置文件“stm32f4xx_conf.h”復制到工程下，并根據我們用到的功能，配置相應的“.c”文件即可。

FTU軟件組成如圖3所示。

圖3 FTU軟件結構框圖

5 FTU功能特點

5.1 獨有實驗模式的“人機交互”功能

配網FTU多安裝于戶外饋線桿塔，不具備人機界面，直接用來搭建實驗系統，不利于對配網信息流傳輸及通信規約的研究。本設計通過ST emWIN開發獨有的人機界面，方便實驗模式下的友好“人機交互”，主要功能包括饋線運行狀態顯示、保護參數整定、通信方式選擇和通信報文查閱等。

配網運行的電壓電流量和開關狀態量可實時顯示在液晶屏幕上，保護參數在身份認證后可手動修改，通信方式提供了多種選擇，可實現以太網、CAN總線等通信方式。模擬了配網通信規約，例如IEC60870-5-101、104規約，DNP3.0規約以及IEC61850規約的IED建模部分等。FTU與主站的通信報文存儲于本機存儲模塊，可通過報文查詢功能，將報文逐條顯示在報文查閱界面，直觀的反映出配網的通信過程，便于FTU于主站信息流的研究。

5.2 與現場實際應用相同的FTU功能

本設計具備與現場FTU相同的遙測、遙信、遙控以及對時功能。FTU通過以太網等通信方式與主站連接后，可上傳配網運行的電壓、電流量和開關狀態量，并接受模擬主站的遙控命令，進行相應的遙控返校及執行操作，控制接觸器分合閘。另外，本機自帶RTC時鐘單元，可接收主站對時命令，并實現與主站的時鐘同步。

6 結束語

本文介紹的配網自動化實驗系統及帶液晶顯示的FTU裝置設計，可以模擬配網自動化系統的部分功能及實際FTU的全部功能，FTU特有的液晶顯示設計能把FTU與主站通信的信息流展示，對智能電網信息工程是一個很好的研究平臺。