配網(wǎng)自動化信息工程實驗系統(tǒng)設(shè)計

王婭楠 王琳潔 吳施穎 邢 慧 俞千慧 張夢圓

（南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇 南京211167）

1 概述

配網(wǎng)自動化系統(tǒng)融合了先進的測量、傳感、控制、信息與通信等技術(shù)以及傳統(tǒng)的配電技術(shù)，形成了自動故障定位和故障隔離、變電站自動化、饋線自動化等技術(shù)[1-2]。配網(wǎng)自動化系統(tǒng)包括配網(wǎng)自動化主站、配網(wǎng)自動化子站、配網(wǎng)終端三個部分，配網(wǎng)自動化主站的服務(wù)對象是區(qū)域內(nèi)全部配網(wǎng)線路、設(shè)備及用戶，它主要負責(zé)處理配網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的信息、優(yōu)化配置線路的運行方式、進行故障處理；配網(wǎng)自動化子站主要負責(zé)匯集、轉(zhuǎn)發(fā)配網(wǎng)節(jié)點信息；配網(wǎng)終端主要負責(zé)對配網(wǎng)節(jié)點信息的采集、執(zhí)行主站下發(fā)的命令、控制開關(guān)設(shè)備、對故障的自動化識別等等。

目前，配網(wǎng)自動化的發(fā)展已較為成熟，各類配網(wǎng)自動化產(chǎn)品也種類繁多，但針對通信規(guī)約及通信信息的員工配網(wǎng)自動化培訓(xùn)系統(tǒng)缺少。本文設(shè)計了一個配網(wǎng)自動化信息工程實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)能模擬配網(wǎng)主站SCADA 及數(shù)據(jù)庫的功能；能完全實現(xiàn)FTU 的三遙功能，能在FTU 及配網(wǎng)主站展示通信報文信息；FTU的獨特設(shè)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(shè)計的配網(wǎng)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(wǎng)，設(shè)計的配網(wǎng)自動化信息工程實驗系統(tǒng)主要包括配網(wǎng)主站與FTU（Feeder Terminal Unit）兩個部分，配網(wǎng)主站與FTU 可以按104 規(guī)約進行通信，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 配網(wǎng)自動化信息工程實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

配網(wǎng)自動化模擬主站在PC 機上采用C++Builder 軟件仿真設(shè)計,充分利用其C++語法結(jié)構(gòu)的特點與友好的圖形界面，設(shè)計出了配網(wǎng)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(wǎng)終端FTU 裝置是本次設(shè)計的重點，主要采用STM32F407 開發(fā)板設(shè)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(shè)計介紹

3.1 配網(wǎng)主站功能仿真

配網(wǎng)主站設(shè)計遵循“一體化”的設(shè)計原則，設(shè)計的配網(wǎng)SCADA 系統(tǒng)主要包括：人機交互模塊、通信服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊，其系統(tǒng)模塊如圖2 所示。

圖2 SCADA 系統(tǒng)的模塊圖

人機交互模塊負責(zé)為操作員提供可視化的操作界面，主要包括：配網(wǎng)節(jié)點運行信息顯示、104 報文內(nèi)容顯示、功能按鈕實現(xiàn)。通信服務(wù)模塊負責(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SOCKET 控件實現(xiàn)的，配網(wǎng)自動化主站作為數(shù)據(jù)請求方，在TCP連接中為客戶端，在C++Builder 中調(diào)用ClientSocket 控件即可實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)處理模塊負責(zé)管理數(shù)據(jù)，主要包括：信號判別、標(biāo)度變換、命令生成等等，信號判別是對開關(guān)分合狀態(tài)的判斷，方法為：判斷相應(yīng)標(biāo)志位，其中：“0”表示開關(guān)斷開、“1”表示開關(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)庫管理模塊主要負責(zé)數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢。數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 軟件設(shè)計，C++Builder 軟件通過ADO 相關(guān)控件對數(shù)據(jù)庫進行訪問與操作。

3.2 FTU 軟硬件設(shè)計

FTU 的設(shè)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(fù)位電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、通信接口電路、LCD 液晶顯示電路，此外通過開發(fā)板外部的擴展IO 口設(shè)計了開關(guān)量輸入/出電路。

圖3 FTU 的硬件模塊電路

FTU 的軟件系統(tǒng)是基于UCOS-III 操作系統(tǒng)設(shè)計的，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，故FTU 軟件系統(tǒng)也按模塊進行設(shè)計。其任務(wù)模塊如圖4 所示，包括人機交互模塊、通信任務(wù)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(wù)兩部分組成。

圖4 FTU 軟件系統(tǒng)任務(wù)模塊

配網(wǎng)終端FTU 的主要任務(wù)是監(jiān)測控制、通信等基本任務(wù)，故對系統(tǒng)任務(wù)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(chǔ)的任務(wù)，并對出現(xiàn)的故障向主站實時反饋。根據(jù)對各個任務(wù)重要程度的判斷，F(xiàn)TU 軟件系統(tǒng)把任務(wù)劃分為7 個優(yōu)先級，內(nèi)核任務(wù)占前五個優(yōu)先級，故用戶任務(wù)優(yōu)先級從6開始設(shè)計，設(shè)計的任務(wù)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(wù)優(yōu)先級較高，故障出現(xiàn)時，F(xiàn)TU 根據(jù)采集到的故障數(shù)據(jù)判斷故障跳開繼電器。TCP 服務(wù)器任務(wù)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(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)分別實現(xiàn)了圖形顯示與觸摸的功能，任務(wù)優(yōu)先級最低。

3.3 數(shù)據(jù)采集與開關(guān)控制電路

在STM32F407 開發(fā)板外專門設(shè)置了數(shù)據(jù)采集與開關(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(zhuǎn)換通道后變位數(shù)字信號。本次設(shè)計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)動性能好，觸發(fā)電流不大（5mA）。本次設(shè)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(shè)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(wǎng)按IEC60870-5-104 規(guī)約通信，可以實現(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(shè)計在FTU 與主站端均可顯示104 規(guī)約報文。

圖6 帶人機交互的FTU 運行效果圖

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(nèi)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(jié)論

本次配網(wǎng)自動化信息工程實驗系統(tǒng)的設(shè)計能展示主站與FTU 按104 規(guī)約通信的各種報文，是學(xué)員學(xué)習(xí)配網(wǎng)自動化信息通信內(nèi)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(wǎng)自動化系統(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。