配電網一二次融合成套設備 FTU 檢測平臺設計

王秀茹 代鵬 劉剛 張雪楠 劉帥 蔣宏圖 范志杰

摘要：為實現對配電網一二次融合成套設備饋線終端裝置（feeder terminal unit，FTU）的測試和控制功能檢測，設計一種能夠對 FTU 工作環境進行模擬檢測的平臺。首先介紹智能化配電網電氣設備一次、二次設備深度融合以及對應 FTU 的實現方法;在此基礎上，以 DSP 和 ARM 微處理器構建的雙 CPU 架構作為核心，利用硬件、軟件相結合的方式，對 FTU 檢測平臺進行設計。測試結果表明：設計的檢測平臺能夠對配電網一二次融合成套設備 FTU 的工作環境進行模擬，并完成 FTU 的測試。

關鍵詞：配電網;一二次融合;成套設備;饋線終端裝置;檢測平臺

中圖分類號： TM77文獻標志碼： A文章編號：1674–5124（2021）12–0163–06

Design of FTU testing platform for primary and secondary fusion equipment of distribution network

WANG Xiuru1，DAI Peng1，LIU Gang1，ZHANG Xuenan1，LIU Shuai1，JIANG Hongtu2，FAN Zhijie2

（1. Suqian Power Supply Branch， State Grid Jiangsu Electric Powetr Co.， Ltd.， Suqian 223800， China;2. Shanghai WiscomSunest Power Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200233， China）

Abstract： In order to realize the test and control function of the feeder terminal unit （FTU） of the primary and secondary fusion equipment of the distribution network， a platform capable of simulating the FTU working environment was designed. The article first introduces the deep integration of primary and secondary electrical equipment in the intelligent distribution network and the corresponding FTU implementation method. On this basis， the dual-CPU architecture constructed by DSP and ARM microprocessor is used as the core， and the FTU detection platform is designed by the combination of hardware and software. The test results show that thedesignedtestingplatformcansimulatetheworkingenvironmentof FTUinthedistributionnetwork primary and secondary integration equipment， and complete the FTU test.

Keywords： distribution network; primary and secondary fusion ; complete equipment; FTU; detection platform

0引言

隨著我國智能配電網建設的不斷推進，配電網一次設備和二次設備的智能化程度都在不斷提高，這帶來的結果是降低了配電網一二次設備的區分界限程度[1]。現階段我國配電網的一次設備和二次設備都是相互獨立運行的，將兩者進行融合將改變配電網一二次設備的運行模式以及市場機遇[2-3]。配電網一二次融合需對一次設備和二次設備進行集成設計，能夠提升一二次設備的配合和運行效率[4]。

配電網一二次設備融合的發展必然要求一種檢測平臺對一些智能終端功能進行測試，以確保融合開關的智能終端設備每一項功能都能正常運行，同時高效率、高可靠性的檢測平臺能夠縮短配電網一二次融合智能設備的開發周期。目前由于一二次設備融合尚處于起步階段，且國內外關于配電網 FTU 測試平臺的研究也都集中在配電網一二次系統獨立運行模式[5]，其測試方案不再滿足目前配電網一二次融合運行下的基本要求，因此缺乏有效的配電網一二次融合成套設備 FTU 的檢測平臺。隨著 FTU 在一二次融合設備的推廣和應用[6-7]，利用一種具備多項功能測試的檢測平臺對 FTU 的控制命令和運行狀態檢測具有重要的實際工程應用意義。

鑒于此，本文在一二次融合智能開關以及 FTU 實現原理和基本功能的基礎上，設計了一種配電網一二次融合成套設備 FTU 檢測平臺。采用硬件、軟件相結合的方式對檢測平臺的實現方法進行了詳細闡述，該平臺處理器的核心是 DSP 和 ARM 微處理器構建的雙 CPU 架構，并與信號源模塊、放大器模塊、電壓采樣模塊、電流采樣模塊、運行狀態量以及人機交互外部模塊進行交互。最后對成套設備 FTU 的電壓電流數據采集、分合閘控制命令以及運行狀態等進行了測試，驗證了檢測平臺的有效性。

1一二次融合成套開關

1.1基本原理

配電網的一二次融合成套開關主要通過一次開關和二次開關進行整體的設計并進行融合，相較于傳統的環網柜和終端比較方式相結合的方法而言，一二次融合開關能夠有效解決一、二次開關設置之間的配合問題。智能開關是一種具備電壓電流信號采集、線路保護動作以及故障自動隔離的設備，將測控技術、通信技術以及開關動作技術等集成于一體。一二次融合智能開關主要通過傳感器實現量測、保護以及隔離功能，具有體積小以及采樣線性度好等優勢。

典型的一二次融合成套開關基本原理如圖1所示，其主要由本體開關、饋線終端 FTU、傳感器、航空插頭和預制電纜等組成，其中開關本體上集成有電壓傳感器以及電流傳感器，信號通過具有高防護等級的預制電纜傳輸至 FTU 柜，因此量測值能夠通過 FTU 對電壓和電流信號的采集而獲取。

為了一二次融合智能開關能夠有效安全運行，應滿足如下要求[8]：1）不完全依賴于配電網自動化系統的主站和饋線自動化功能，故障區域定位、隔離以及非故障區域的恢復供電均由 FTU 進行協調控制;2）能夠對運行參數以及運行控制邏輯進行靈活配置，也具備自動重合閘功能，且可調節對應的重合次數和合閘時間;3）滿足國家電網公司提出的標準協議《就地型饋線自動化實施應用技術方法》中的相關要求，支持不同類型的饋線自動化邏輯。

1.2一二次融合成套開關 FTU

FTU 是一二次融合成套開關的核心部分，其主要功能是實現一二次融合開關的遙控、遙信和遙測，即主要是負責開關的測量以及控制邏輯的相關功能，能夠對交流輸電線路的電壓信號、電流信號進行采集，并可讀取一二次融合開關的工作狀態。具體來說，一二次融合開關所采集的電壓、電流信號都是通過 FTU 裝置進行處理的，并依據處理后的結果來執行一二次融合開關的分合閘控制。FTU 控制量檢測主要是對命令控制量的檢測，包括分閘命令和合閘命令，當測控單元發出分閘和合閘命令時，分別切換到對應的分閘狀態和合閘狀態。FTU 測控單元則包括信息采集和執行控制命令，其中信息采集主要是采集、計算對應配電網輸電線的電壓、電流信號，從而讀取一二次融合開關的實時運行狀態;而執行控制命令則指的是 FTU 裝置在接受命令時能否發出正確的分閘以及合閘指令來控制一二次融合開關。

FTU 核心功能除了滿足電力系統一次、二次安全控制有關規定要求之外，還需要滿足遙控、遙信和遙測功能，具有多類型故障處理能力，同時能夠滿足就地 FA 功能，如分段功能和聯絡功能。此外，一二次融合成套開關 FTU 不同于傳統的 FTU，兩者之間的配置差異主要體現在兩方面：1）傳統 FTU 的線電壓為交流220 V，而一二次融合成套開關 FTU 的線電壓為交流110 V;2）傳統 FTU 采用的是外置電磁式電壓互感器且開口三角的零序電壓大小為100 V，而一二次融合成套開關 FTU 本體內置電容分壓式的傳感器，零序電壓為6.5 V。

2 FTU 檢測平臺設計

2.1硬件設計

一二次融合成套開關 FTU 檢測平臺的硬件結

構如圖2所示，檢測平臺的基本組成包括核心處理器、信號源模塊、放大器模塊、電壓采樣模塊、電流采樣模塊、運行狀態量以及人機交互等。FTU 檢測平臺硬件實現原理如下：核心處理器 CPU 產生的高精度正弦信號分別通過可編程放大器模塊生成交流電壓信號和交流電流信號，產生的交流電壓、電流信號再分別由電壓、電流采集模塊傳送至核心處理器單元。通過核心處理器單元來控制開關單元的分閘命令、合閘命令和儲能狀態，并采用光耦電路對 FTU 分合閘命令進行檢測，通過人機交互界面對 FTU 的運行狀態和控制命令進行顯示。

1）核心處理器單元

為了提高 FTU 檢測平臺的效率和可靠性，檢測平臺核心處理器采用由 TMS320系列 F28335型號的 DSP 和 LPC2214型號的 ARM7組成的雙 CPU 架構，其中DSP 處理器主要執行功能是采集和處理模擬信號，而 ARM 處理器則主要是完成遙信、遙控、通信以及故障等不同運行功能的檢測[9]，DSP 和 ARM 兩處理器的數據交互方式采用雙口 RAM 模式[10]。另外，對于定時遙測、遙信等耗時較長的功能測試也是分出來由DSP 處理器進行完成，而主處理器 ARM 將 FTU 檢測功能劃分為不同模塊，對 DSP 處理器的數據進行定時的讀取，能夠大大提高檢測任務的響應速度。采用雙 CPU 架構模式處理器不僅僅滿足 FTU 檢測平臺對不同檢測任務的實時性要求，同時使整個檢測平臺的實時響應能力得到有效改善。除此之外，雙 CPU 架構模式處理器在一定程度上能夠降低平臺的功耗。

2）信號源模塊

檢測平臺的信號源模塊采用型號為基于 DDS 技術的 AD9854芯片[11]，該芯片是一款可編程波形的信號發生器。其中 DDS 技術的優勢體現在帶寬較寬、頻率分辨率高、頻率轉換時間短、相位輸出連續、可輸出正交信號和便于集成等。AD9854芯片采用 F28335的 DSP 處理器進行控制，其幅值、頻率、相位均可通過在處理器編程實現，能夠產生高精度的工頻正弦信號。除此之外，AD9854芯片外部配置了 Q 路 DAC，能夠實現任意波形的輸出。

3）放大器模塊

檢測平臺放大器模塊采用軟件可編程放大器 AD526，該放大器可通過編程來提供1，2，4，8，16倍的增益，兩個單 AD526通過級聯之后能夠擴大至64，128，256倍的增益[12]。AD525內部的組成部分包括調整漂移BiFET放大器、JFET 模擬開關、激光晶片調整電阻網絡以及增益編碼鎖存器。可編程放大器 AD526的性能參數如下：線性誤差的大小不超過0.005% FS，增益誤差不超過0.02%，輸入失調電壓大小不超過0.5 mV，16倍增益時的信號帶寬大于350 kHz，測量的最小信號為0.6 mV。

4）電壓、電流采集模塊

電壓、電流采集模塊選用的是型號為 ATT7022的高精度三相電能計量專用芯片[13]，該芯片具有全面的測量電參數，具體包括視在功率、有功功率、無功功率、電壓有效值、電流有效值、相位和頻率等，其參量測量精度可達到0.2 S 和0.5 S，能夠滿足檢測平臺對電壓、電流有效值測量的需求。ATT7022在接收到電壓、電流信號之前，需安裝電壓互感器、電流互感器以及采樣電路，通過 ADC 模數轉換電路來采樣輸入的電壓、電流信號，轉換過后的電壓、電流數字信號通過 SPI 接口與處理器 DSP 進行交互，從而對三相電能參數進行運算。運算后的結果存儲在相應的寄存器當中，并通過軟件編程來對存儲的數據進行讀取。按照0.2 S 和0.5 S 的測量精度作為設計的基本要求，其額定電壓為220 V，額定電流為1.5 A，最大電流為6 A，啟動電流不超過額定電流的0.4%。

5）模擬開關運行狀態

模擬開關運行狀態主要是通過編程對開關的分合進行控制，以對開關分閘、合閘和儲能等狀態量進行模擬。該部分電路均裝有端子接口，通過該接口與 FTU 進行連接，從而將 FTU 狀態量反饋至 FTU 檢測平臺的測控單元，能夠判斷所檢測到的開關運行狀態結果是否正確。

6）FTU 分合閘檢測

依據一二次融合成套開關 FTU 產生的控制信號基本特征對信號檢測電路進行設計。通常情況下一二次融合成套開關 FTU 產生的控制信號為脈沖信號，利用核心處理器 LPC2214定時器的電平翻轉功能對該脈沖信號進行捕獲。為避免對脈沖信號檢測的影響，在核心處理器 LPC2214定時器前端安裝光耦隔離裝置對干擾信號進行濾除[14]。另外，FTU 分合閘的狀態可通過指示燈顯示。

7）人機交互模塊

人機交互模塊主要是通過核心處理器 LPC2214、6個按鍵以及型號為 AT056TN52的 LCD 液晶顯示屏來實現[15]。其中6個按鍵操控簡單易于實現，主要是通過核心處理器 LPC2214的 GPIO 的中斷功能來操控，每個按鍵都直接連接至 I/O 接口，同時為防止按鍵抖動而在每個按鍵上安裝并聯電容器。而 AT056TN52的 LCD 液晶顯示屏一共含有18根數據總線，其中3條數據線分別寫數據線、片選線以及時鐘線。數據線為與核心處理器 LPC2214的數據總線進行相連，其中 LPC2214的3個 I/O 口可對顯示屏的顯示設置以及測試功能信息進行顯示，能夠滿足檢測平臺的顯示需求。

2.2軟件設計

在一二次融合成套開關 FTU 硬件基礎上，對檢測平臺軟件部分進行了設計，軟件實現總體流程如圖3所示，主要包含以下3方面：1）對雙 CPU 核心處理器進行初始化，包括編寫頭文件、編寫啟動文件、設備外部接口、設定寄存器、初始化片上資源功能、設置相關中斷;2）對各個硬件系統初始化設置，如信號源芯片 AD9854、可編程放大器 AD526、三相電能計量專用芯片 ATT7022、模擬開關和人機交互等硬件資源的初始化設置;3）編寫硬件執行功能程序和軟件系統內部數據算法，主要是采用內部算法對硬件采集信息進行處理以及輸出顯示。

FTU 檢測平臺上電后首先對雙 CPU 處理器、硬件功能和軟件算法進行初始化，并將初始化之后的參量信息進行液晶顯示。三相電能計量專用芯片 ATT7022對交流電壓、電流進行周期性的采樣，通過核心處理器讀取 ATT7022的結果，并與設定值進行對比和誤差分析。檢測平臺控制量檢測和按鍵都設置為外部中斷事件，若有中斷事件發生則跳轉到對應的中斷服務子程序。如果檢測到中斷程序為按鍵中斷，則執行按鍵程序并對手動分閘、合閘和儲能狀態進行判斷;如果檢測到不是按鍵中斷程序則對控制量捕獲程序進行啟動，對 FTU 檢測單元發來的命令控制信號作出對應的分閘、合閘動作。中斷功能軟件實現流程如圖4所示。

3測試結果分析

為了驗證本文提出的配電網一二次融合成套設備 FTU 檢測平臺的實際效果，以某實際電網為例，對 FTU 運行情況進行檢測。對 FTU 在電壓電流信號采集的穩定性、控制命令以及運行狀態等內容進行了檢測。

表1和表2分別是 FTU 的電壓和電流采集測試結果，將液晶顯示的測試結果值和初始設定值進行了對比。從測試結果可以看出，電壓電流信號采集值的測量精度較高，測量誤差基本都小于0.1%，說明了測試平臺采集電壓、電流信號的功能正常。因此 FTU 檢測平臺具有很好的輸出穩定性，能夠滿足配電網一二次融合成套設備 FTU 的信號采樣功能。

控制命令和開關狀態的測試結果如表3所示。可以看出，當檢測平臺發出分閘或者合閘命令時，檢測平臺的接口端子會出現短路，分閘或合閘的指示燈會發亮。同時，當開關處于分閘、合閘或儲能狀態時，開關的分閘、合閘以及儲能狀態能夠顯示于液晶顯示模塊。測試結果說明 FTU 檢測平臺能夠有效精確地完檢測 FTU 的開關控制命令和狀態量。

進一步，將測試平臺接口端子與通信單元連接，并與后臺的軟件控制系統相連接，用 FTU 測試平臺對通信單元進行測試，測試內容及結果如表4所示。測試結果可以看出，FTU 檢測平臺能夠有效完成通信單元的測試，能夠滿足配電網一二次融合成套設備 FTU 的通信功能要求。

4結束語

本文在分析配電網一二次融合成套設備 FTU 基本原理和功能的基礎上，設計了一種配電網一二次融合成套設備 FTU 檢測平臺。首先對智能化配電網電氣設備一次、二次設備深度融合以及 FTU 的實現方法進行了描述;其次詳細設計了檢測平臺的硬件和軟件實現部分，其處理器以 DSP 和 ARM 微處理器構建的雙 CPU 架構為核心，與信號源模塊、放大器模塊、電壓采樣模塊、電流采樣模塊、運行狀態量以及人機交互外部模塊進行交互。最后測試結果表明：設計的檢測平臺能夠對配電網一二次融合成套設備 FTU 的控制命令和運行狀態進行有效檢測。

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（編輯：商丹丹）