基于MK64平臺(tái)的配網(wǎng)終端多回路錄波方案

朱重陽

(南京國(guó)電南自自動(dòng)化有限公司，南京 210032)

0 引言

目前，10 kV配網(wǎng)廣泛覆蓋全國(guó)的城鎮(zhèn)與鄉(xiāng)村，主要為居民和企業(yè)供電。但是配網(wǎng)在運(yùn)行中，由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱而導(dǎo)致各種故障頻繁發(fā)生。在相對(duì)偏遠(yuǎn)的地區(qū)，技術(shù)手段有限導(dǎo)致查找故障原因難[1]。故障錄波能實(shí)時(shí)采集線路的狀態(tài)量，并還原故障發(fā)生場(chǎng)景，是運(yùn)維人員解決問題的一種重要手段。目前有饋線終端裝置(FTU)和數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)兩種配電自動(dòng)化終端設(shè)備。FTU主要用于單回線的線路監(jiān)控，如配電網(wǎng)饋線回路的各種饋線遠(yuǎn)方終端、配電變壓器遠(yuǎn)方終端以及中壓監(jiān)控單元(配電子站)等；DTU多用于多回線的線路監(jiān)控，如安裝在配電網(wǎng)饋線回路的環(huán)網(wǎng)柜、開閉所和配電所站點(diǎn)，具有遙信、遙測(cè)、遙控和故障電流檢測(cè)等功能。

由于在配網(wǎng)行業(yè)內(nèi)廠家眾多，競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，設(shè)備的功能不僅要滿足國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，同時(shí)還要求低成本、低功耗?；趪?guó)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，中央處理器(CPU)硬件平臺(tái)主頻不得低于100 MHz。為了降低成本，廠家會(huì)盡可能選擇主頻低、內(nèi)存小的硬件，對(duì)于數(shù)據(jù)量相對(duì)少的FTU單回線裝置來說，主頻低、內(nèi)存小的硬件平臺(tái)還能夠滿足CPU的處理、存儲(chǔ)需要；而對(duì)于數(shù)據(jù)量比較大的DTU多回線來說，主頻低、內(nèi)存小的硬件平臺(tái)也只能滿足簡(jiǎn)單的功能，如需要實(shí)現(xiàn)高采樣率、高實(shí)時(shí)性的錄波這類的高級(jí)功能，甚至是處理多達(dá)8條回線、4種故障、序列間隔短的故障錄波，僅依靠CPU本身的資源是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)的[2]。

根據(jù)FTU與DTU現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的功能及國(guó)網(wǎng)專業(yè)檢測(cè)的要求，本文介紹的是飛思卡爾的MK64FN1M型工業(yè)級(jí)CPU(以下簡(jiǎn)稱MK64)，其主頻為120 MHz，內(nèi)存為256 kB，內(nèi)部閃存(flash)為1 MB，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(SDRAM)為1 MB。相較于以前的平臺(tái)，該方案僅僅增加了SDRAM的成本(一般的價(jià)格在40元左右)，可以接受。

1 硬件方案設(shè)計(jì)

根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司配電自動(dòng)化終端設(shè)備入網(wǎng)專業(yè)檢測(cè)大綱》要求，DTU采樣回路至少需要2條母線電壓、8條饋線電流，共40路采樣通道(即5片芯片×8通道/片)，采樣芯片型號(hào)為AD7606，主要外設(shè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖中MK64的處理器與SDRAM，DM9000網(wǎng)卡芯片和5片AD7606采樣芯片通過Flexbus總線相連；flash通過串行外設(shè)接口(SPI)總線與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，用來存儲(chǔ)錄波文件及系統(tǒng)參數(shù)等固化數(shù)據(jù)，在需要時(shí)可通過文件傳輸系統(tǒng)上傳至電腦查看文件；其余外設(shè)包括串口、遙信/遙控開入/開出端口等DTU所需硬件資源。由于錄波的高實(shí)時(shí)性、高采樣率、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)等要求，本方案設(shè)計(jì)CPU通過總線直接內(nèi)存存取(DMA)，對(duì)5片AD7606采樣芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，進(jìn)行每周波160點(diǎn)采樣，并通過flash存成文件，供后期調(diào)閱。

圖1 CPU外設(shè)系統(tǒng)框架Fig.1 CPU peripheral system framework

2 軟件方案設(shè)計(jì)

模數(shù)(AD)采樣設(shè)計(jì)在整個(gè)方案中極為關(guān)鍵。根據(jù)錄波采樣高實(shí)時(shí)性、文件存儲(chǔ)慢的特點(diǎn)，需要申請(qǐng)2片緩沖區(qū)。由于隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)要比SDRAM速度快，所以申請(qǐng)使用RAM作為DMA讀取AD數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩沖區(qū)，該RAM的大小可為40個(gè)通道連續(xù)保存16個(gè)點(diǎn)，若每個(gè)采樣點(diǎn)占2 B，RAM至少為2.5 kB(40×2×16×2/1 024)。另一片緩沖區(qū)申請(qǐng)SDRAM用于錄波存儲(chǔ)，該片內(nèi)存要滿足保存40個(gè)通道、每個(gè)通道14個(gè)周波、每周波采樣160點(diǎn)、4種故障序列短時(shí)間的存儲(chǔ)要求，每條饋線申請(qǐng)4塊內(nèi)存，內(nèi)存至少為700 kB(40×14×4×160×2/1 024)。

CPU通過Flexbus總線對(duì)AD7606采樣，每片AD7606有8個(gè)通道，5片共計(jì)40個(gè)通道，每周波(20 ms)采樣160點(diǎn)，即125 μs(20/160)采樣一次，該時(shí)間即為AD采樣時(shí)間間隔，是CPU通過定時(shí)器模塊FTM內(nèi)部產(chǎn)生；方案通過DMA輪詢5片AD芯片，考慮到在采樣的同時(shí)還要存儲(chǔ)文件，文件存儲(chǔ)相對(duì)慢，所以軟件設(shè)計(jì)上采用DMA在1 ms的時(shí)間點(diǎn)上產(chǎn)生中斷，即每采樣8個(gè)點(diǎn)觸發(fā)一次中斷，CPU把讀取5片AD的數(shù)據(jù)一次性拷貝進(jìn)應(yīng)用緩沖區(qū)，供所需模塊使用，包括計(jì)算、保護(hù)模塊、錄波模塊、文件存儲(chǔ)模塊等。

錄波文件的存儲(chǔ)遵從comtrad99格式和配網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，文件保存的波形至少為故障前4個(gè)周波和故障后8個(gè)周波[3]。本方案保存前6后8，共14個(gè)周波。線路上無故障時(shí)采樣數(shù)據(jù)循環(huán)存儲(chǔ)在申請(qǐng)的SDRAM緩沖區(qū)中，當(dāng)饋線線路上有故障時(shí)，觸發(fā)錄波，從當(dāng)前故障位置保存故障后8個(gè)周波。保存文件時(shí)，先把故障位置前6個(gè)周波數(shù)據(jù)存入文件，再把故障后8個(gè)周波存入文件即可[4]，軟件流程如圖2所示。

圖2 軟件流程Fig.2 Software flow

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該方案是否能夠在4種故障序列下還原波形，用保護(hù)測(cè)試儀加4種故障序列模擬DTU裝置故障，每次故障量保持500 ms，保護(hù)過流定值5 A，零序電流(Iz)1 A，零序電壓(Uz)70 V，線路失壓50 V等4種條件觸發(fā)錄波，共產(chǎn)生4組常態(tài)-故障序列(見表1)；每條饋線應(yīng)產(chǎn)生4種波形文件，并可通過波形分析軟件查看故障發(fā)生時(shí)序的正確性。8條饋線共產(chǎn)生32組波形共64個(gè)文件(.cfg和.dat文件)。最后以饋線1為例，用波形分析軟件查看波形符合保護(hù)測(cè)試儀所加的4組狀態(tài)序列[5-7]。

表1 保護(hù)測(cè)試儀模擬故障狀態(tài)序列Tab.1 Simulated sequence of protection tester under accident status

圖3～圖6為饋線1的4種狀態(tài)故障序列波形圖，每幅圖代表1種故障序列，包括常態(tài)(正常輸出量狀態(tài))和故障態(tài)(波形突變時(shí)刻狀態(tài))。

從圖3～圖6可以看出，4組波形都在500 ms內(nèi)正確地反映了模擬的故障狀態(tài)序列，并能夠正確保存文件。

圖3 饋線1零壓序列波形Fig.3 Zero voltage sequence waveform of feeder 1

圖4 饋線1線路失壓序列波形Fig.4 Pressure loss sequence waveform of feeder 1

圖5 饋線1零流序列波形Fig.5 Zero current sequence waveform of feeder 1

圖6 饋線1過流序列波形Fig.6 Over current sequence waveform of feeder 1

4 結(jié)論

配網(wǎng)終端回路錄波方案從FTU的硬件方案改進(jìn)而來，此方案只增加1片SDRAM，就能滿足40路通道8回路采樣錄波的要求。SDRAM及AD芯片都為常見芯片及有常見電路，容易在DTU裝置上實(shí)現(xiàn)，方案成熟，風(fēng)險(xiǎn)小。該方案高速采樣還可以做小電流接地故障的判別和錄波。