配電網(wǎng)一二次融合成套設(shè)備 FTU 檢測平臺設(shè)計

王秀茹 代鵬 劉剛 張雪楠 劉帥 蔣宏圖 范志杰

摘要：為實現(xiàn)對配電網(wǎng)一二次融合成套設(shè)備饋線終端裝置（feeder terminal unit，F(xiàn)TU）的測試和控制功能檢測，設(shè)計一種能夠?qū)?FTU 工作環(huán)境進行模擬檢測的平臺。首先介紹智能化配電網(wǎng)電氣設(shè)備一次、二次設(shè)備深度融合以及對應(yīng) FTU 的實現(xiàn)方法;在此基礎(chǔ)上，以 DSP 和 ARM 微處理器構(gòu)建的雙 CPU 架構(gòu)作為核心，利用硬件、軟件相結(jié)合的方式，對 FTU 檢測平臺進行設(shè)計。測試結(jié)果表明：設(shè)計的檢測平臺能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)一二次融合成套設(shè)備 FTU 的工作環(huán)境進行模擬，并完成 FTU 的測試。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);一二次融合;成套設(shè)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，F(xiàn)AN 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(wǎng)建設(shè)的不斷推進，配電網(wǎng)一次設(shè)備和二次設(shè)備的智能化程度都在不斷提高，這帶來的結(jié)果是降低了配電網(wǎng)一二次設(shè)備的區(qū)分界限程度[1]?，F(xiàn)階段我國配電網(wǎng)的一次設(shè)備和二次設(shè)備都是相互獨立運行的，將兩者進行融合將改變配電網(wǎng)一二次設(shè)備的運行模式以及市場機遇[2-3]。配電網(wǎng)一二次融合需對一次設(shè)備和二次設(shè)備進行集成設(shè)計，能夠提升一二次設(shè)備的配合和運行效率[4]。

配電網(wǎng)一二次設(shè)備融合的發(fā)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(guān)的智能終端設(shè)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(wǎng)一二次融合智能設(shè)備的開發(fā)周期。目前由于一二次設(shè)備融合尚處于起步階段，且國內(nèi)外關(guān)于配電網(wǎng) FTU 測試平臺的研究也都集中在配電網(wǎng)一二次系統(tǒng)獨立運行模式[5]，其測試方案不再滿足目前配電網(wǎng)一二次融合運行下的基本要求，因此缺乏有效的配電網(wǎng)一二次融合成套設(shè)備 FTU 的檢測平臺。隨著 FTU 在一二次融合設(shè)備的推廣和應(yīng)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(tài)檢測具有重要的實際工程應(yīng)用意義。

鑒于此，本文在一二次融合智能開關(guān)以及 FTU 實現(xiàn)原理和基本功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種配電網(wǎng)一二次融合成套設(shè)備 FTU 檢測平臺。采用硬件、軟件相結(jié)合的方式對檢測平臺的實現(xiàn)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(gòu)建的雙 CPU 架構(gòu)，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(tài)量以及人機交互外部模塊進行交互。最后對成套設(shè)備 FTU 的電壓電流數(shù)據(jù)采集、分合閘控制命令以及運行狀態(tài)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(guān)

1.1基本原理

配電網(wǎng)的一二次融合成套開關(guān)主要通過一次開關(guān)和二次開關(guān)進行整體的設(shè)計并進行融合，相較于傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)柜和終端比較方式相結(jié)合的方法而言，一二次融合開關(guān)能夠有效解決一、二次開關(guān)設(shè)置之間的配合問題。智能開關(guān)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(shè)備，將測控技術(shù)、通信技術(shù)以及開關(guān)動作技術(shù)等集成于一體。一二次融合智能開關(guān)主要通過傳感器實現(xiàn)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(yōu)勢。

典型的一二次融合成套開關(guān)基本原理如圖1所示，其主要由本體開關(guān)、饋線終端 FTU、傳感器、航空插頭和預(yù)制電纜等組成，其中開關(guān)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(yù)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(guān)能夠有效安全運行，應(yīng)滿足如下要求[8]：1）不完全依賴于配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的主站和饋線自動化功能，故障區(qū)域定位、隔離以及非故障區(qū)域的恢復(fù)供電均由 FTU 進行協(xié)調(diào)控制;2）能夠?qū)\行參數(shù)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(diào)節(jié)對應(yīng)的重合次數(shù)和合閘時間;3）滿足國家電網(wǎng)公司提出的標準協(xié)議《就地型饋線自動化實施應(yīng)用技術(shù)方法》中的相關(guān)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(guān) FTU

FTU 是一二次融合成套開關(guān)的核心部分，其主要功能是實現(xiàn)一二次融合開關(guān)的遙控、遙信和遙測，即主要是負責開關(guān)的測量以及控制邏輯的相關(guān)功能，能夠?qū)涣鬏旊娋€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(guān)的工作狀態(tài)。具體來說，一二次融合開關(guān)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(jù)處理后的結(jié)果來執(zhí)行一二次融合開關(guān)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(fā)出分閘和合閘命令時，分別切換到對應(yīng)的分閘狀態(tài)和合閘狀態(tài)。FTU 測控單元則包括信息采集和執(zhí)行控制命令，其中信息采集主要是采集、計算對應(yīng)配電網(wǎng)輸電線的電壓、電流信號，從而讀取一二次融合開關(guān)的實時運行狀態(tài);而執(zhí)行控制命令則指的是 FTU 裝置在接受命令時能否發(fā)出正確的分閘以及合閘指令來控制一二次融合開關(guān)。

FTU 核心功能除了滿足電力系統(tǒng)一次、二次安全控制有關(guān)規(guī)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(lián)絡(luò)功能。此外，一二次融合成套開關(guān) FTU 不同于傳統(tǒng)的 FTU，兩者之間的配置差異主要體現(xiàn)在兩方面：1）傳統(tǒng) FTU 的線電壓為交流220 V，而一二次融合成套開關(guān) FTU 的線電壓為交流110 V;2）傳統(tǒng) 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(guān) FTU 本體內(nèi)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(shè)計

2.1硬件設(shè)計

一二次融合成套開關(guān) FTU 檢測平臺的硬件結(jié)

構(gòu)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(tài)量以及人機交互等。FTU 檢測平臺硬件實現(xiàn)原理如下：核心處理器 CPU 產(chǎn)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(chǎn)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(guān)單元的分閘命令、合閘命令和儲能狀態(tài)，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(tài)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(gòu)，其中DSP 處理器主要執(zhí)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行定時的讀取，能夠大大提高檢測任務(wù)的響應(yīng)速度。采用雙 CPU 架構(gòu)模式處理器不僅僅滿足 FTU 檢測平臺對不同檢測任務(wù)的實時性要求，同時使整個檢測平臺的實時響應(yīng)能力得到有效改善。除此之外，雙 CPU 架構(gòu)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(shù)的 AD9854芯片[11]，該芯片是一款可編程波形的信號發(fā)生器。其中 DDS 技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在帶寬較寬、頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換時間短、相位輸出連續(xù)、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(xiàn)，能夠產(chǎn)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?qū)崿F(xiàn)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(lián)之后能夠擴大至64，128，256倍的增益[12]。AD525內(nèi)部的組成部分包括調(diào)整漂移BiFET放大器、JFET 模擬開關(guān)、激光晶片調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)以及增益編碼鎖存器?？删幊谭糯笃?AD526的性能參數(shù)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(diào)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(shù)，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(shù)轉(zhuǎn)換電路來采樣輸入的電壓、電流信號，轉(zhuǎn)換過后的電壓、電流數(shù)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(shù)進行運算。運算后的結(jié)果存儲在相應(yīng)的寄存器當中，并通過軟件編程來對存儲的數(shù)據(jù)進行讀取。按照0.2 S 和0.5 S 的測量精度作為設(shè)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(guān)運行狀態(tài)

模擬開關(guān)運行狀態(tài)主要是通過編程對開關(guān)的分合進行控制，以對開關(guān)分閘、合閘和儲能等狀態(tài)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(tài)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(guān)運行狀態(tài)結(jié)果是否正確。

6）FTU 分合閘檢測

依據(jù)一二次融合成套開關(guān) FTU 產(chǎn)生的控制信號基本特征對信號檢測電路進行設(shè)計。通常情況下一二次融合成套開關(guān) FTU 產(chǎn)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(zhuǎn)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，F(xiàn)TU 分合閘的狀態(tài)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(xiàn)[15]。其中6個按鍵操控簡單易于實現(xiàn)，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(lián)電容器。而 AT056TN52的 LCD 液晶顯示屏一共含有18根數(shù)據(jù)總線，其中3條數(shù)據(jù)線分別寫數(shù)據(jù)線、片選線以及時鐘線。數(shù)據(jù)線為與核心處理器 LPC2214的數(shù)據(jù)總線進行相連，其中 LPC2214的3個 I/O 口可對顯示屏的顯示設(shè)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(shè)計

在一二次融合成套開關(guān) FTU 硬件基礎(chǔ)上，對檢測平臺軟件部分進行了設(shè)計，軟件實現(xiàn)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(shè)備外部接口、設(shè)定寄存器、初始化片上資源功能、設(shè)置相關(guān)中斷;2）對各個硬件系統(tǒng)初始化設(shè)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(guān)和人機交互等硬件資源的初始化設(shè)置;3）編寫硬件執(zhí)行功能程序和軟件系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)算法，主要是采用內(nèi)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(jié)果，并與設(shè)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(shè)置為外部中斷事件，若有中斷事件發(fā)生則跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。如果檢測到中斷程序為按鍵中斷，則執(zhí)行按鍵程序并對手動分閘、合閘和儲能狀態(tài)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(fā)來的命令控制信號作出對應(yīng)的分閘、合閘動作。中斷功能軟件實現(xiàn)流程如圖4所示。

3測試結(jié)果分析

為了驗證本文提出的配電網(wǎng)一二次融合成套設(shè)備 FTU 檢測平臺的實際效果，以某實際電網(wǎng)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(wěn)定性、控制命令以及運行狀態(tài)等內(nèi)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(jié)果，將液晶顯示的測試結(jié)果值和初始設(shè)定值進行了對比。從測試結(jié)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(wěn)定性，能夠滿足配電網(wǎng)一二次融合成套設(shè)備 FTU 的信號采樣功能。

控制命令和開關(guān)狀態(tài)的測試結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，當檢測平臺發(fā)出分閘或者合閘命令時，檢測平臺的接口端子會出現(xiàn)短路，分閘或合閘的指示燈會發(fā)亮。同時，當開關(guān)處于分閘、合閘或儲能狀態(tài)時，開關(guān)的分閘、合閘以及儲能狀態(tài)能夠顯示于液晶顯示模塊。測試結(jié)果說明 FTU 檢測平臺能夠有效精確地完檢測 FTU 的開關(guān)控制命令和狀態(tài)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(tǒng)相連接，用 FTU 測試平臺對通信單元進行測試，測試內(nèi)容及結(jié)果如表4所示。測試結(jié)果可以看出，F(xiàn)TU 檢測平臺能夠有效完成通信單元的測試，能夠滿足配電網(wǎng)一二次融合成套設(shè)備 FTU 的通信功能要求。

4結(jié)束語

本文在分析配電網(wǎng)一二次融合成套設(shè)備 FTU 基本原理和功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種配電網(wǎng)一二次融合成套設(shè)備 FTU 檢測平臺。首先對智能化配電網(wǎng)電氣設(shè)備一次、二次設(shè)備深度融合以及 FTU 的實現(xiàn)方法進行了描述;其次詳細設(shè)計了檢測平臺的硬件和軟件實現(xiàn)部分，其處理器以 DSP 和 ARM 微處理器構(gòu)建的雙 CPU 架構(gòu)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(tài)量以及人機交互外部模塊進行交互。最后測試結(jié)果表明：設(shè)計的檢測平臺能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)一二次融合成套設(shè)備 FTU 的控制命令和運行狀態(tài)進行有效檢測。

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（編輯：商丹丹）