配网自动化信息工程实验系统设计

王娅楠 王琳洁 吴施颖 邢 慧 俞千慧 张梦圆

（南京工程学院电力工程学院，江苏 南京211167）

1 概述

配网自动化系统融合了先进的测量、传感、控制、信息与通信等技术以及传统的配电技术，形成了自动故障定位和故障隔离、变电站自动化、馈线自动化等技术[1-2]。配网自动化系统包括配网自动化主站、配网自动化子站、配网终端三个部分，配网自动化主站的服务对象是区域内全部配网线路、设备及用户，它主要负责处理配网区域内的信息、优化配置线路的运行方式、进行故障处理；配网自动化子站主要负责汇集、转发配网节点信息；配网终端主要负责对配网节点信息的采集、执行主站下发的命令、控制开关设备、对故障的自动化识别等等。

目前，配网自动化的发展已较为成熟，各类配网自动化产品也种类繁多，但针对通信规约及通信信息的员工配网自动化培训系统缺少。本文设计了一个配网自动化信息工程实验系统，系统能模拟配网主站SCADA 及数据库的功能；能完全实现FTU 的三遥功能，能在FTU 及配网主站展示通信报文信息；FTU的独特设计之处有大屏幕显示菜单并操作。

2 实验系统简介

本文设计的配网自动化信息工程实验系统用单相220V 交流电模拟10kV 配电网，设计的配网自动化信息工程实验系统主要包括配网主站与FTU（Feeder Terminal Unit）两个部分，配网主站与FTU 可以按104 规约进行通信，其结构如图1 所示。

图1 配网自动化信息工程实验系统结构

配网自动化模拟主站在PC 机上采用C++Builder 软件仿真设计,充分利用其C++语法结构的特点与友好的图形界面，设计出了配网仿真线路与良好的人机交互界面，实现了遥测、遥信、遥控、对时、SOE 时间顺序记录等功能。配网终端FTU 装置是本次设计的重点，主要采用STM32F407 开发板设计，具有信息采集、继电保护、人机交互、命令执行等功能。

3 实验系统设计介绍

3.1 配网主站功能仿真

配网主站设计遵循“一体化”的设计原则，设计的配网SCADA 系统主要包括：人机交互模块、通信服务模块、数据处理模块、数据库管理模块，其系统模块如图2 所示。

图2 SCADA 系统的模块图

人机交互模块负责为操作员提供可视化的操作界面，主要包括：配网节点运行信息显示、104 报文内容显示、功能按钮实现。通信服务模块负责建立网络连接、提供外部数据源，主要包括：网络管理、接收与发送数据缓冲区创建。通信功能是通过SOCKET 控件实现的，配网自动化主站作为数据请求方，在TCP连接中为客户端，在C++Builder 中调用ClientSocket 控件即可实现。

数据处理模块负责管理数据，主要包括：信号判别、标度变换、命令生成等等，信号判别是对开关分合状态的判断，方法为：判断相应标志位，其中：“0”表示开关断开、“1”表示开关闭合；标度变换的内容是将接收到的电压电流值还原为工程一次值。

数据库管理模块主要负责数据库创建、数据存储、数据查询。数据库采用SQL Server 软件设计，C++Builder 软件通过ADO 相关控件对数据库进行访问与操作。

3.2 FTU 软硬件设计

FTU 的设计基于STM32F4 开发板，其硬件模块如图3 所示，开发板搭载了电源模块电路、JTAG 接口电路、复位电路、A/D 转换电路、通信接口电路、LCD 液晶显示电路，此外通过开发板外部的扩展IO 口设计了开关量输入/出电路。

图3 FTU 的硬件模块电路

FTU 的软件系统是基于UCOS-III 操作系统设计的，该操作系统的多任务管理有利于软件系统的模块化设计，故FTU 软件系统也按模块进行设计。其任务模块如图4 所示，包括人机交互模块、通信任务模块、遥控量输出、遥信量采集、遥测量采集、实时时钟区，其中人机交互模块由Emwin 图形显示与触摸屏任务两部分组成。

图4 FTU 软件系统任务模块

配网终端FTU 的主要任务是监测控制、通信等基本任务，故对系统任务进行划分时，首先要考虑在出现故障的情况下，系统能够运行基础的任务，并对出现的故障向主站实时反馈。根据对各个任务重要程度的判断，FTU 软件系统把任务划分为7 个优先级，内核任务占前五个优先级，故用户任务优先级从6开始设计，设计的任务优先级如表1 所示。

从表1 中可以看出，遥信量采集与遥控量采集任务优先级较高，故障出现时，FTU 根据采集到的故障数据判断故障跳开继电器。TCP 服务器任务优先级为8，在FTU 采集到的遥测量遥信量后，FTU 立即上传数据，若收到主站下发遥控命令，FTU 立即执行要命令。EMWINDEMO 任务与TOUCH 任务分别实现了图形显示与触摸的功能，任务优先级最低。

3.3 数据采集与开关控制电路

在STM32F407 开发板外专门设置了数据采集与开关控制电路，其中数据采集电路主要功能是采集电压、电流值，有通过交流采样采集电压电流值与变送器采集电压电流值两种方法，本次设计采用变送器采集电压电流值，采用由迅鹏公司生产的变送器，其中电流变送器型号为YPD-I-A1-P5-O1，电压变送器型号为YPD-U-A1-P5-O1，电压变送器与电流变送器工作电源都为220V 交流电。电流变送器的输入电流范围为：0-1A，输出电压范围：0-5V。电压变送器输入电流范围为：0-1A，输出电压范围：0-5V。输出的信号均为模拟信号，该信号输入STM32F407 的A/D 转换通道后变位数字信号。本次设计的继电器跳合闸模块采用SONGLE 公司生产的1 路带光耦隔离的继电器模块，芯片接线原理如图5 所示。该模块采用贴片式光耦隔离，驱动性能好，触发电流不大（5mA）。本次设计的小型交流电路系统正常运行状态下电流为90mA 左右，完全满足触发要求。触发方式有两种可供选择：高电平触发和低电平触发，另外，继电器模块的强大的容错设计可有效避免继电器误动作。

4 实验系统运行分析

模拟主站与FTU 以太网按IEC60870-5-104 规约通信，可以实现“三遥”功能、数据查询功能、SOE 事件顺序记录等SCADA系统的基本功能，设计的FTU 可以完成遥测量采集、遥信量采集、继电保护、人机交互、与主站进行通信，如图6 所示。本设计在FTU 与主站端均可显示104 规约报文。

图6 带人机交互的FTU 运行效果图

实验系统的特点是可以模拟正常的遥信遥测上传及报文内容，可以模拟故障情况下的规约报文等，对按104 规约的主站与FTU 信息通信的报文展示具有突出的优点。

5 结论

本次配网自动化信息工程实验系统的设计能展示主站与FTU 按104 规约通信的各种报文，是学员学习配网自动化信息通信内容和规约的优良平台。实验系统的提高之处在于可进一步开发配网自动化系统中的101 规约、DNP3.0 规约及IEC61850 规约应用培训内容。