配网自动化信息工程研究

1概述

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（FeederTerminalUnit）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。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。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SQLServer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。3.2FTU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。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。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。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。

参考文献

[1]盛成玉，孙振权．智能配电网技术方案的应用设计[J]．物联网技术，2012(10)：84-87．

[2]董旭柱，黄邵远．智能配电网自愈控制技术[J]．电力系统自动化，2012，36(18)：17-21．

作者:王娅楠 单位:南京工程学院电力工程学院