基于无线UART的FTU系统实现

程 立 李 政 黄 伟 朱中华 李少卿

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211100）

馈线自动化终端（FTU）安装于10kV配网架空线上，控制配电系统断路器、重合器、分段开关、负荷开关等一次设备。由于FTU安装于户外杆塔上，靠近一次设备，距离地面一般为6～8m，因此给运行人员进行设备调试、参数整定、程序更新等工作带来很大不便。以往的做法是用串口或者以太网进行调试，需要将调试线插到FTU装置上，这就需要运行维护人员爬至杆塔上打开FTU箱柜进行操作。不仅耗费体力，增加维护难度，而且带电操作设备，存在安全隐患[1]。无线UART做为一种短距离传输方式，具有成本低廉、连接方便、简单易用、传输速率快等特点，非常适合做为FTU的调试手段，很好的解决了FTU的设备调试、参数设定、程序更新等困难。

1 整体设计方案

本文方案采用EXAR公司的无线UART技术，该技术采用868MHz到900MHz公用信号频段进行数据传输，传输距离最远可以达到150m，最大传输速率可以达到230.4kbps。基于无线UART的数据传输系统由FTU、无线UART网络、手持终端模块、笔记本电脑组成，如图1所示。FTU发出无线网络信号，手持终端模块接收到无线信号后，通过USB接口传输给笔记本电脑，笔记本电脑通过终端软件完成调试工作[2]。

配电FTU采用VxWorks嵌入式操作系统，文件系统采用yaffs2[3]。在测控模块、保护模块和通信模块的基础上实现了无线UART数据调试功能，而且根据无线UART的技术特点设计了相应的通信模式，使得无线UART的调试简单方便，而且稳定可靠。

2 硬件设计

本文采用EXAR公司的XR18W 750和XR18W 753芯片来实现无线UART技术。XR18W 750是一种无线控制芯片，采用并口和串口与其他系统互连。以8051单片机作为内核，拥有4KB的RAM和3KB的ROM空间。串口的波特率可以从1200bps到921.6kbps不等。XR18W 750采用128比特的AES加密技术，可以方便的实现编码和解码。XR18W 753是一款低功耗、工作在868MHz到915MHz公用频段的射频发射芯片，最低可以接收-93dBm的信号强度。XR18W 750和XR18W 753广泛地应用于工业自动化、厂站自动化、商业系统等。

图1 无线UART系统图

FTU采用嵌入式的微处理器（Power PC）做为主CPU，集成了电源电路、复位电路、NOR FLASH电路、NAND FLASH电路、液晶接口电路、A/D采样电路、以太网接口电路、串口接口电路、can网接口电路、无线UART接口电路等[4]。FTU终端集成电路如图2所示。

图2 硬件设计电路

3 FTU系统软件设计

3.1 系统结构

软件的系统结构分为保护测控模块、实时库模块、历史库模块、组态配置模块、无线调试模块等，如图3所示。其中保护测控等对实时性有着极为严格要求的模块运行在中断中，而实时库、历史库、组态配置等组件运行在任务中。各个模块之间松散耦合，通过注册机制建立联系，同时各个模块之间通过消息或者管道进行数据交换。

1）保护测控模块

保护测控模块分为两部分：中断执行部分和任务执行部分。中断每0.833ms运行一次，测量采用24点采样、并进行开入和开出的计算。保护采用傅里叶算法，设置三段式保护和零序保护。任务执行部分进行PT断线、线路失压、过负荷、电池管理、遥测等计算。

图3 软件系统结构

2）实时数据库模块

实时数据库模块：该模块包括实时数据库、调度端数据引用表的创建，运行时提供快速入库、快速提取数据操作。实时数据库还提供了对SOE、遥信变位、步位置变化等异步事件的支持。

3）历史数据库模块

历史库订阅实时库的变位信息，操作记录。历史数据库采用多个任务来实现，支持同步和异步两种方式，两种方式下实现数据的存储、检索、删除等操作。

4）组态管理模块

组态管理模块：①生成和维护所连装置信息总表；②配置和维护一次间隔信息；③配置和维护板卡和规约信息；④配置和维护对时源；⑤生成和维护送往调度的转发信息表、并对规约需要的参数进行设置；⑥进行信息合成（遥测、遥信、步位置信息计算转换）；⑦程序文件、配置文件的上载和下载[5]。

5）对上规约模块

对上规约模块负责配电终端同远方主站进行数据通信，完成遥测、遥信、遥控等功能。常用的有IEC101[6]、IEC104[7]、CDT[8]等规约，采用的通道方式分别有光纤以太网、EPON网络[9]、GPRS/CDMA[10]等。

6）显示模块

负责与实时库通信，将实时数据显示在液晶屏，并且将用户操作（修改定值、遥控开关）传递给实时库，负责完成人机交互。同时查看历史信息，包括操作记录、历史事件等。

7）无线调试

负责与无线手持终端完成数据交互，实现FTU的无线调试功能，包括：①FTU内部信息的诊断和分析；②对主站规约报文的监视和分析；③人工置数功能；④组态和程序的上载和下载；⑤定值的查看和修改；⑥开关的远程控制；⑦远程复位功能。

3.2 无线调试模块设计

如图4所示，调试模块在实时库、历史库中完成注册任务。实时库和历史库发布订阅信息给调试模块，并且支持调试模块的控制和修改操作。对上规约库发送调试信息与报文监视信息给调试模块，调试模块根据手持终端的监视命令来选择是否存储和显示。无线UART驱动模块完成FTU自身信息的广播及与手持终端之间点对点的通信，并将实时库、历史库、对上规约库等信息传送给手持终端，接收手持终端下发的控制和修改命令并且转发给调试模块。

图4 无线调试模块图

4 无线调试功能模块实现

4.1 调试模块

调试模块在实时库中完成注册。实时库发布遥测、遥信、遥控、保护事件、定值等信息，同时调试模块获得实时库的相关操作权限。当实际系统触发一个变位事件（如开关变位、保护动作等），实时库会向调试模块发布这个事件。事件参考IEC103[11]规约中通用分类服务的格式，其中信息的关键字包括：装置地址、组号、条目号、时标、分合位置。

同样地，当调试模块需要查询实时库的遥测、遥信等实时信息时，调试模块通过调用相应接口可以获得四遥信息。当手持终端进行开关操作，定值修改时，调试模块根据注册内容获得相关权限，通过发送相应信息通知实时库完成开关操作和定值修改等任务。

相应地，调试模块也在历史库完成注册。历史库为调试模块提供相应的查询权限。历史库分为两大部分：历史事件库和操作记录库，前者完成开关变位、保护动作、装置告警等信息的存储，后者完成远方或就地进行的开关操作信息的存储。当调试模块发送相应的历史查询命令时，历史库会根据查询命令的关键字进行检索，关键字中会包括历史库类型、时间段、数据类型等信息。历史库检索到信息后，将得到结果通过消息或者管道发送给调试模块。

对上规约库为调试模块提供报文监视、规约信息打印、人工置数等接口服务，调试模块根据手持终端发送过来的命令，实现相应的功能。此外，调试模块用软开关控制报文监视、规约信息打印等相关功能的开启，防止大量未筛选的调试信息涌入调试模块。

由于无线UART不能提供可靠的数据传输服务，因此调试模块必须设计相应的协议来保证数据传输的可靠性。协议设计需要考虑链路的重发、测试及应用层的服务类型等。本文设计的协议采用平衡方式进行数据交互，任何一方都可以发起数据传输，另外一方接收到数据后都必须给予确认（采用短桢），否则数据超时发送（最多重发三遍）。

本协议设计如下：LPDU=LPCI+ASDU（或DSDU）+checkSum+endCode，其中LPCI为链路规约控制信息，LPDU为链路规约数据单元，ASDU为应用服务数据单元，DSDU为调试服务数据单元，checkSum为校验和，endCode为结束符。每包LPDU报文只包含一包ASDU报文（或者DSDU报文），报文的最大长度定为2048字节。LPCI分为短桢和长桢，短桢主要用于链路测试，数据确认等，没有ASDU(DSDU)等部分；长桢主要是命令桢和数据桢，包含完整的报文组织结构。短帧和长帧的数据结构如下：

短帧：

4.2 无线UART驱动模块

实时库和历史库为调试模块提供了相应的信息后，调试模块将相应的信息帧发送到无线UART的驱动模块。无线UART驱动模块最终完成数据的收发。

无线UART的XR18W 750芯片可以提供3种通信模式：广播、组播和点对点。广播模式对所有FTU终端和手持终端都可以侦听到，组播模式只有同组的FTU终端和手持终端才能侦听到，点对点模式只用于FTU终端和手持式终端两者之间传输信息之用。以上3种模式各有利弊，广播模式数据传输广，所有FTU和手持终端均可收到，但传输可靠性较低；组播类似于广播，但更受限于组内的信息共享；点对点传输可靠性高，但仅限于两点之间的数据传输。因此，任何一种通信模式都有缺陷，必须将几种通信模式结合起来共同考虑。本文设计了一种方法，采用广播模式和点对点模式相结合，很好地解决了这个问题。如图5所示，FTU装置启动之后，首先切换为广播模式，每隔10s广播自身信息，手持终端会进行侦听，将侦听到的FTU形成菜单列表。调试者选择相应的FTU菜单双击按钮，FTU会收到手持终端的呼叫报文。若没有收到，FTU继续进行广播。若FTU收到手持终端呼叫报文后，迅速切换为点对点模式，此时手持终端也切换为点对点模式，两者之间开始传送数据。若FTU在30s之内未收到手持终端数据或者手持终端主动断掉与FTU之间联系，则FTU切换为广播模式，重新广播自身信息。

5 手持式终端实现

手持终端采用类似于FTU无线传输的硬件设计方法，也采用EXAR公司的XR18W 750和XR18W 753芯片相结合的方式，同时采用了USB芯片接口，将手持终端封装在类似于U盘的小盒子[12]。与笔记本接口方式采用USB，USB一方面为手持式终端提供电源，另一方面为手持式终端提供通信接口。在笔记本电脑上，采用WINXP操作系统将USB映射为串口，利用VC6.0和MFC类库进行编程，采用动态库方式，将主机界面模块、数据库模块和通信库模块分别加载，实现了通信报文察看、字符串命令、人工置数、文件的上下载等功能。

图5 无线UART驱动流程图

6 测试

基于无线UART的FTU系统在研制过程中做了各种测试对其性能进行验证。与通过有线RS232的调试方式进行了比较，效果差异不是很大。笔者选择了变位遥信、变化遥测、遥控、文件上下载等项目进行测试，其中硬件平台：CPU为PowerPC，主频400M；内存64M；Flash为128M，操作系统为VxWorks，波特率为19200bps。试验数据摘录见表1所示。

表1 试验结果摘录

由此可以看出，在数据的传输响应时间方面，无线UART并不比RS232逊色多少，尤其在变位遥信、变化遥测等方面。虽然在文件传输方面，无线UART稍微较慢，但相对于FTU爬杆操作的难度来说，这点时间差异也是维护人员可以接受的。

7 现场运行

本文设计的基于无线UART的FTU系统成功应用在青海、山东、浙江等地。典型的如青海某地区，该地区海拔高度平均3000m，包括三个县和一个自治州。该地区全部采用FTU，大部分安装在农村、草原及山坡上，不仅安装困难，而且维护需要爬杆，现场调试比较困难。采用无线UART调试手段后，维护人员只需要在杆塔下就可以完成FTU参数整定、定值核对、主站通信报文监视等任务，极大地减轻了运行维护人员的工作量。

8 结论

本文提出了基于无线UART的FTU系统设计思路，并且成功实现在FTU及手持式终端的研发上。该FTU硬件设计可靠稳定、配置灵活，软件设计功能丰富、可扩展性强，FTU整体运行稳定。手持式终端小巧方便、易于使用，维护方便安全。调试软件人机界面良好，可操作性强，易于用户使用。基于无线UART的FTU系统设计，已经成功在青海、山东、浙江等地使用，为用户的调试提供了极大方便，减少了工作量，提高工作效率。

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