一种改进的馈线终端设计

胡福年 孙守娟 林宗浩

（江苏师范大学电气工程及自动化学院，江苏 徐州 221116）

一种改进的馈线终端设计

胡福年 孙守娟 林宗浩

（江苏师范大学电气工程及自动化学院，江苏 徐州 221116）

结合现代配电网对馈线自动化的新要求，分析了以TMS320LF2407为主控芯片设计的馈线终端（FTU）的局限性，提出了改进的馈线终端设计方案。以TMS320F28335为核心处理器，提升了总体性能；新增GPRS无线网络通信功能，实现多种通信方式并存；采用改进的故障定位算法，实现故障快速定位；给出了故障录波的具体实现方式，为故障分析提供可靠依据。算例测试结果表明，当故障发生时，终端能准确地实现故障定位，便于快速完成供电恢复，满足现代配网自动化要求。

TMS320F28335 馈线终端（FTU） 馈线自动化 GPRS 故障定位

0 引言

随着智能电网研究的兴起和城乡电网结构的不断改进，对配电网自动化提出了更高的要求。具有选择性、能快速切除故障、具备故障自愈能力的馈线终端（feeder terminal unit，FTU）成为研究热点［1－4］。与32位浮点 DSP相比，采用16位定点芯片 TMS320-LF2407设计的FTU［5］处理速度慢，运算精度低，且通信方式单一，需自我建立通道，降低了系统的可靠性和稳定性。采 用 TMS320F2812 的 FTU［6－10］，相 比TMS320LF2407的设计，在实时性和可靠性方面有了进一步提高，但通信方式仍没有改进。而馈线自动化对通信要求越来越高，包括通信速度快、可靠性高、信元及交互精简［11］。基于GPRS无线网络通信的新型馈线自动化系统，可在FTU与监控子站间建立时效性强、可靠性高的通信通道，提高馈线系统的灵活性［12－14］。馈线故障定位算法的优劣也直接影响配电网故障的快速抢修和供电恢复［15－19］。

针对以上现状，本文提出一种基于 TMS320-F28335的改进FTU设计，满足现代配电网对馈线自动化终端的新要求。

1 FTU设计方案改进

本文选用 TMS320F28335作为 FTU的主控制器。相比2407、F2812等定点处理器，F28335增加了浮点运算内核，能够执行复杂的浮点运算，具有更高的运算速度；且片内存储资源丰富，外设集成度高，所需外接电路大大减少。因此，采用 TMS320-F28335，FTU的处理精度和速度得到大幅度提高，增强了系统可靠性。

TMS320F28335具有以下功能特点：①内置的12位16路A/D模块扩展了采集通道，转换时间缩短；②采用MAX3232改进型驱动芯片，实现了功耗更低的异步串口通信，便于完成现场调试功能；③采用SN65HVD232总线收发器，无需电平转换，可将多个FTU连接在一起，扩展了通信通道，实现了CAN通信；④利用RS-485串口连接GPRS无线网络通信，完成FTU与监控子站的双向通信，实现多种通信方式并存。

系统硬件总体框图如图1所示。

图1 FTU硬件总体框图Fig.1 Overall block diagram of FTU hardware

1.1 A/D采样

利用F28335中自带的A/D模块对电网模拟量进行采集。在25 MHz的A/D时钟频率下，转换时间为80 ns左右，采样频率最高可达12.5 MS/s。经过信号调理和适当的模拟数字滤波等改进措施，即能满足配电网自动化终端对测量精度的要求，且冗余的A/D通道能满足温度等模拟量采集。相比2407的10位8路模拟量采集，F28335内置的A/D模块可缩短转换时间，降低功耗和提高系统可靠性，达到实时采集电网电压、电流和频率等模拟量要求，实现遥测功能。

1.2 开关量输入输出

馈线自动化系统遥信输入、遥控输出电路主要是完成状态信号的输入输出，包括柱上开关的开合、远方/当地状况、通信是否正常、蓄电池投入状况、外部电源失电以及储能完成情况等。采用2407作为主控芯片的FTU，只完成了8路开关量输入输出信号，且需要CPLD芯片扩展，影响数据传输速率，导致可靠性降低。在改进的设计方案中，主控芯片F28335拥有大量的口线资源，经过光电隔离措施，不需要CPLD等硬件外扩控制口线，即可达到16路数字量输入和16路数字量输出，满足遥信和遥控需要。

1.3 异步串行通信电路设计

馈线自动化系统现场大都要求FTU必须具有RS-232或 RS-485串口资源，以实现现场调试功能。F28335带有3个SCI（UART）模块，具有双缓冲接收和发送功能，且波特率可编程为64 000种不同的通信速率，而2407只有1个异步串口，没有缓冲单元。因此，改进的设计方案更具优越性。

改进方案将其中一个串口设计为RS-232接口，采用MAX3232驱动芯片进行串口通信，串口通信电路如图2所示。MAX3232采用1μA关断模式，功耗更低，同时能确保120 kbit/s数据速率，并保持RS-232应有的输出电平。另一个串口设计为RS-485接口，用于连接GPRSModem，实现无线网络通信。

图2 异步串行通信电路Fig.2 Asynchronous serial communication circuit

1.4 CAN总线通信电路设计

FTU之间的通信采用CAN总线通信方式。即通过CAN总线将多个FTU连接起来，共享通道资源，扩充采样通道数量，提高了通信处理能力，减轻了监控子站的通信负担。CAN总线通信电路如图3所示。

图3 CAN总线通信电路Fig.3 CAN bus communication circuit

F28335自带增强型CAN（eCAN）控制器模块，不需要外加任何CAN控制器便可方便地实现对CAN总线的控制功能；且完全兼容CAN2.0B标准协议，具有32个可编程消息邮箱，波特率可达1 MHz，完全满足CAN总线协议的物理层和数据链路层的要求。

收发器采用TI公司的SN65HVD232总线收发器。与SN65HVD230相比，控制驱动输出时，信号质量有所改善；且其工作电压与F28335引脚电平相同，均为3.3 V，无须电平转换，减小了功耗，提高了通信的可靠性。

2 GPRS网络通信模块

改进的馈线终端（FTU）与监控子站之间采用GPRS无线网络通信。GPRS采用分组交换技术，分组交换接入时间小于1 s，能够提供快速及时的TCP/IP连接，数据传输稳定性高，并且实时在线。从经济性角度来说，GPRS可同时满足多个用户共享同一无线信道。这不仅提高了资源利用率，且用户只需按其实际的通信流量付费，经济实惠。

RS-485接口与GPRSModem连接。GPRSModem具备专用客户识别模块（subscriber identity module，SIM）卡，内嵌 TCP/IP协议，包含 IP模块和 GPRS模块。

GPRS工作流程如图4所示。

图4 GPRS工作流程图Fig.4 The working flowchart of GPRS

通信时，GPRSModem呼叫进入GPRS网络。FTU采集的数据经过网关GPRS支持节点（gateway GPRS support node，GGSN）后进入Internet，通过IP地址确认后到达认证服务器，最后到达监控子站，子站再对接收到的数据进行解包、CRC校验等处理。之后认证服务器创建PPP激活请求，并为FTU分配IP地址。

借助Internet标志有FTU地址的IP包，通过RS-485串口发送到FTU开关保护装置PARC单元中。至此即实现了数据的双向传输、处理和控制，完成GPRS无线网络通信功能。

的FTU故障监测终端为例进行算法分析。

图5 配电网络拓扑Fig.5 Topology of power distribution network

3 故障定位算法

3.1 算法原理

改进的故障定位算法以图论知识为基础。算法原理如下。

①首先根据配电网拓扑结构得到网络拓扑矩阵D；

②当故障发生时，FTU通过GPRS上传故障信息到监控子站，生成故障信息矩阵G；

③将网络描述矩阵和故障信息矩阵进行相加运算，得到故障判定矩阵P=D+G；

④最后根据故障定位判据得出故障发生区间。

3.2 算例分析

配电网络拓扑如图5所示。以图5所示的8节点

3.2.1 网络拓扑矩阵的生成

若配电网络拓扑中，节点i有子节点j且正方向由i节点流向节点j，则dij=1，其余情况下元素皆为0，末端节点全部置“0”。

由图5可得：d12=1，d15=1，d23=1，d24=1，d56=1，d58=1，d67=1，从而生成网络拓扑矩阵。该矩阵为8维方阵。

3.2.2 故障判定矩阵的生成

若第i个开关节点有故障，开关上的FTU流有超过整定值的故障电流且方向与规定的正方向一致时，将第i行第i列元素置“1”，即gii=1，否则置“0”。如图5中6、7节点间，8节点末梢均发生故障，则节点1、5、6、8检测到故障，即有：g11=1、g55=1、g66=1、g88=1，从而生成故障信息矩阵G。最后由D+G生成故障判定矩阵P。

3.2.3 故障区段判据

（1）节点末梢馈线段故障

若P中元素满足pii=1且对于所有的j（j≠i）都有pij=0，即i行其他元素为0，则故障区间为节点i末梢馈线段。由P矩阵得：p88=1，而第8行其他元素为0，由此判断出8节点末梢的馈线段发生故障。

（2）节点之间的馈线段故障

若P中元素满足pii=1且对所有pij=1的j（j≠i）都有pjj=0，则故障区间为节点i和j之间的馈线段。由P矩阵得：p66=1，p67=1，p77=1，由此判断出在节点6和7之间发生故障。

算例故障定位测试结果如表1所示。

表1 算例故障定位测试结果Tab.1 Exam p les of test results of the fault positioning

该算法简洁实用，判断直观，避免了以往矩阵算法使用的乘法和规格化处理，同时克服了遗传算法中不能实时在线的缺点。测试结果说明，改进的故障定位算法不仅能准确、快速地定位出故障发生区间，同时还能完成馈线末端的准确定位，从而实现故障后的快速抢修和供电恢复，提高了配电网的可靠性。对于多电源网络，需规定供电线路最短的电源作为供电电源，并规定该电源的功率流出方向为正方向，判定原理与本算例相同。

4 故障录波

FTU的故障录波功能用于记录和分析配电网受到大扰动后，相关参数的变化过程及继电保护和安全自动装置的动作行为。它为分析故障原因、研究反事故措施、及时处理事故、检验继电保护动作行为和自动装置运行情况，提供了可靠的依据。

故障录波要记录故障后5个周波和故障前4个周波。在电力系统动态录波装置的相关标准中，对模拟量的数据保存方式规定为分时段记录方式，如图6所示。

图6 故障录波时段Fig.6 Time of faultwave recording

A时段指系统大扰动开始前的状态数据，记录故障前0.04 s的波形；B时段指大扰动时初始的状态数据，记录故障后0.1 s的波形；C时段指系统大扰动后中期的状态数据，记录每一周期的工频有效值，记录时间3 s；D时段为系统动态过程数据，每0.1 s记录一个工频有效值，记录时间20 s；E时段大于10min，每1.0 s记录一次工频有效值。

为了能够及时有效地记录故障时的波形，在外扩的64 kB的RAM中开辟两块同样大小的录波存储单元Data_A、Data_B，一个循环记录当前的录波数据，另一个循环记录故障录波数据。每采样一次，就将采样的数据存入当前的录波存储单元中，一旦检测到有故障发生，立刻计数。当计满5个周波时，切换录波存储单元，即将当前的录波存储单元与故障录波单元互换，实现故障录波。

5 结束语

本文提出了基于F28335的改进型馈线终端，结合现代配电网对馈线自动化终端的要求，设计了FTU的总体框图及外围电路。改进的设计方案具有12位16路A/D采集，16路开关量输入输出功能；采用GPRS无线网络通信、CAN总线通信、异步串行通信3种通信方式并存，分别实现FTU与监控子站的通信、FTU之间的互通信以及现场调试功能，提高了FTU的通信效率。最后探讨了改进的故障定位算法和故障录波功能，并结合算例给出了具体分析。算例测试结果表明，该算法运算量小，判断直观，实用性强，能够实现故障准确定位，从而快速完成故障抢修和供电恢复。由此可见，基于F28335的FTU能很好地满足配电网自动化的新要求，符合新型FA系统的发展趋势。

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An Improved Design of Feeder Terminal Unit

In accordance with the new requirements ofmodern power distribution grid on feeder automation，the limitations of feeder terminal unit（FTU）with TMS320LF2407 as the main control chip are analyzed，and the improved design scheme of the FTU is proposed.With TMS320F28335 as the core processor，the overall performance is upgraded，and the function ofGPRSwireless network communication is added to realize the coexistence ofmultiple types of communication.The improved fault positioning algorithm is adopted to implement rapid fault positioning；the concrete implementingmode for fault recording is given to provide reliable basis of fault analysis.The test results of example show that precise fault positioning can be realized when faultoccurs，thismakes power supply to be recovered promptly，thus satisfies demands for automation ofmodern power grid.

TMS320F28335 Feeder terminal unit（FTU） Feeder automation GPRS Fault positioning

修改稿收到日期：2013－11－18。
第一作者胡福年（1967－），男，2007年毕业于南京理工大学控制科学与工程专业，获博士学位，教授；主要从事电力系统分析与控制、电力市场方面的教学和研究工作。

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