带液晶显示的FTU实验装置设计

吴 航，韩 俊，何 帅，王娅楠，程 亮

（南京工程学院电力工程学院，南京 211167）

1 引言

近些年随着我国配网自动化系统的建设，针对配网自动化系统的仿真培训及实验系统也得到了探索。如文献[1]介绍了一种配网自动化仿真系统，该系统有模拟柜（三部分构成：配网一次设备模拟部分，模拟控制器部分及负荷模拟部分）、控制中心（控制中心由计算机、通讯控制器及其它计算机辅助设备构成。软件由四部分构成：控制中心界面设计软件、系统运行情况演示软件、远程操作控制软件，线路仿真及计算软件）及显示部分构成。该仿真系统为配电网自动化系统搭建了一个应用研究平台，目前，该系统能实现配电网自动化系统多种方案的仿真。系统能演示配电网的正常运行方式和故障运行方式及故障隔离过程。

文献[2]介绍了一种采用分层式体系结构实现对实际城区10kV配电网自动化的计算机模拟。根据现实的配网系统，整个模拟系统分为配电网主站层、终端层和一次设备层 3个层次。通过通信系统将 3个图3 配电模拟培训系统配置层次统一起来，可以实现配电网自动化系统各种工况和故障的模拟实验，让学习者充分了解现代化的配网自动化系统，了解配电网运行规律和电网调度运行技术，充分掌握电力系统远动技术。

目前配网自动化系统的仿真培训系统有纯软件仿真和数字物理混合仿真系统两种，本文介绍一个配网自动化实验系统，也是兼具软件设计和硬件设计的结构。

2 配网自动化实验系统简介

本文设计的配网自动化试验系统以0.4kV电压等级模拟10kV配网，结构上分为主站层和终端层2层设计。其中主站层由PC机模拟，采用C++Builder开发，具备配网SCADA、智能告警、SOE数据库和报文查询等功能。终端层为FTU实验装置，终端通过以太网或CAN总线与模拟主站连接，采用当前配网中使用的104、101和DNP3.0等通信规约，将采集的遥测、遥信量上传，接受主站的遥控命令，操作继电器实现对负荷开关的控制，以及继电保护和故障监测等功能。

配网自动化试验系统结构如图1所示：

项目编号：TB201904016

作者简介： 吴 航，男，汉族，1994年生，江苏宿迁人，研究方向为智能电网信息工程。

韩 俊，男，汉族，1998年生，江苏南京人，研究方向为智能电网信息工程。

何 帅，男，汉族，1996年生，河南洛阳人，研究方向为智能电网信息工程。

王娅楠，女，汉族，1999年生，女，汉族，江苏泰州人，研究方向为智能电网信息工程。

程 亮，男，汉族，1998年生，安徽宣城人，研究方向为智能电网信息工程。

3 FTU硬件设计

本设计基于STM32F407开发平台，硬件上分为CPU板，信息采集板，LCD显示模块和电源模块，结构框图如图2所示。

图2 FTU硬件结构框图

3.1 CPU板

CPU板核心处理器采用M4架构的STM32F407ZGT6，该处理器主频高达168MHz，片上资源丰富，包含192kB片内SRAM和1MB的片上FLASH存储器，3个12位ADC控制器，即使不外扩交流采样AD，也可实现直流采样，同时具备RTC时钟、MAC控制器和多个GPIO接口，方便和节省了大量外部电路设计。为方便报文数据的存储和查询，外扩了16MB FLASH存储器和SD卡接口模块，可满足大量数据的存储需求。

3.2 数据采集板

对于遥信量，即开关状态的采集，通过接触器的辅助触点，经光耦隔离后可直接由GPIO端口接入CPU处理。模拟开关采用带辅助触点的接触器，相对于继电器而言，接触器开断电流能力更强，可达100A左右，不仅可以模拟遥控操作，切断负荷电流，对于模拟的故障电流也可以切断。

电压电流的模拟量采集，由于主CPU内部包括3个ADC控制器，可采用直流采样方式，即电压电流经互感器变换后接全波整流电路，再经滤波电路，滤去交流成分，接入CPU板的GPIO口，提供给处理器处理。此种方案优点省去了AD模块，但需要定制特定的电压、电流互感器。本设计采用交流采样方式，采用380/7.07V电压互感器和电压输出的电流互感器。当一次侧输入电压范围为0-380V时，二次输出电压为0-7.07V，当一次侧输入电流为0-100A时，二次侧输出电压为0-7.07V，经滤波后送入同步采样AD芯片，AD芯片与主CPU之间采用SPI总线通信，将转换得到的电压、电流数字量送CPU处理。这里采用的AD芯片为AD7606，可实现8路信号输入，实现对三相电压、电流以及零序量的采集。液晶显示采用7英寸LCD显示屏，带有电容触摸屏功能，经过调用STemWin图形库函，开发友好人机界面，可实现触摸操作，代替了传统的矩阵键盘，使得操作更直观便捷。

3.3 液晶显示模块

3.4 电源模块

电源模块采用AC转DC方式。220V交流输入转直流12V或24V输出供各模块使用。其中，CPU板采用直流12V电源供电，满足主芯片和LCD显示屏的功率需求；信息采集板采用直流24V供电，用以驱动接触器线包，实现分合操作，并通过分压形成一路5V输出供AD7606使用。

4 FTU软件设计

FTU软件设计采用嵌入式操作系统FreeRTOS，以抢占方式，实现多任务处理。实时操作系统是将并发的各任务按照其实时性，赋以不同的优先级，实时性要求高的任务则拥有高优先级，优先享有CPU使用权。处理高优先级任务时，低优先级任务被挂起，待高优先级任务处理完成，低优先级任务继续执行。相对于无操作系统的大循环方式，FreeRTOS的任务处理是并发的，根据其优先级，抢占、挂起任务，实时性更高[3]。

FTU各部分的硬件驱动采用调用库函数形式开发。ST官方提供了符合CMSIS规范的固件库，在使用时，只需将固件库中的“stm32f4xx_xxx.c/.h”文件和配置文件“stm32f4xx_conf.h”复制到工程下，并根据我们用到的功能，配置相应的“.c”文件即可。

FTU软件组成如图3所示。

图3 FTU软件结构框图

5 FTU功能特点

5.1 独有实验模式的“人机交互”功能

配网FTU多安装于户外馈线杆塔，不具备人机界面，直接用来搭建实验系统，不利于对配网信息流传输及通信规约的研究。本设计通过ST emWIN开发独有的人机界面，方便实验模式下的友好“人机交互”，主要功能包括馈线运行状态显示、保护参数整定、通信方式选择和通信报文查阅等。

配网运行的电压电流量和开关状态量可实时显示在液晶屏幕上，保护参数在身份认证后可手动修改，通信方式提供了多种选择，可实现以太网、CAN总线等通信方式。模拟了配网通信规约，例如IEC60870-5-101、104规约，DNP3.0规约以及IEC61850规约的IED建模部分等。FTU与主站的通信报文存储于本机存储模块，可通过报文查询功能，将报文逐条显示在报文查阅界面，直观的反映出配网的通信过程，便于FTU于主站信息流的研究。

5.2 与现场实际应用相同的FTU功能

本设计具备与现场FTU相同的遥测、遥信、遥控以及对时功能。FTU通过以太网等通信方式与主站连接后，可上传配网运行的电压、电流量和开关状态量，并接受模拟主站的遥控命令，进行相应的遥控返校及执行操作，控制接触器分合闸。另外，本机自带RTC时钟单元，可接收主站对时命令，并实现与主站的时钟同步。

6 结束语

本文介绍的配网自动化实验系统及带液晶显示的FTU装置设计，可以模拟配网自动化系统的部分功能及实际FTU的全部功能，FTU特有的液晶显示设计能把FTU与主站通信的信息流展示，对智能电网信息工程是一个很好的研究平台。