FTU的整体设计与开发

1 F30 主要用途及适用范围iES-F30 馈线监控系统，是根据配电网自动化的最新发展需求，汲取计算机技术、数字信号处理技术、电网故障检测技术研究的新成果研制的新型馈线远方终端设备。它的设计、制造和检验全面采用国际 IEC 标准和国家有关标准，适用于 10KV 馈线的监测和控制。其主要功能包括：信息采集和处理、接受并执行遥控命令、时间纪录及上报、电源失压保护、通信、自诊断自恢复、当地调试、故障识别、隔离和恢复非故障段供电等。结合一次开关，并与配电小区主站（或配电主站）组网配合，可以完成 10KV 馈线的故障诊断、故障区段隔离、网络重构和非故障区段的正常供电。2 F30 组成iES-F30 馈线监控系统采用综合单元通过 CANBUS 网络互连的分层、分布式网络结构，包括馈线终端单元、多功能电源模块、当地操作模块、通信管理模块、PC 机维护软件等。为使 FTU 馈线监控系统适用于柱上、环网柜、开闭所等不同环境，我们设计了 4 种FTU 馈线终端单元即 F301、 F302、F303 和 F304，他们是组成馈线监控系统的核心装置，各单元的硬件配置和监控对象有一定的差别，软件功能基本一致，以适用于不同要求的应用场所。各单元的硬件配置见下表：单 元 类 别功 能 指 标F301 F302 F303 F304电流个数 5A/（ 故障50A）9 12 6 3电压个数 120VAC 6 3 3 6直流输入 30VDC 4 4 2 2遥信输入 24VDC 20+4 20+4 12+4 12+4遥控输出 5A24VDC/10A240VAC4 分 4 合 4 分 4 合 2 分 2 合 2 分 2 合基本通讯通道 2-232/2-422/1-232+1-4222-232/2-422/1-232+1-4222-232/2-422/1-232+1-4222-232/2-422/1-232+1-422扩展通讯通道 4-232/2-422/2-232+1-4224-232/2-422/2-232+1-4224-232/2-422/2-232+1-4224-232/2-422/2-232+1-422通讯规约 DNP3、101 DNP3、 101 DNP3、 101 DNP3、 101推荐应用场合 环网柜 环网柜 柱上开关 柱上开关注：开闭所组屏型可用单元组合完成根据配电系统馈线自动化终端的应用环境及监控对象的差别，为方便用户选配，我们针对不同应用场所推出了以下三种馈线监控系统： iES-F30A 开闭所馈线监控系统 iES-F30B 环网柜馈线监控系统 iES-F30C 柱上终端馈线监控系统各系统的组成如下表所示：馈线监控系统 组成单元 适用场合 备注iES-F30A F301、 F302、F303 、F304 中的一个或几个。开闭所 根据开闭所规模确定单元数量iES-F30B 主要是 F301 或 F302。 环网柜 一般情况此两个单元足够，在监控路数多的情况下可再加上F303 或 F304iES-F30C 主要是 F303 或 F304 柱上开关如用户要求与推荐系统有一定差别，可使用馈线终端单元灵活组态，构成新的馈线监控系统，以满足实际要求。3 系统设计3.1 需求分析分析目前 FTU 的应用场合，主要有开闭所、环网柜、柱上馈线，其中柱上情况一般采集进线侧和出线侧的电压和电流，控制一路负荷开关的通断，采集开关的位置信号和气体压力，及储能闭锁信号等，其特点是工作在户外，风吹日晒，环境恶劣，且断电时要能够对开关进行分合操作。环网柜一般位于城市馈线环网处，特点是多个开关位于一个环网柜内。开闭所或开关站的特点是多个出线交流量需要采集，多个开关需要控制。3.2 实现方案鉴 于 配 网 监 控 终 端 设 备 的 多 样 性 ， 根 据 配 电 网 自 动 系 统 远 方 终 端 DL/T 721-2000 对 三 种 电 网 自 动 化 系 统 远 方 终 端 设 备 的 要 求 ， 考 虑 到 生 产 、 施 工 、 维 护 的 易 操 作性 、 系 统 组 态 的 灵 活 性 ， iES-F30 馈 线 监 控 系 统 的 体 系 结 构 采 用 综 合 单 元 通 过 控 制 局 域网 互 联 的 分 布 式 系 统 结 构 。 将 馈 线 开 关 监 控 终 端 、 环 网 开 关 监 控 终 端 、 开 闭 所 监 控 终 端的 基 本 功 能 加 以 抽 象 ， 设 计 能 满 足 其 基 本 功 能 的 综 合 单 元 。 包 括 具 有 测 控 和 线 路 故 障 监测 功 能 的 子 单 元 和 具 有 网 络 管 理 功 能 、 通 讯 管 理 功 能 、 测 控 和 线 路 故 障 监 测 功 能 的 主 单元 。一 个 FTU 系 统 由 控 制 局 域 网 互 联 的 1-8 个 综 合 单 元 、 电 源 系 统 、 维 护 软 件 、 当 地 操作 、 接 线 端 子 和 机 柜 等 组 成 。 进 而 组 成 ：1 一 个 主 单 元 的 方 式 ， 监 控 （ 1-15 个 交 流 量 ） 。2 一 个 主 单 元 通 过 网 络 连 接 1-7 个 子 单 元 的 方 式 （ 监 控 1-120 个 交 流 量 ） 。3 小 区 主 站 通 过 网 络 连 接 （ 1-8） 单 元 的 方 式 。馈 线 开 关 监 控 终 端 和 环 网 开 关 监 控 终 端 通 过 方 式 1、 2 实 现 ； 开 闭 所 监 控 终 端 通 过方 式 2、 3 实 现 。4 单元硬件设计4.1 概述综 合 单 元 由 核 心 处 理 板 和 接 线 板 组 成 。 核 心 处 理 板 采 用 HOST+DSP 的 双 CPU 结 构 。HOST 采 用 XA S3 CPU， 以 CMX-RTOS 做 软 件 平 台 ， 完 成 系 统 管 理 、 遥 信 、 遥 脉 及 遥 控 功能 、 通 讯 及 转 发 功 能 。 DSP 采 用 ADSP2185， 完 成 实 时 性 要 求 较 高 的 交 流 采 集 与 故 障 信 号（ 相 间 短 路 、 单 相 接 地 ） 捕 捉 。 接 线 板 主 要 包 括 输 入 电 路 、 二 次 电 源 、 出 口 电 路 等 。 根 据 不 同 的 监 控 对 象 ， 综 合 单元 可 配 置 不 同 的 接 线 板 以 满 足 线 路 不 同 的 需 求 。另 外 ， 考 虑 到 现 场 的 复 杂 性 ， 每 个 综 合 单 元 设 置 了 一 组 扩 展 总 线 ， 便 于 根 据 用 户 的特 殊 需 求 进 行 系 统 扩 充 。原 理 框 图 见 下 图 ：其 中 左 边 虚 线 框 内 为 接 线 板 ， 右 边 虚 线 框 内 为 核 心 处 理 板 。4.2 核心处理板4.2.1 CPUCPU 采 用 PHILIPS 公 司 的 16 位 51XA 系 列 中 的 XA-S3， 主 要 完 成 硬 件 初 始 化 ， DSP的 软 件 下 载 及 所 有 的 并 发 通 信 和 数 字 I/O 口 处 理 。 PHILIPS XA-S3 微 处 理 器 是 51XA 系列 的 高 集 成 度 嵌 入 式 系 统 成 员 。 利 用 此 技 术 ， F30X 馈 线 终 端 单 元 配 置 了 一 个 实 时 多 任务 操 作 系 统 CMX-RTOS 和 一 个 经 现 场 应 用 考 验 的 ， 稳 定 的 软 件 应 用 库 。 本 系 统 中 XA-S3工 作 频 率 为 29.4912MHz， 拥 有 16 位 外 部 数 据 总 线 和 16M 字 节 寻 址 空 间 。 其 组 成 部 分 包括 ： 两 个 串 行 通 信 口 、 5 通 道 16 位 PCA、 1K 片 内 RAM、 8 通 道 8 位 高 速 AD、 中 断 控 制器 、 3 个 标 准 定 时 /计 数 器 。4.2.2 DSPDSP 采 用 AD 公 司 高 集 成 度 的 16 位 定 点 单 片 数 字 信 号 处 理 器 ADSP-2185， 29.4912MHz 主 振 频 率 ， 33MIPS； 片 内 80KB 存 储 器 ， 可 配 置 成 48K 的 程 序 区 和32K 数 据 区 ； 内 置 一 个 DMA 接 口 和 两 个 双 缓 冲 串 行 接 口 ， DMA 接 口 用 于 和 主 CPU 之 间 的数 据 传 输 ， 串 行 口 用 于 从 串 行 A/D 转 换 器 读 取 采 样 数 据 。 FPGA 中 的 少 量 逻 辑 电 路 和 一对 八 进 制 锁 存 器 完 成 它 的 外 部 接 口 。 DSP 的 运 行 程 序 代 码 储 存 于 主 电 路 的 闪 烁 存 储 器 ，在 系 统 上 电 初 始 化 时 ， 由 主 CPU 通 过 DSP 的 DMA 口 载 入 。DSP 通 过 切 换 多 路 选 择 开 关 来 使 某 一 输 入 信 号 进 入 A/D 转 换 器 ， 获 得 的 采 样 数 据 作为 原 始 数 据 进 行 电 量 计 算 和 故 障 判 断 ； 电 量 计 算 包 括 电 压 、 电 流 的 有 效 值 ， 零 序 电 压 、零 序 电 流 ， 有 功 功 率 、 无 功 功 率 、 视 在 功 率 ， 功 率 因 数 、 相 角 、 电 流 方 向 等 ； 故 障 判 断主 要 进 行 相 间 短 路 、 中 性 点 故 障 和 小 电 流 接 地 故 障 判 断 。 示 意 图 如 下 所 示 ：4.2.3 存储器存储器由 512K 字节的静态读写存储器（ SRAM）和 512K 字节电可擦除的闪烁存储器（FLASH）组成。 SRAM 是主 CPU 的工作内存，闪烁存储器是掉电可保持的存储器，保存主 CPU 运行程序、DSP 运行程序及各类参数。使用中，可根据需要使用维护机下载各类程序到 FLASH 中。4.2.4 FPGA单元使用了一片大规模现场可编程逻辑阵列 FPGA，来完成各种复杂的逻辑运算，由于其利用软件编程实现各种分离逻辑器件的功能，不仅缩小了系统体积节省空间，同时还使得系统运行更加可靠和稳定。FPGA 完成的功能主要有主 CPU 和 DSP 之间的接口控制、模拟输入量的多路选择和开关定时转换等。4.2.5 串口单元可提供 6 个通信口：两个串行口集成于控制板上的 XA-S3 芯片内，另外四个由扩展板上的 ST16C654 提供。串口扩充板上采用了可编程的通讯接口芯片，接口电平转换通过软件编程即可实现，简化了外围设计，提高了性价比。4.2.6 CANBUSCANBUS 的实现由 PHILIPS 公司的 SJA1000 来完成，SJA1000 是适用于汽车和一般工业环境控制器局域网（CAN ）的独立控制器，具有完成 CAN 通信协议所要求的全部特性，经过简单总线连接的 SJA1000 可完成 CAN 总线的物理层和数据链路层的所有功能。4.3 接线板4.3.1 遥信、遥脉输入数字输入电路最多可以监视 24 路干接点输入的状态量，所有输入均经过光电隔离转换成逻辑信号，FPGA 的逻辑电路自动检测输入接点状态的变化，并向主 CPU 申请中断，由主 CPU 读出 FPGA 逻辑电路锁存的变位信息，以进一步处理防跳、报警和通信。4.3.2 交直流输入单元最多可外接 15 个交流模拟量和 4 个直流模拟量的输入，交流模拟量中 PT、CT 随意分组，所有的交流模拟输入量都经变压器隔离，直流模拟输入量使用光 MOS 开关经过飞电容实现隔离（原理如下图所示） ，然后滤波，再经过多路转换器选择输入 16 位高速A/D 转换器转换为数字量，以串行数据流的形式送入 DSP 进行处理。4.3.3 遥控输出单元最大设计为 8 个常开继电器接点输出，接点额定值为10A24Vdc、10A220Vdc，通过当地/ 远方接线端子（ L/R）选择接通或断开内部+5V继电器供电电源，以便在检修调试时闭锁继电器接点输出回路或进行手动操作。CPU 通过读取返校寄存器，检查校对继电器输出控制过程中硬件控制电路及继电器状态是否正确。4.3.4 电源为有效保证馈线终端单元电源部分可靠工作，采用了二级电源设计。第一级在单元外为 AC/DC，为单元提供所需的直流 24V 电源；第二级为 DC/DC 在单元内，提供单元上的器件所需的工作电压。单元的主供电源是浮地的直流电源。除了浪涌抑制电路以外，所有电路都与大地隔离，所有电源输出都与原边输入隔离，总功耗小于 10W。板上 DC/DC 转换器产生以下电压输出：+5Vdc，为内部逻辑电路供电+15Vdc 和-15Vdc ，为内部模拟电路供电隔 离 的 +5Vdc， 为 通 讯 提 供 隔 离 电 源4.4 关键技术4.4.1 顺序采样交流测量技术单 元 采 用 了 独 具 特 色 的 顺 序 交 流 采 样 测 量 技 术 ， 即 利 用 一 个 采 样 保 持 电 路和 ADC 模 数 转 换 器 对 所 有 输 入 的 交 流 信 号 进 行 逐 一 采 样 ， 通 过 数 字 信 号 处 理 的 方法 对 采 样 数 据 进 行 补 偿 ， 从 而 解 决 同 一 回 路 中 相 关 电 压 电 流 值 同 步 问 题 。 这 样 大 大简 化 了 交 流 采 样 的 输 入 电 路 ， 使 硬 件 功 能 软 件 化 。 不 仅 降 低 了 成 本 ， 保 证 了 测 量 的准 确 度 和 长 期 稳 定 性 ， 还 实 现 了 过 去 很 难 实 现 的 交 流 输 入 量 任 意 配 置 组 成 回 路 的 问题 。4.4.2 EMC 抗干扰技术单 元 通 过 应 用 飞 电 容 直 流 隔 离 测 量 技 术 、 采 用 二 次 电 源 、 滤 波 及 输 入 输 出 回 路的 屏 蔽 与 隔 离 的 办 法 ， 阻 塞 串 、 共 模 干 扰 的 耦 合 通 道 ； 采 用 优 化 设 计 的 四 层 印 制 板 ，提 高 了 敏 感 回 路 的 抗 干 扰 能 力 ； 各 个 模 板 的 输 入 回 路 均 设 计 了 防 过 压 、 防 过 流 装 置 ；控 制 输 出 采 用 多 层 防 护 、 校 验 和 时 效 检 查 等 措 施 ， 网 络 接 口 设 计 了 隔 离 保 护 和 故 障自 动 切 除 装 置 ； 通 讯 口 设 计 了 限 流 、 隔 离 设 备 ； 整 机 合 理 设 计 接 地 泄 放 回 路 。 上 述完 善 的 防 护 体 系 彻 底 解 决 了 单 元 的 电 气 独 立 性 设 计 问 题 。 实 现 了 系 统 中 的 每 一 个 单元 与 其 输 入 输 出 通 道 、 系 统 网 络 、 电 源 系 统 等 的 完 全 电 气 隔 离 。 使 系 统 的 抗 静 电 、辐 射 电 磁 场 、 高 频 、 快 速 瞬 变 脉 冲 串 、 浪 涌 能 力 均 达 到 电 磁 兼 容 性 4 级 （ 严酷 级 ） 标 准 。5 单元软件设计5.1 软件平台iES-F30 馈 线 监 控 系 统 采 用 了 CMX 嵌 入 式 操 作 系 统 。 实 时 多 任 务 操 作 系 统（ RTOS） 的 应 用 是 嵌 入 式 软 件 系 统 发 展 的 必 然 趋 势 ， iES-F30 馈 线 监 控 系 统 采 用 的 实 时多 任 务 内 核 为 微 控 制 器 软 件 系 统 引 入 了 任 务 管 理 、 时 间 管 理 、 信 息 管 理 。 实 时 多 任 务 内核 既 是 整 个 软 件 体 系 的 管 理 系 统 ， 同 时 又 为 上 层 应 用 程 序 提 供 服 务 ； 实 时 多 任 务 内 核 作为 软 件 体 系 的 平 台 ， 改 变 了 传 统 单 片 机 编 程 的 思 路 ， 能 够 保 证 各 种 任 务 的 并 行 实 时 处 理和 动 态 切 换 ， 提 高 了 CPU 的 利 用 效 率 和 任 务 的 实 时 性 。 程 序 的 编 写 也 由 于 实 时 多 任 务 的应 用 可 以 更 好 的 实 现 模 块 化 程 序 结 构 ， 减 小 了 任 务 模 块 间 的 耦 合 ， 提 高 了 内 聚 性 ， 可 以提 高 程 序 运 行 的 稳 定 性 和 可 靠 性 。抢 占 式 实 时 多 任 务 内 核 ， 充 分 利 用 了 PHILPS 公 司 功 能 强 大 的 P51XA 微 控 制 器 提 供的 多 任 务 支 持 特 性 ， P51XA 微 控 制 器 提 供 两 种 工 作 模 式 ： 系 统 模 式 和 用 户 模 式 ， 两 种 模式 下 使 用 不 同 的 堆 栈 指 针 ， 可 以 大 大 减 少 RAM 堆 栈 空 间 的 占 用 。 同 时 由 于 用 户 方 式 下程 序 代 码 使 用 用 户 堆 栈 ， 不 同 于 系 统 堆 栈 ， 以 及 各 个 任 务 采 用 相 互 独 立 的 堆 栈 系 统 ， 从而 防 止 了 单 个 任 务 空 间 中 数 据 的 偶 然 破 坏 造 成 的 系 统 崩 溃 ， 大 大 提 高 了 装 置 软 件 体 系 的稳 定 性 和 可 靠 性 。由 于 采 用 主 流 的 RTOS， 使 系 统 软 件 接 口 规 范 ， 结 构 清 晰 ， 性 能 可 靠 ， 升 级 方 便 ，第 三 方 支 持 软 件 丰 富 。5.2 模型实现对 应 于 系 统 设 计 的 实 现 方 案 ， 单 元 提 供 两 种 连 接 实 现 方 式 ：5.2.1 单一单元模式单 个 FTU 单 元 通 过 串 口 直 接 与 主 站 通 讯 ， 它 本 身 具 有 遥 测 、 遥 信 、 遥 脉 、 遥 控 功 能以 及 故 障 判 别 功 能 ， 通 过 维 护 口 可 下 载 FTU 的 应 用 程 序 ， 并 可 配 置 FTU 单 元 所 需 的 参数 ， 可 以 查 看 实 时 数 据 ， 进 行 遥 控 、 校 时 、 电 度 初 始 值 设 置 等 命 令 操 作 。 如 下 图 所 示 ：5.2.2 多单元模式多 个 FTU（ 最 多 8 个 ） 通 过 CAN 网 络 连 接 在 一 起 ， 其 中 一 个 可 设 置 为 主 节 点 ， 其 它单 元 可 设 置 为 从 接 点 。 主 接 点 通 过 串 口 直 接 与 主 站 通 讯 ， 从 节 点 的 信 息 通 过 CAN 网 络传 到 主 节 点 ， 并 通 过 主 接 点 转 发 传 送 到 配 网 主 站 。 通 过 主 节 点 的 维 护 口 可 下 载 主 节 点 的FTU 的 应 用 程 序 ， 并 可 配 置 主 节 点 和 从 节 点 的 参 数 ， 查 看 主 节 点 和 各 从 节 点 的 实 时 数 据 ，对 所 有 节 点 进 行 遥 控 、 校 时 、 电 度 初 始 值 设 置 等 命 令 操 作 。 如 下 图 所 示 ：(DSPFTUCANUART1UART2 6 单元软件设计6.1 软件平台iES-F30 馈 线 监 控 系 统 采 用 了 CMX 嵌 入 式 操 作 系 统 。 实 时 多 任 务 操 作 系 统（ RTOS） 的 应 用 是 嵌 入 式 软 件 系 统 发 展 的 必 然 趋 势 ， iES-F30 馈 线 监 控 系 统 采 用 的 实 时多 任 务 内 核 为 微 控 制 器 软 件 系 统 引 入 了 任 务 管 理 、 时 间 管 理 、 信 息 管 理 。 实 时 多 任 务 内核 既 是 整 个 软 件 体 系 的 管 理 系 统 ， 同 时 又 为 上 层 应 用 程 序 提 供 服 务 ； 实 时 多 任 务 内 核 作为 软 件 体 系 的 平 台 ， 改 变 了 传 统 单 片 机 编 程 的 思 路 ， 能 够 保 证 各 种 任 务 的 并 行 实 时 处 理和 动 态 切 换 ， 提 高 了 CPU 的 利 用 效 率 和 任 务 的 实 时 性 。 程 序 的 编 写 也 由 于 实 时 多 任 务 的应 用 可 以 更 好 的 实 现 模 块 化 程 序 结 构 ， 减 小 了 任 务 模 块 间 的 耦 合 ， 提 高 了 内 聚 性 ， 可 以提 高 程 序 运 行 的 稳 定 性 和 可 靠 性 。抢 占 式 实 时 多 任 务 内 核 ， 充 分 利 用 了 PHILPS 公 司 功 能 强 大 的 P51XA 微 控 制 器 提 供的 多 任 务 支 持 特 性 ， P51XA 微 控 制 器 提 供 两 种 工 作 模 式 ： 系 统 模 式 和 用 户 模 式 ， 两 种 模式 下 使 用 不 同 的 堆 栈 指 针 ， 可 以 大 大 减 少 RAM 堆 栈 空 间 的 占 用 。 同 时 由 于 用 户 方 式 下程 序 代 码 使 用 用 户 堆 栈 ， 不 同 于 系 统 堆 栈 ， 以 及 各 个 任 务 采 用 相 互 独 立 的 堆 栈 系 统 ， 从而 防 止 了 单 个 任 务 空 间 中 数 据 的 偶 然 破 坏 造 成 的 系 统 崩 溃 ， 大 大 提 高 了 装 置 软 件 体 系 的稳 定 性 和 可 靠 性 。由 于 采 用 主 流 的 RTOS， 使 系 统 软 件 接 口 规 范 ， 结 构 清