基于ARM9处理器的新型馈线自动化终端设计与实现

基于ARM9处理器的新型馈线自动化终端设计与实现

王晓鑫

广州市希荣机械设备有限公司510000

摘要：现阶段，为了将馈线自动化水平进行有效提升，我们设计了一种新型馈线自动化终端，它以ARM9处理器为基础且实现了诸多功能，包括遥控、遥调、遥信以及遥测等等。测试结果显示该装置与现代配网自动化需求相符，且具备可靠且稳定的无线通信、较高的精度以及较快的数据采集等优点。

关键词：自动化；ARM9；设计与实现；馈线终端

配电网自动化因持续改进的城乡结构以及逐渐兴起的智能电网而对其提出更高的需求。目前研究的热点集中在馈线终端的故障自愈能力、对故障点能快速的切除以及其选择性上。馈线终端的核心控制器件经常选用ARM微处理器，是因为它拥有较小的体积、较低的成本以及功耗、较高的性能、较快的运算速度以及较强的处理能力等诸多优势。而新一代信息技术的关键部分是互联网技术，它可实现无线通信馈线的终端数据且其应用前景也相当广泛。新型能源太阳能的使用在未来必将是一个趋势，它拥有较低的成本、可再生且无污染等优势。

1FTU整体设计方案

远程实时控制、协调以及监视配电线电路上设备的集成系统便是馈线自动化系统。它由监控中心、监测子站以及馈线终端(FTU)三部分构成。其具体的结构如下图1。

馈线终端(FTU)在检测线路上主要用来对配电线路上的电量信息进行采集，控制并监测柱子上的开关，并利用射频网络来汇聚柱上开关以及配电线路上的信息然后传输到监测子站，而数据在监测子站中得到转发，而要想实现数据的远程传输必须在路由器的DTU功能的作用下才可实现。

FTU终端采集的信息数据包可实时传输到配电主站中，在其中还可实现数据包的故障判定、检验、动态显示数据、解包以及存储等功能。

2设计馈线终端结构

对上位机所发送的控制命令进行处理与接收、对柱上开关的状态进行控制与监测、对配电线路的电量信息进行采集以及实现实时信息在射频网络的作用下送到监测子站等是馈线终端FTU的关键任务。而要想实现以上要求，该终端需要具备无线通信功能、状态监控以及控制柱上开关的功能、监测与采集实时电量信息的功能、存储与处理数据的功能等几种不同的功能。通过分析以上功能并与该装置本身的可扩展性以及可靠性需求相互结合下，采用可组态的模块化设计来设计其硬件系统，其中硬件结构包括电源模块、开关量输出以及输入模块、CPU控制模块、无线通信模块、电量采集模块以及数据存储模块等6部分。

2.1开关状态以及实时电量采集模块

炬力公司的三相电能专用计量芯片ATT7022B用在电量采集模块中，它集成了众多电路，包括功率因数、能量、参考电压电路、频率测量的数字信号、有效值以及所有功率等等，不仅能对各相的频率、功率因数、电流与电压有效值以及相角等参数进行测量，而且还可对各相的视在功率、无功以及有功功率进行测量。ATTT022B将一个SPI接口提供出来，将校表以及计量参数传递给CPU控制模块，通过SPI接口可将众多计量参数读出来。

使用ATT7022B来实现FTU电量采集，而所有的FTU电量采集、人机接口以及通信接口等外围工作由ARM芯片来承担，这样不仅可有效缩短傅立叶变换以及数字滤波的计算时间，而且还可简单化软件设计。此外，$3C2440A可将Linux操作系统进行嵌入，可实时转化运行I／O控制功能、人机接口功能以及所有通信功能等。而状态切换以及任务管理等由Linux负责，不仅可以实现对ARM采集的各种信息进行有效的管理，还可将软件系统的实时性进行有效提升。

在并行接口以及光电隔离电路的作用下，将所有柱上开关量状态信号送到CPU模块中也就是柱上开关状态信号采集模块功能。而控制信号输出模块与柱上开关状态信号采集模块均拥有各自独立的回路，它们在设计时都是单独设计的。为了确保柱上开关状态信息的可靠与准确而将光电隔离元件加在电路上，并将一定的隔离措施采用其中来避免干扰信号进入监测终端。

2.2双电源可切换电源模块

其中双电源供电方式采用在FTU中，系统故障时，它会自动转到备用电源模式；而在系统正常运转下，其交流220伏的电源是通过PT来获取的，然后它再将5伏以及24伏的电源提供给系统。

太阳能充电的锂电池用在FTU终端的备用电源上，其柱上开关24伏的直流工作电源的获取是通过串联两个12伏的电池来实现的，FTU终端将会在电力系统出现故障时为其供电，还能确保最少3次的分合闸操作柱上开关，进一步保障电力系统的可靠与稳定性。直流5伏的电压是馈线终端的供电电压，在WDl5—24S05C1以及WDl5—24D05CI的交直流模块的转变下直流24伏变为±5伏来为众多模块进行供电。

2.3辅助硬件的构成部分

状态信号的输出与输入主要通过馈线自动化系统的遥控输出与遥信输入电路来实现，其中包括完成的储能情况、投入蓄电池的状况、当地或是远方的状况、开合柱上的开关以及通信的正常状况等。足量的接口资源存在于主控芯片$3C2440上，在光电隔离措施下，它可对遥控与摇信的需求进行满足并实现16路数字量的输出与输入。而配电线路在出现故障时，其柱上开关的开合状态、电压以及电流等信息会记录在存储部分。

3设计馈线监测终端软件

在对下位机程序进行编写时结合了硬件电路并依据FTU需实现的功能来进行编写。在程序中设置了一个用来对开关的状态信息进行定时查询的定时器中断以及一个用来对控制中心的命令进行接收的串口接收中断共两个中断。FTU系统在采集电量时通过ATT7022B来实现，但是要及时对其进行校表来确保去准确性。在校正电流有效值时，为了确保有效值参数以及三相电流矢量的精度，我们通常保持校正大约N×Ib的ATT7022B电流有效值，外部MCU在对电流有效值进行读取之后只需要将其除以N即可，而N值也就是尽量将N×Ib值无限靠近60A。

4系统测试以及应用效果

将通信以及数据采集测试用在馈线终端上，使得产品设计的更加可靠。10千伏高压在10千伏逆变器中产生，在电量采集口连接10:0.1的PT；需要注意的是此装置无负载，因此在试验中经常使用电流小车来模拟测试电流。将两个FTU终端安置在现场，结果显示，此装置采集的数据与实际测量数据大致相同，且此装置采集的数据拥有更高的精度以及更快的数据采集速度。

5结语

本文开发的馈线终端可实现众多功能，包括无线通信、监测电压电源、控制与监测开关状态、处理与存储、实时采集电量等。无线网络数据传输技术不仅对设备的抗干扰性以及灵活性进行了有效提升，而且还可对数据传输成本进行有效的节约，再也不用受到有线的困扰；FTU终端监测工作因使用了太阳能供电而避免了线路故障所带来的影响；对故障定位算法也进行了一定的探讨与分析。配电网自动化智能、可靠且实时的需求因FTU而获得了很好的满足。

参考文献：

[1]王焱，牟吴楠，杨晓伟，等.基于ARM和DSP的电网监测系统的设计[J].计算机测量与控制，2014(10)：45-50.

[4]李港，朱大奇，颜明重.基于ARM的水下机器人通信与控制器研制[J].自动化与仪表，2010(03)：4-6.