無線通信下配網(wǎng)終端手持式調試儀探析

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摘要：本文開發(fā)了一款基于無線通信的手持式配電終端調試儀，具有與配網(wǎng)終端如FTU進行無線通信，實現(xiàn)規(guī)約測試、對時、修改整定值等調試功能，該調試儀帶嵌入式操作系統(tǒng)，與FTU進行調頻配對，按IEC60870-5-104規(guī)約無線傳輸通信。調試儀配備液晶顯示屏，支持菜單操作，實現(xiàn)人機交互。該調試儀簡單便攜，方便人員調試，具有推廣應用的價值。

關鍵詞：配網(wǎng)自動化；配網(wǎng)終端調試儀；FTU設計；配電終端測試

1概述

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，應用智能化、自動化技術提高電力系統(tǒng)配網(wǎng)的運行穩(wěn)定性、用戶的用電可靠性已是電力行業(yè)發(fā)展的必然途徑。其中，配網(wǎng)自動化技術的應用是重要一環(huán)。配網(wǎng)自動化可以利用先進的自動控制技術、計算機通信技術、電子技術等技術，實現(xiàn)在線實時監(jiān)管，實時收集配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，掌握電網(wǎng)結構參數(shù)等信息集成，并構建完整的自動化電力管理系統(tǒng)[1]。配網(wǎng)自動化系統(tǒng)一般采用分布式結構，依靠通信網(wǎng)絡將配網(wǎng)主站、子站和終端連接起來，構成一個完整的系統(tǒng)。配網(wǎng)自動化主站是配網(wǎng)監(jiān)控和管理系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)對整個配電網(wǎng)的監(jiān)視、控制和有效管理，從而使配電網(wǎng)處于最優(yōu)運行狀態(tài)；配網(wǎng)子站起到一個上傳下達的溝通作用，采用多種通信方式向上與配網(wǎng)主站通信、向下與所屬配網(wǎng)終端通信；配網(wǎng)終端設備是配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的最底層，主要負責柱上開關、配電變壓器、環(huán)網(wǎng)柜、開閉所等一次設備運行狀態(tài)信息的采集、處理及對一次設備的控制等功能。饋線自動化終端(FTU)大多安裝于戶外桿塔上，采用串口或以太網(wǎng)調試，給運維人員進行設備調試、參數(shù)整定、程序更新等工作帶來很大不便。目前，市面上有的配電終端測試設備，如配電之星P-2200A2配電自動化終端測試儀，可對配電自動化終端（FTU、DTU、TTU、故障指示器）及饋線自動化（FA）進行全功能測試，其具有簡潔直觀的操作界面，豐富全面的測試功能，穩(wěn)定高效的硬件平臺，整機設計便攜耐用。該測試儀提供網(wǎng)口，串口，USB，GPS，WiFi等多種通訊接口。本文探討了一種手持式的配電終端的調試儀器，采用調試儀與配網(wǎng)終端進行調頻配對，從而達到無線傳輸通信，能與配網(wǎng)終端進行規(guī)約測試和保護整定值下發(fā)等功能，具有成本低廉、攜帶方便、簡單易用等特點，非常適合作為配電終端的調試手段。

2手持式調試儀硬件設計

2.1整體硬件結構（圖1）

本次調試儀選用ALIENTEK探索者STM32F407ZGT6作為控制芯片，探索者STM32F407是正點原子推出的一款基于ARMCortex-M4內核的開發(fā)板，自帶1M字節(jié)FLASH，并外擴192K字節(jié)SRAM，滿足基本的內存需求。時鐘最高主頻為168Mhz，可以保障控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率。該開發(fā)板具有豐富的板載資源，開發(fā)板上現(xiàn)有114個IO口，其中通信接口多達17個，可以進行以太網(wǎng)、CAN、SPI、串口等方式通信，方便進行各種外設開發(fā)。例如，我們在原有開發(fā)板的基礎上，插入無線通信模塊NRF24L01卡，充分發(fā)揮了開發(fā)板的無線通信功能。另外，本次調試儀選用一塊10000mA的充電寶作為電源，再經(jīng)過電壓電流變換轉換為開發(fā)板STM32正常的工作電壓、電流。放置在調試儀手柄內，節(jié)省空間。整個調試儀采用塑料外殼封裝，防摔、防水，便于攜帶。

2.2無線通信模塊（圖2）

無線通信模塊即NRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的一款無線通信通信芯片，采用FSK調制，內部集成NORDIC自己的EnhancedShortBurst協(xié)議?？梢詫崿F(xiàn)點對點或是1對6的無線通信。無線通信速度可以達到2M（bps）。NORDIC公司提供通信模塊的GERBER文件，可以直接加工生產(chǎn)。嵌入式工程師或是單片機愛好者只需要為單片機系統(tǒng)預留5個GPIO，1個中斷輸入引腳，就可以很容易實現(xiàn)無線通信的功能，非常適合用來為MCU系統(tǒng)構建無線通信功能。NRF24L01的工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式、關機模式，本文設計的手持式配電終端調試儀主要采用這四種工作方式中的收發(fā)模式。NRF24L01的所有配置工作都是通過SPI完成，共有30字節(jié)的配置。我們將NRF24L01工作于EnhancedShockBurstTM收發(fā)模式。ShockBurstTM的配置字可以分為數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、地址、CRC四個部分，能使NRF24L01能夠處理射頻協(xié)議，在配置完成后，NRF24L01工作的過程中，只需改變其最低一個字節(jié)中的內容，以實現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間切換。這種工作模式下，系統(tǒng)的程序編制會更加簡單，并且穩(wěn)定性也會更高。

3手持式調試儀軟件設計

調試儀的軟件系統(tǒng)移植了UCOS-III操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)的多任務管理有利于軟件系統(tǒng)的模塊化設計，因此調試儀軟件系統(tǒng)也按模塊進行設計。其任務模塊包括Emwin圖形顯示模塊、觸摸屏任務模塊以及無線通信任務模塊。我們在使用M3內核MCU的時候會移植UCGUI來制作精美的UI，UCGUI的高級版本就是emWin，而STemWin是SEGGER授權給ST的emWin版本，ST的芯片可以免費使用STemWin，并且STemWin針對ST的芯片做了優(yōu)化。調試儀的界面顯示主要靠移植STemWin來實現(xiàn)，并且在移植過程中適配了ALIENTEK的7寸顯示屏。當調試儀連接電源開啟后，將進入主界面，用戶可以觸摸點擊按鈕，與處于無線通信測試模式下的FTU進行通信，實現(xiàn)調試儀的基本功能。界面設計如圖3所示。

4實驗系統(tǒng)運行分析

以手持式配電終端調試儀和帶液晶顯示的FTU實驗裝置按IEC60870-5-104規(guī)約通信為例，二者通過無線通信模塊發(fā)送或接受報文，不斷比較報文中的特征位和信息位，相互配合，從而實現(xiàn)“三遙”功能、數(shù)據(jù)查詢功能、SOE事件順序記錄等SCADA系統(tǒng)的基本功能。與本次調試儀相配合的FTU實驗裝置可切換“正常運行以太網(wǎng)通信”、“無線通信調試模式”兩種模式。在調試模式下，可以完成遙測量采集、遙信量采集、繼電保護功能與調試儀通信，并且同樣配備了一塊7寸顯示屏，不僅能顯示與調試儀測試時發(fā)送的報文，還能實時顯示A/D采樣電路采集到的模擬的電壓值、電流值和開關狀態(tài)。同時，內置RTC時鐘，能夠與調試儀進行對時。調試過程中可設置短路故障，測試FTU按規(guī)約向調試儀發(fā)送遙信變位信息，并可根據(jù)調試儀發(fā)送的遙控指令，實現(xiàn)故障隔離，恢復供電。調試儀的特點是其基于無線通信，可按規(guī)約與被調試的配電終端實現(xiàn)三遙功能，并能夠設置繼電保護的整定值下發(fā)，對通信報文能夠查閱和顯示（圖4-5）。

5結論

饋線自動化終端FTU控制著配電系統(tǒng)斷路器、重合器、分段開關、負荷開關等一次設備,一般安裝于10kV配網(wǎng)架空線戶外桿塔上,靠近一次設備,距離地面為6~8m。這就需要運行維護人員爬至桿塔上打開FTU箱柜進行操作,不僅耗費體力,增加維護難度,而且?guī)щ姴僮髟O備,存在安全隱患,因此給運行人員進行設備調試、參數(shù)整定、程序更新等工作帶來很大不便。而我們本次的設計的手持式配電終端調試儀具有以下特色:(1)采用手持式的設計形式,并且塑料外殼封裝,防摔、防水,便于攜帶,簡單方便,穩(wěn)定可靠;(2)采用無線傳輸通信,沒有模擬量輸入,即不需要采集電流電壓提供FTU信號,無論遠方FTU運行正?；虿徽r都能通過此調試儀檢測到FTU當前情況,測試FTU是否正確按規(guī)約通信,然后做出相應的對策;(3)采用液晶屏做成人機交互界面,能夠實時顯示菜單,并支持按鍵操作;(4)手柄內含一塊充電寶，作為整個調試儀的移動電源，不需要插座供電，便于攜帶。但是此次設計的調試儀也存在一些缺點,例如，無線通信模塊收發(fā)模式下一次最多發(fā)送32位的u8字符型常量，而有時我們需要發(fā)送的104規(guī)約報文會超過32位，此時就需要考慮分兩次發(fā)送，還有進一步提升的空間。

參考文獻

[1]郭俊偉.配網(wǎng)自動化技術在電力系統(tǒng)中的應用探究[J].科技經(jīng)濟導刊,2020,28(36):104-105.

[2]周鴻艷.基于IEC60870-5-104規(guī)約的智能配電網(wǎng)終端設備測試方案及軟件設計[D].長沙：長沙理工大學,2012.

[3]岳仁超,單榮榮,孫建東.基于藍牙通信智能手持維護軟件的設計與實現(xiàn)[J].電氣自動化,2016,38(03):26-27+37.

作者:王婭楠 陳鵬宙 王琳潔 吳施穎 朱鈺杰 戚楷文 單位:南京工程學院電力工程學院