配电网一二次融合成套设备 FTU 检测平台设计

2021-09-13王秀茹代鹏刘刚张雪楠刘帅蒋宏图范志杰

中国测试 2021年12期

王秀茹代鹏刘刚张雪楠刘帅蒋宏图范志杰

摘要：为实现对配电网一二次融合成套设备馈线终端装置（feeder terminal unit，FTU）的测试和控制功能检测，设计一种能够对 FTU 工作环境进行模拟检测的平台。首先介绍智能化配电网电气设备一次、二次设备深度融合以及对应 FTU 的实现方法;在此基础上，以 DSP 和 ARM 微处理器构建的双 CPU 架构作为核心，利用硬件、软件相结合的方式，对 FTU 检测平台进行设计。测试结果表明：设计的检测平台能够对配电网一二次融合成套设备 FTU 的工作环境进行模拟，并完成 FTU 的测试。

关键词：配电网;一二次融合;成套设备;馈线终端装置;检测平台

中图分类号： TM77文献标志码： A文章编号：1674–5124（2021）12–0163–06

Design of FTU testing platform for primary and secondary fusion equipment of distribution network

WANG Xiuru1，DAI Peng1，LIU Gang1，ZHANG Xuenan1，LIU Shuai1，JIANG Hongtu2，FAN Zhijie2

（1. Suqian Power Supply Branch， State Grid Jiangsu Electric Powetr Co.， Ltd.， Suqian 223800， China;2. Shanghai WiscomSunest Power Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200233， China）

Abstract： In order to realize the test and control function of the feeder terminal unit （FTU） of the primary and secondary fusion equipment of the distribution network， a platform capable of simulating the FTU working environment was designed. The article first introduces the deep integration of primary and secondary electrical equipment in the intelligent distribution network and the corresponding FTU implementation method. On this basis， the dual-CPU architecture constructed by DSP and ARM microprocessor is used as the core， and the FTU detection platform is designed by the combination of hardware and software. The test results show that thedesignedtestingplatformcansimulatetheworkingenvironmentof FTUinthedistributionnetwork primary and secondary integration equipment， and complete the FTU test.

Keywords： distribution network; primary and secondary fusion ; complete equipment; FTU; detection platform

0引言

隨着我国智能配电网建设的不断推进，配电网一次设备和二次设备的智能化程度都在不断提高，这带来的结果是降低了配电网一二次设备的区分界限程度[1]。现阶段我国配电网的一次设备和二次设备都是相互独立运行的，将两者进行融合将改变配电网一二次设备的运行模式以及市场机遇[2-3]。配电网一二次融合需对一次设备和二次设备进行集成设计，能够提升一二次设备的配合和运行效率[4]。

配电网一二次设备融合的发展必然要求一种检测平台对一些智能终端功能进行测试，以确保融合开关的智能终端设备每一项功能都能正常运行，同时高效率、高可靠性的检测平台能够缩短配电网一二次融合智能设备的开发周期。目前由于一二次设备融合尚处于起步阶段，且国内外关于配电网 FTU 测试平台的研究也都集中在配电网一二次系统独立运行模式[5]，其测试方案不再满足目前配电网一二次融合运行下的基本要求，因此缺乏有效的配电网一二次融合成套设备 FTU 的检测平台。随着 FTU 在一二次融合设备的推广和应用[6-7]，利用一种具备多项功能测试的检测平台对 FTU 的控制命令和运行状态检测具有重要的实际工程应用意义。

鉴于此，本文在一二次融合智能开关以及 FTU 实现原理和基本功能的基础上，设计了一种配电网一二次融合成套设备 FTU 检测平台。采用硬件、软件相结合的方式对检测平台的实现方法进行了详细阐述，该平台处理器的核心是 DSP 和 ARM 微处理器构建的双 CPU 架构，并与信号源模块、放大器模块、电压采样模块、电流采样模块、运行状态量以及人机交互外部模块进行交互。最后对成套设备 FTU 的电压电流数据采集、分合闸控制命令以及运行状态等进行了测试，验证了检测平台的有效性。

1一二次融合成套开关

1.1基本原理

配电网的一二次融合成套开关主要通过一次开关和二次开关进行整体的设计并进行融合，相较于传统的环网柜和终端比较方式相结合的方法而言，一二次融合开关能够有效解决一、二次开关设置之间的配合问题。智能开关是一种具备电压电流信号采集、线路保护动作以及故障自动隔离的设备，将测控技术、通信技术以及开关动作技术等集成于一体。一二次融合智能开关主要通过传感器实现量测、保护以及隔离功能，具有体积小以及采样线性度好等优势。

典型的一二次融合成套开关基本原理如图1所示，其主要由本体开关、馈线终端 FTU、传感器、航空插头和预制电缆等组成，其中开关本体上集成有电压传感器以及电流传感器，信号通过具有高防护等级的预制电缆传输至 FTU 柜，因此量测值能够通过 FTU 对电压和电流信号的采集而获取。

为了一二次融合智能开关能够有效安全运行，应满足如下要求[8]：1）不完全依赖于配电网自动化系统的主站和馈线自动化功能，故障区域定位、隔离以及非故障区域的恢复供电均由 FTU 进行协调控制;2）能够对运行参数以及运行控制逻辑进行灵活配置，也具备自动重合闸功能，且可调节对应的重合次数和合闸时间;3）满足国家电网公司提出的标准协议《就地型馈线自动化实施应用技术方法》中的相关要求，支持不同类型的馈线自动化逻辑。

1.2一二次融合成套开关 FTU

FTU 是一二次融合成套开关的核心部分，其主要功能是实现一二次融合开关的遥控、遥信和遥测，即主要是负责开关的测量以及控制逻辑的相关功能，能够对交流输电线路的电压信号、电流信号进行采集，并可读取一二次融合开关的工作状态。具体来说，一二次融合开关所采集的电压、电流信号都是通过 FTU 装置进行处理的，并依据处理后的结果来执行一二次融合開关的分合闸控制。FTU 控制量检测主要是对命令控制量的检测，包括分闸命令和合闸命令，当测控单元发出分闸和合闸命令时，分别切换到对应的分闸状态和合闸状态。FTU 测控单元则包括信息采集和执行控制命令，其中信息采集主要是采集、计算对应配电网输电线的电压、电流信号，从而读取一二次融合开关的实时运行状态;而执行控制命令则指的是 FTU 装置在接受命令时能否发出正确的分闸以及合闸指令来控制一二次融合开关。

FTU 核心功能除了满足电力系统一次、二次安全控制有关规定要求之外，还需要满足遥控、遥信和遥测功能，具有多类型故障处理能力，同时能够满足就地 FA 功能，如分段功能和联络功能。此外，一二次融合成套开关 FTU 不同于传统的 FTU，两者之间的配置差异主要体现在两方面：1）传统 FTU 的线电压为交流220 V，而一二次融合成套开关 FTU 的线电压为交流110 V;2）传统 FTU 采用的是外置电磁式电压互感器且开口三角的零序电压大小为100 V，而一二次融合成套开关 FTU 本体内置电容分压式的传感器，零序电压为6.5 V。

2 FTU 检测平台设计

2.1硬件设计

一二次融合成套开关 FTU 检测平台的硬件结

构如图2所示，检测平台的基本组成包括核心处理器、信号源模块、放大器模块、电压采样模块、电流采样模块、运行状态量以及人机交互等。FTU 检测平台硬件实现原理如下：核心处理器 CPU 产生的高精度正弦信号分别通过可编程放大器模块生成交流电压信号和交流电流信号，产生的交流电压、电流信号再分别由电压、电流采集模块传送至核心处理器单元。通过核心处理器单元来控制开关单元的分闸命令、合闸命令和储能状态，并采用光耦电路对 FTU 分合闸命令进行检测，通过人机交互界面对 FTU 的运行状态和控制命令进行显示。

1）核心处理器单元

为了提高 FTU 检测平台的效率和可靠性，检测平台核心处理器采用由 TMS320系列 F28335型号的 DSP 和 LPC2214型号的 ARM7组成的双 CPU 架构，其中DSP 处理器主要执行功能是采集和处理模拟信号，而 ARM 处理器则主要是完成遥信、遥控、通信以及故障等不同运行功能的检测[9]，DSP 和 ARM 两处理器的数据交互方式采用双口 RAM 模式[10]。另外，对于定时遥测、遥信等耗时较长的功能测试也是分出来由DSP 处理器进行完成，而主处理器 ARM 将 FTU 检测功能划分为不同模块，对 DSP 处理器的数据进行定时的读取，能够大大提高检测任务的响应速度。采用双 CPU 架构模式处理器不仅仅满足 FTU 检测平台对不同检测任务的实时性要求，同时使整个检测平台的实时响应能力得到有效改善。除此之外，双 CPU 架构模式处理器在一定程度上能够降低平台的功耗。

2）信号源模块

检测平台的信号源模块采用型号为基于 DDS 技术的 AD9854芯片[11]，该芯片是一款可编程波形的信号发生器。其中 DDS 技术的优势体现在带宽较宽、频率分辨率高、频率转换时间短、相位输出连续、可输出正交信号和便于集成等。AD9854芯片采用 F28335的 DSP 处理器进行控制，其幅值、频率、相位均可通过在处理器编程实现，能够产生高精度的工频正弦信号。除此之外，AD9854芯片外部配置了 Q 路 DAC，能够实现任意波形的输出。

3）放大器模块

检测平台放大器模块采用软件可编程放大器 AD526，该放大器可通过编程来提供1，2，4，8，16倍的增益，两个单 AD526通过级联之后能够扩大至64，128，256倍的增益[12]。AD525内部的组成部分包括调整漂移BiFET放大器、JFET 模拟开关、激光晶片调整电阻网络以及增益编码锁存器。可编程放大器 AD526的性能参数如下：线性误差的大小不超过0.005% FS，增益误差不超过0.02%，输入失调电压大小不超过0.5 mV，16倍增益时的信号带宽大于350 kHz，测量的最小信号为0.6 mV。

4）电压、电流采集模块

电压、电流采集模块选用的是型号为 ATT7022的高精度三相电能计量专用芯片[13]，该芯片具有全面的测量电参数，具体包括视在功率、有功功率、无功功率、电压有效值、电流有效值、相位和频率等，其参量测量精度可达到0.2 S 和0.5 S，能够满足检测平台对电压、电流有效值测量的需求。ATT7022在接收到电压、电流信号之前，需安装电压互感器、电流互感器以及采样电路，通过 ADC 模数转换电路来采样输入的电压、电流信号，转换过后的电压、电流数字信号通过 SPI 接口与处理器 DSP 进行交互，从而对三相电能参数进行运算。运算后的结果存储在相应的寄存器当中，并通过软件编程来对存储的数据进行读取。按照0.2 S 和0.5 S 的测量精度作为设计的基本要求，其额定电压为220 V，额定电流为1.5 A，最大电流为6 A，启动电流不超过额定电流的0.4%。

5）模拟开关运行状态

模拟开关运行状态主要是通过编程对开关的分合进行控制，以对开关分闸、合闸和储能等状态量进行模拟。该部分电路均装有端子接口，通过该接口与 FTU 进行连接，从而将 FTU 状态量反馈至 FTU 检测平台的测控单元，能够判断所检测到的开关运行状态结果是否正确。

6）FTU 分合闸检测

依据一二次融合成套开关 FTU 产生的控制信号基本特征对信号检测电路进行设计。通常情况下一二次融合成套开关 FTU 产生的控制信号为脉冲信号，利用核心处理器 LPC2214定时器的电平翻转功能对该脉冲信号进行捕获。为避免对脉冲信号检测的影响，在核心处理器 LPC2214定时器前端安装光耦隔离装置对干扰信号进行滤除[14]。另外，FTU 分合闸的状态可通过指示灯显示。

7）人机交互模块

人机交互模块主要是通过核心处理器 LPC2214、6个按键以及型号为 AT056TN52的 LCD 液晶显示屏来实现[15]。其中6个按键操控简单易于实现，主要是通过核心处理器 LPC2214的 GPIO 的中断功能来操控，每个按键都直接连接至 I/O 接口，同时为防止按键抖动而在每个按键上安装并联电容器。而 AT056TN52的 LCD 液晶显示屏一共含有18根数据总线，其中3条数据线分别写数据线、片选线以及时钟线。数据线为与核心处理器 LPC2214的數据总线进行相连，其中 LPC2214的3个 I/O 口可对显示屏的显示设置以及测试功能信息进行显示，能够满足检测平台的显示需求。

2.2软件设计

在一二次融合成套开关 FTU 硬件基础上，对检测平台软件部分进行了设计，软件实现总体流程如图3所示，主要包含以下3方面：1）对双 CPU 核心处理器进行初始化，包括编写头文件、编写启动文件、设备外部接口、设定寄存器、初始化片上资源功能、设置相关中断;2）对各个硬件系统初始化设置，如信号源芯片 AD9854、可编程放大器 AD526、三相电能计量专用芯片 ATT7022、模拟开关和人机交互等硬件资源的初始化设置;3）编写硬件执行功能程序和软件系统内部数据算法，主要是采用内部算法对硬件采集信息进行处理以及输出显示。

FTU 检测平台上电后首先对双 CPU 处理器、硬件功能和软件算法进行初始化，并将初始化之后的参量信息进行液晶显示。三相电能计量专用芯片 ATT7022对交流电压、电流进行周期性的采样，通过核心处理器读取 ATT7022的结果，并与设定值进行对比和误差分析。检测平台控制量检测和按键都设置为外部中断事件，若有中断事件发生则跳转到对应的中断服务子程序。如果检测到中断程序为按键中断，则执行按键程序并对手动分闸、合闸和储能状态进行判断;如果检测到不是按键中断程序则对控制量捕获程序进行启动，对 FTU 检测单元发来的命令控制信号作出对应的分闸、合闸动作。中断功能软件实现流程如图4所示。

3测试结果分析

为了验证本文提出的配电网一二次融合成套设备 FTU 检测平台的实际效果，以某实际电网为例，对 FTU 运行情况进行检测。对 FTU 在电压电流信号采集的稳定性、控制命令以及运行状态等内容进行了检测。

表1和表2分别是 FTU 的电压和电流采集测试结果，将液晶显示的测试结果值和初始设定值进行了对比。从测试结果可以看出，电压电流信号采集值的测量精度较高，测量误差基本都小于0.1%，说明了测试平台采集电压、电流信号的功能正常。因此 FTU 检测平台具有很好的输出稳定性，能够满足配电网一二次融合成套设备 FTU 的信号采样功能。

控制命令和开关状态的测试结果如表3所示。可以看出，当检测平台发出分闸或者合闸命令时，检测平台的接口端子会出现短路，分闸或合闸的指示灯会发亮。同时，当开关处于分闸、合闸或储能状态时，开关的分闸、合闸以及储能状态能够显示于液晶显示模块。测试结果说明 FTU 检测平台能够有效精确地完检测 FTU 的开关控制命令和状态量。

进一步，将测试平台接口端子与通信单元连接，并与后台的软件控制系统相连接，用 FTU 测试平台对通信单元进行测试，测试内容及结果如表4所示。测试结果可以看出，FTU 检测平台能够有效完成通信单元的测试，能够满足配电网一二次融合成套设备 FTU 的通信功能要求。

4结束语

本文在分析配电网一二次融合成套设备 FTU 基本原理和功能的基础上，设计了一种配电网一二次融合成套设备 FTU 检测平台。首先对智能化配电网电气设备一次、二次设备深度融合以及 FTU 的实现方法进行了描述;其次详细设计了检测平台的硬件和软件实现部分，其处理器以 DSP 和 ARM 微处理器构建的双 CPU 架构为核心，与信号源模块、放大器模块、电压采样模块、电流采样模块、运行状态量以及人机交互外部模块进行交互。最后测试结果表明：设计的检测平台能够对配电网一二次融合成套设备 FTU 的控制命令和运行状态进行有效检测。

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