（控制理论与控制工程专业论文）馈线终端单元ftu的设计研究.pdf

随着我国经济的迅猛发展，对配电自动化要求越来越高，而配电自动化的核心在于馈线自动化，馈线自动化的基本单元则是馈线终端单元f 1 u ，它对整个配电自动化起十分重要的作用。针对国内外对配网馈线终端单元f 1 - u 的研究现状，提出了全新的f t u 的设计方案。首先，提出了f ，i u 的工作原理以及本次设计所要实现的功能，包括电度采集、故障检测和故障隔离等。其次，详细介绍了f ，i u 的硬件和软件设计。在硬件方面选用了a r m 9 作为主控制芯片，相对以前依靠5 l 或者9 6 系列单片机完成设计的f ，i u 有了进一步的提高， p c 1 9 芯片具有强大的数据处理功能和丰富的外围接口，为f ，i i u 的设计提供了强有力的硬件支持。另外还设计了外围电路，包括模拟量输入电路，开关量输入输出电路，通信电路，电源模块电路等。采用了c a n 总线技术，大大提高了电力系统的通信能力。在软件编程方面，采用了基于l i n u x平台的嵌入式系统，提高了系统的实时性、可靠性、灵活性。编写了各模块的程序，并给出软件流程图，完成了整个f t u 的软件设计。最后，对f t u 的信号处理技术进行研究，对f f t 算法、频率采样算法给出具体的设计过程，并在电力谐波检测方面进行仿真，分析了数据采样点数和噪声对信号检测的影响。在实验室完成调试。实验调试证明，基于a r m 9 的馈线终端单元f ，i u 具有良好的功能，在提高配电网运行的可靠性和效率，提高供电质量，降低劳动强度，缩短停电时间和减少停电面积等方面，均带来了可观的经济效益和社会效益。关键词配电自动化，馈线终端单元，a r m 9 ，c a n 总线，嵌入式系统a b s t r a c ta l o n g 丽t ho a fc o u n t r ye c o n o m ys w i f ta n dv i o l e n td e v e l o p m e n t ，t h er e q u e s tf o rt h ep o w e rd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ni sm o r ea n dm o r eh i g h ，a n dt h ep o w e rd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o nc o r el i e si nt h ef e e dl i n ea u t o m a t i o n t h ef e e dl i n ea u t o m a t i o nb a s i cu n i ti sf 1 u ，i ti so fe x t r e m e l yv i t a lr o l et oe n t i r ep o w e rd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c to ff e e d e rt e r m i n a lu n i to nh o m ea n da b r o a d a l ln e wi m p l e m e n t i n gs c h e m eo ff t ui sg i v e n f i r s t ，i tp r e s e n t sf 1 ua c t i o np r i n c i p l e sa n df u n c t i o n so fp o w e ra c q u i s i t i o ni n c l u d i n ge n e r g ya c q u i s i t i o n ，f a u l td e t e c t i o na n df a u l ti s o l a t i o ne t c s e c o n d l y , t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ff t ua l ed e s c r i b e dd e t a i l s i nt h eh a r d w a r ep a r t ，a r m 9c h i pi sa d o p t e df o rc p u ，i th a sf u r t h e ri m p r o v e m e n tt oc o m p l e t et h ef t uo fr e l 姐n go nt h e51o r9 6m c u a r m 9c h i ph a sap o w e r f u ld a t ap r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e sa n dr i c hp e r i p h e r a li n t e r f a c e s ，t h e s eg i v et h ed e s i g no ff t up o w e r f u lh a r d w a r es u p p o r t i na d d i t i o n ，t h ep e r i p h e r yc i r c u i t sd e s i g n e di n c l u d ea n a l o gs i g n a l si n p u tm o d u l e ，d i g i t a ls i g n a l sm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，p o w e rm o d u l ee t c c a nb u si sa d o p t e do nt h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l eo ft h ed e s i g nt oi m p r o v eg r e a t l yt h ep o w e rc o m m u n i c a t i o n e m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e mb a s e do nl i n u xs y s t e mi su s e dt oe n h a n c er e a l t i m ep e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y t h ep r o g r a m so fa l lm o d u l e sa r ew r i t t e na n dg i v e nt h es o f t w a r ef l o wc h a r t c o m p l e t et h ew h o l es o f t w a r ed e s i g no ff t u f i n a l l y ，t h es i g n a lp r o c e s s i n go ff t ui sr e s e a r c h e d f f ta l g o r i t h ma n d 仔e q u e n c ys a m p l i n ga l g o r i t h ma r eg i v e nd e t a i ld e s i g np r o c e s s t oa n a l y s i st h a td a t as a m p l i n gn u m b e ra n dn o i s ei n f l u e n c es i g n a le x a m i n a t i o n ，w es i m u l a t i o np o w e rh a r m o n i c i nt h ee n d ，d e b u gi sc o m p l e t e do nt h el a b t h ee x p e r i m e n ta d j u s t st ot r yac e r t i f i c a t et h a tt h ef t ub a s eo na r m 9h a v eg r e a tp e r f o r m a n c e i tc a nr a i s ec r e d i b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h ep o w e r咖d s ，r a i s ep o w e rs u p p l yq u a l i t y , l o w e rl a b o rs t r e n g t h ，s h o r t e np o w e rf a i l u r et i m ea n dd e c r e a s ep o w e rf a i la r e ae t c t h u sb r i n g sc o n s i d e r a b l ee c o n o m i cp e r f o r m a n c ea n ds o c i a lp e r f o r m a n c e k e yw o r d sd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ，f e e d e rt e r m i n a lu n i t ，a r m 9 ，c a nb u s ，e m b e d d e ds y s t e mh原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：新签煮鞋魄趟年五月五日中南大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1 1 配电自动化系统概述1 i 1 配电自动化的概念随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，对电力需求愈来愈大，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电质量和供电可靠性要求越来越高，甚至连发生电源的瞬时中断也不能忍受。所以提供安全、经济、可靠和高质量的电力是电力供应部门当前急需解决的问题，配电自动化就是为了解决这个问题而提出来的。配电自动化系统( d a s ，d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ) 是一种可以使配电企业在远方以实时方式监视、协调和操作配电设备的自动化系统。其内容包括配电网数据采集和监控、配电地理信息系统和需方管理几个部分。其中配电网数据采集和监控系统又包括进线监视、l o k v 开闭所与变电站自动化、馈线自动化、变压器巡检与无功补偿等，需方管理又包括负荷监控与管理、远方抄表与计费自动化等。配电自动化是电力系统现代化的必然趋势，其主要意义在于：在正常运行情况下，通过监视配电网运行工况，优化配电网运行方式；当配电网发生故障或异常运行时，迅速查出故障区段及异常情况，快速隔离故障区段，及时恢复非故障区域用户的供电，缩短对用户的停电时间，减少停电面积；根据配电网电压合理控制无功负荷和电压水平，改善供电质量，达到经济运行目的；合理控制用电负荷，从而提高设备利用率；自动抄表计费，保证抄表计费的及时和准确，提高了企业的经济效益和工作效率，并可为用户提供自动化的用电信息服务等。实现馈线自动化能充分的保证供电的可靠性，能使故障自动隔离，网络自动重构，负荷自动转移，远方对配网进行监视和控制以及其他的管理过程。但由于馈线自动化涉及到供电可靠率，电压质量，线路损耗和系统优化组合等方面诸多问题，要实现馈线自动化还有很长的路要走。馈线自动化技术的应用，从早期的单个电力环路、双电源，逐步扩大到多个电力环路、多个备用电源。电力环路有架空馈线手拉手；地下电缆环网柜电力环路或架空，电线混合型电环路；开闭所之间手拉手电力环路等。配电网一次接线的网络结构越来越复杂，系统对配电网自动化的的要求也越来越高。1 1 2 国内外配电自动化的现状目前我国电力工业的发展速度，已由过去主要取决于投资规模逐步转变为由中南大学硕士学位论文第一章绪论市场需求来决定，电力市场也将逐步由卖方市场向买方市场转变。以往我国发电和配电投资的比例为l ：0 1 2 ，大大落后于先进国家l ：o 6 0 7 的投资比例，这种状况今后会很快得到改善。9 0 年代以来，国内电力系统的3 5 k v 变电站逐步实现了四遥功能，但规模覆盖变电站自动化、馈线的故障定位与隔离和自动恢复放电、负荷控制、远方自动读表、最低网损、电压无功优化，配电投资比例系统、变电配电和用电管理信息系统的配电网综合管理系统，则是近年来才起步的。从设备制造水平的角度看，国内不少企业已成功地研制出能够满足配电自动化要求的产品，比如可靠的柱上真空开关、重合器、馈线开关远程式终端( f t u ) 、变压器测控单元( t t u ) 、开闭所、小区变远程终端( r t u 、配电网地理信息系统( g i s ) 、负荷监控系统、配网管理信息计算机网络、智能式电度表及远方抄表计算机系统，以及各种数据传输设备( d c e ) 等。因此，从技术上讲实现配电自动化已没有任何困难，但仍面临两个问题：其一是供电企业应根据自己实际情况，恰当地选择各种的功能，寻求一种“性能价格比 较好，符合当代技术发展方向，能够“统一规划、分布实施 ，不致因系统发展技术进步而“推倒重来”的系统；其二是输电网自动化的许多成熟技术虽然可以借鉴，但配电自动化存在本身的特点，如容量大、故障记录信息、定值远传、远方抄表等，传统的通信规约不能够很好地满足使用要求，因此要尽早提出满足配电网要求的标准化的通信规约，以免造成各制造厂家自行设置的混乱局面。，在一些工业发达国家中，配电自动化系统受到了广泛的重视，国外的配电网自动系统已经形成了集变电站自动化、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、用户负荷控制和远方抄表等系统于一体的配电网管理系统( d m s ) ，其功能己多达1 4 0 余种。国外著名电力系统设备的制造厂家基本都涉足配电自动化领域，如德国西门子公司、法国施耐德公司、美国c o o p e r 公司、摩托罗拉公司、英国a b b 公司、日本东芝公司等，均推出了各具特色的配电网自动化产品。日本是配电自动化发展得比较快的国家，日本从7 0 年代后半期开始利用计算机构成自动控制系统，其后由于电子技术、计算机技术及信息传送技术的发展，配电自动化计算机系统及配电线远方监视控制系统在实际应用上得到很大的发展。从国外配电自动化系统采用的通信方式来看，尚没有一种通信技术可以很好的满足于配电系统自动化所有层次的需要。在一个配电自动化系统内，往往由多种通信技术组合成综合的通信系统，各个层次按实际需要采用合适的通信方式。对于日本，由于无线电通信频段大都被电台占用而很难得到保证，日本在配电自动化系统中，基本不采用无线电通信。光纤因处于发展阶段，目前只在一部分地2中南大学硕士学位论文第一章绪论方使用。比较普遍的是利用通信电缆和配电线路来传送信号。而在欧美等国，却广泛采用无线寻呼通信网络和有线通信相结合的方式。国外的配电自动化的发展经历了从各种单项自动化林立，号称为“多岛自动化一的配电系统，向开放式、一体化和集成化的综合自动化方向发展的过程。目前，己经具有相当的规模，并且从提高配电网运行的可靠性和效率，提高供电质量，降低劳动强度，充分利用现有设备的能力，缩短停电时间和减少停电面积等方面，均带来了可观的经济效益和社会效益【l 胡。1 2 论文研究的意义随着我国国民经济的日益提高，国民的用电量也日益增大，同时国民对用电的质量也提出了更高的要求，这就要求配电的自动化水平不断的提高，当然对作为配电自动化系统的核心自动化装置的要求也越来越高。f t u 作为馈线自动化终端单元是自动化装置的关键设备，f t u 性能的高低关系到配电自动化水平的高低，所以研究馈线自动化终端单元f t u 是非常有必要的。以前f t u 的微处理器基本上是用5 l 系列或者9 6 系列的单片机，由于单片机自身的局限性，即它处理的数据量不够大，处理速度不够快，i o 口也比较少，相对于f t u 来说控制能力也弱等特性，所以单片机越来越不满足f t u 的要求。随着电子技术、通信技术、信号处理技术的快速发展，a r m 系列的微处理芯片技术逐渐成熟，使得a r m 芯片技术在电力系统中应用成为可能。在现代电力系统中，f t u 所要承担的任务也越来越多，包括测量频率、电压、电流、有功、无功、谐波分量、序分量等，还要采集频率变化快而且复杂的特征量，如暂态突变量，高频的故障行波等【】。而要实现这些功能，显然以单片机作为处理器的f t u 是远远不够了，而如果应用a r m 系列芯片作为微处理，这些功能的实现将成为可能。, m l m 系列的芯片具有如下性能：( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能；( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件；( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快；( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成；( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高；( 6 ) 指令长度固定；( 7 ) 外围接口比较丰富，控制性能较强。为了实现配电网的优化，必须实现其实时控制，及时应变，执行主站命令对配电设备进行调节和控制。鉴于a r m 芯片具有如上性能，所以此次设计采用a r m 9芯片作为其c p u 。相信a r m 芯片的应用对于解决我国配电自动化现有的问题将产3第一章绪论生深远的影响。1 3 论文的研究内容及章节安排本论文的研究内容将针对国内外对配网馈线终端单元刑的研究现状，提出了全新的f 1 u 的设计本次设计在硬件方面将选用a r m 9 作为主控制芯片，软件方面采用基于l i n u x 平台的嵌入式系统，此次设计相对以前依靠5 1 或者9 6系列单片机完成设计的兀u 有了进一步的提高，在数据采集、处理以及运算速度、运算量等方面都有了较大的改进，特别在通信方面，由于采用了c a n 总线设计，所以整个配电系统的自动化水平大大提高此次设计不仅使f t u 实现了“遥测、遥信、遥控、遥调一四大功能，还使f 1 u 具有故障定位、隔离、线路恢复及电度采集等功能具体工作如下：( 1 ) f 1 u 的硬件电路的设计。t以集成了a r m 9 芯片的核心板s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 为核心，设计其外围电路，包括模拟量输入电路，开关量输入输出电路，通信电路，键盘显示电路，时钟模块电路，电源模块电路等。( 2 ) f 1 u 各个模块的软件编程。编写a d 采集、c a n 通信程序，以及l c d 、键盘等模块的驱动程序，对f f t算法、频率采样算法以及故障隔离算法给出具体的设计过犁引，完成了整个f 1 u的软件设计，并给出总体软件流程图。( 3 ) 对设计的硬件电路、软件进行调试。论文在结构上分为六章：第一章概述了配电自动化的概念及国内外配电自动化的现状，阐述了论文研究的意义及研究工作；第二章阐述了f t u 的工作原理及主要功能；第三章介绍了馈线终端单元f t u 的硬件设计，包括核心电路设计和外围电路设计，并对每一个单元模块给出详细的设计方案；第四章介绍了馈线终端单元f ，i u 的软件设计，软件采用嵌入式实时操作系统，软件编程以l i n u x 系统作为平台，并给出相应的程序框图，并且还介绍了软件抗干扰措施和掉电保护措旌；，第五章对f t u 的信号处理技术进行研究，介绍了交流采样技术、频率的测量以及谐波的快速离散傅立叶算法f f t ，并对谐波分析进行防真；第六章对论文所做的工作进行总结，并给出了展望。4中南大学硕士学位论文第二章f t u 的工作原理及功能第二章f t u 的工作原理及功能2 1f t u 的工作原理典型的基于f t u 的馈线自动化系统的组成如图2 一l 所示。在图2 1 所示的系统中，各f t u 分别采集相应柱上开关的运行情况，如负荷、电压、功率和开关当前位置、贮能完成情况等，并将上述信息由通信网络发向远方的配网自动化控制中心。各f t u 还可以接受配网自动化中心下传的命令进行相应的远方倒闸操作。在故障发生时，各f t u 记录下故障前及故障时的重要信息，如最大故障电流和故障前的负荷电流、最大故障功率等，并将上述信息传至d a s 控制中心，经计算机系统分析后确定故障区段和最佳供电恢复方案，最终以遥控方式隔离故障区段、恢复健全区段供电。区域工作站实际上是一个通道集中器和转发装置，它将众多分散的采集单元集中起来和d a s 控制中心联系，并将各采集单元的面向对象的通信规约转换成为标准的远动规约，这样配电网自动化s c a d a系统和变电站、开闭所的数据采集装置就可以直接借鉴调度自动化的成熟技术。le 毫一自动化控囊中心诗算机鬻络( s c 口矗)，、，一= ：、- z ，m 、区他槭忿聃却站，lua区爿，h 1 、，li。心，i 由i t t i i ii il，i 、，、，、a，it ，j二一嘲6rco 铲o1 - _ _ -a。苫，l一曩蠢控嗣麓一一一一曩信缱。f t uo套段开关。鼍鬈歼美_ l 囊鼍-图2 - 1 为典型的基于f t u 的馈线自动化的组成2 2f t u 的主要功能馈线终端单元f t u 的基本功能如下n 1 ：( 1 ) 遥信功能。f t u 应能对柱上开关的当前位置、通信是否正常、储能完成情况等重要状态量进行采集。若f t u 自身具有微机继电保护功能，还应对保护动作情况进行遥信。5中南大学硕士学位论文第二章f t u 的工作原理及功能( 2 ) 遥测功能。f t u 应能采集线路的电压、开关经历的负荷电流和有功功率、无功功率等模拟量。一般线路的故障电流远大于正常负荷电流，要采集故障信息必须能适应输入电流较大的动态变化范围。测量故障电流是为了进行继电保护和判断故障区段，因此对测量精度要求不高，但要求响应速度快，而且要滤出基波信号，一般采用全波或半波傅氏算法，本文采用的是快速傅立叶变换算法f f t 。测量正常运行情况下的电流对测量精度有很高要求，但响应可以慢些，并且要求的电流有效值是一种平均的概念，一般采用均方根算法。f 1 u 一般还应对电流电压及蓄电池剩余容量进行监视。( 3 ) 遥控功能。f 1 u 应能接受远方命令控制开关合闸和跳闸，以及起动储能过程等。( 4 ) 统计功能。f 1 u 应能对开关的动作次数和动作时间及累计切断电流的水平进行监视。，( 5 ) 对时功能。f 1 u 应能接受主系统的对时命令，以便和系统时钟保持一致。( 6 ) 事件顺序记录( s o e ) 。记录状态量发生变化的时刻和先后顺序。( 7 ) 事故记录。记录事故发生时的最大故障电流和事故前一段时间( 一般是lm i n ) 的平均负荷，以便分析事故，确定故障区段，并为恢复健全区段供电时进行负荷重新分配提供依据。( 8 ) 远方定值修改和召唤定值。为了能够在故障发生时及时地起动事故记录等过程，必须对f t u 进行整定，并且整定值应能随着配网运行方式的改变而自适应。，。( 9 ) 自检和自恢复功能。f t u 应具有自检测功能，并在设备自身故障时及时告警。f t u 应具有可靠的自恢复功能，一旦受干扰造成死机时，则通过监视定时器重新复位系统恢复正常运行。( 1 0 ) 远方控制闭锁与手动操作功能。在检修线路或开关时，相应的f 1 u 应具有远方控制闭锁的功能，以确保操作的安全性，避免误操作造成的恶性事故。同时f 1 u 应能提供手动合闸跳闸按钮，以备当通道出现故障时能进行手动操作，避免上杆直接操作开关。( 1 1 ) 远程通信功能。如果f t u 有标准的通信规约，只须提供标准的r s 2 3 2或r s - 4 8 5 接口就能和各种通信传输设备相连，实现远程通信功能。( 1 2 ) 抗恶劣环境。刑通常安装在户外，因此要求它在恶劣环境下仍能可靠的工作。( 1 3 ) 具有良好的维修性。由于f t u 安放于分段开关处，因此当f 1 u 故障时必须能够不停电检修，否则会造成较大面积停电为此，f t u 应能很方便地和开关隔离开来，有必要在t a 进线处采用试验端子，与开关之间采用航空插头6中南大学硕士学位论文第二章f t u 的工作原理及功能连接，加装电源保险，以及采用双层机壳等措施。( 1 4 ) 可靠的电源。当故障或其他原因导致线路停电时，f 1 u 应保持有工作电源，因为这时f 1 u 上报的故障信息对于故障区段的判断极有意义。此外，在恢复线路供电时，往往也需要可靠的操作电源。f 1 u 除基本功能外，还可以增设以下功能：( 1 ) 电度采集。f 1 u 对采集到的有功和无功功率进行积分可以获得粗略的有功和无功电能值，对于核算电费和估算线损有一定的意义。( 2 ) 微机保护虽然在选用柱上开关时，可以选择过流脱扣型设备，即利用开关本体的保护功能，但利用f r u 中的c p u 进行交流采样构成的微机保护，则具有更强的功能和灵活性。因为这样做可以使定值自动随运行方式调整，从而实现自适应的继电保护策略。( 3 ) 故障录波。尽管故障时电流、电压的波形记录是否具有作用仍是一个有争议的问题，但是对于我国这样的中性点不接地的配网，对零序电流的录波用来判断单相接地区段显然是十分有效的。2 3 论文研究的f t u 的主要功能( 1 ) 遥测功能。f 1 u 通过m c p 3 2 0 8 芯片采集线路的电压、开关经历的负荷电流和有功功率、无功功率等模拟量。通过测量故障电流以进行继电保护和判断故障区段；采用快速傅立叶变换算法f f t 检测电力系统的谐波，减少谐波的危害。( 2 ) 电度采集。采用s a 9 9 0 4 a 芯片，用来测量各相的无功及有功能量，对实现f 1 u 的电度采集这一功能提供了相当方便的方法。( 3 ) 遥控功能。采用8 2 5 5 芯片，实现开关量的输入输出功能，从而使f 1 u能够接受远方命令控制开关合闸和跳闸，以及起动储能过程等。( 4 ) 遥信功能和远程通信功能。通过实时性强、速率高的标准c a n 总线来进行通信的。区域工作站通过c a n 总线实现对柱上开关的当前位置、实时数据及储能完成情况等重要状态量进行遥信。( 5 ) 对时和事件顺序记录功能。采用x 1 2 2 7 的实时时钟芯片，使刑能够接受主系统的对时命令，以便和系统时钟保持一致，并且能够记录状态量发生变化的时刻和先后顺序。( 6 ) 遥调功能。通过c a n 总线适时调节f 1 u 数据，并对f 1 u 进行整定，整定值能随着配网运行方式的改变而自适应。( 7 ) 自检和自恢复功能。兀u 具有自检功能，并在设备自身故障时及时告警。刑通过看门狗电路还具有可靠的自恢复功能，一旦程序受干扰而跑飞时，看门狗电路就会产生复位信号，使f 1 u 重新复位。7中南大学硕上学位论文第二章f i u 的工作原理及功能( 8 ) 可靠的电源。采用带u p s 电源隔离变压器，其具有很高的共模抑制比，能有效地防止电网中噪声干扰；本次设计f 1 u 还配备1 2 v 1 0 a h 的蓄电池，当外部电源出现故障断电时，兀u 还能维持正常工作2 4 本章小结本章主要介绍了f 1 ： u 的工作原理和主要功能。f 1 u 与区域工作站、配电网自动化控制中心构成了强大的配电自动化系统，虽然f 1 u 处于配电网的最终端，但是其地位相当的重要，刖性能的好坏直接影响到配电自动化系统的水平。f 1 u 除了。遥信、遥测、遥控、遥调一四大功能外，还具有其他相当多的功能，如本文涉及到电度采集等功能。总之，为了实现其更多功能，需要更好的处理器和软件与之相匹配中南大学硕士学位论文第三章馈线终端单元f t u 的硬件设计第三章馈线终端单元f t u 的硬件设计3 1f t u 的总体结构的设计，针对所要实现的功能，提出了硬件基本结构如图3 - - 1 。硬件结构以s a m s u n g公司生产的核心板$ 3 c 2 4 1 0 为平台，添加其外围电路，从而实现其功能。硬件基本结构按功能大概分为以下几个部分：( 1 ) $ 3 c 2 4 1 0 核心板除了本次作为c p u的a r m 9 芯片外，还集成了6 4 ms d r a m 和1 6 m的f l a s h 芯片以及还具有很多有用资源，为我们的系统扩展提供了强有力的硬件平台。( 2 ) 模拟量采集转换部分，其中s a 9 9 0 4 a 芯片，用来测量各相的无功及有功能量、电压和频率：另外一个部分是应用m c p 3 2 0 8 芯片，用来作为采样电路，来对电路的电压和电流进行采集，从而实时进行图3 - 1 系统结构框图继电保护和判断故障区段；并且采用快速傅立叶变换算法f 兀检测电力系统的谐波，减少谐波的危害。( 3 ) 开关量输入输出部分，1 6 路带光电隔离的数字量输入输出通道，有效控制开关设备的分合闸动作，并实时监视其位置状态变化，以及起动储能过程等。( 4 ) 时钟电路，为数据提供时间标记，并支持远方对时。( 5 ) 通信接口部分，利用c a n 总线实现对柱上开关的当前位置、实时数据及储能完成情况等重要状态量进行遥信。( 6 ) 系统自动复位部分，通过看门狗电路实现系统的自动复位功能。( 7 ) 键盘和l c d 显示部分。通过操作键盘可以实现所有参数的就地设置，l c d 液晶显示屏可以实现各种参数的循环显示和指定显示。( 8 ) 电源供应部分，为系统的正常工作提供可靠的电源供应，并在线路断电下仍可在一定时间内持续供电，维持系统的正常运行。在后面的章节中将分模块对f t u 装置的硬件设计作详细介绍。3 2a r m 9 ( s 3 c 2 4 1 0 x ) 简介a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术知识产权9中南大学硕士学位论文第三章馈线终端单元f t u 的硬件设计( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。目前a r m 有a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m i o e 、s e c u r c o r e 、i n t e r 的x s c a l e 、i n t e r 的s t r o n g a r m 等系列，其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m io e 为4 个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。s e c u r c o r e 系列专门为安全要求较高的应用而设计。在本次设计中我们采用功能强大的a r m 9 系列，a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，它除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，还具有如下特点：( 1 ) 5 级整数流水线，指令执行效率更高。( 2 ) 提供1 1 m i p s 删z 的哈佛结构。( 3 ) 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。( 4 ) 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口+( 5 ) 全性能的删，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系统。一( 6 ) m p u 支持实时操作系统。：( 7 ) 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，以适用于不同的应用场合。系统采用的是$ 3 c 2 4 1 0 x 核心板，该核心板由a r m 9 芯片，6 4 ms d r a m 以及1 6 m 的f l a s h 构成，为设计者的应用研发提供了足够的空间$ 3 c 2 4 1 0 x 是三星公司推出的1 6 3 2 位r i s c 微处理器，它是为应用于小型掌上设备和高性价比、低功耗、高性能的嵌入式系统应用而提供的微控制解决方案。$ 3 c 2 4 1 0 x 使用了a r m 9 2 0 t 内核，内部集成了微处理器和一些手持设备的常用外围组件，特别适用于手持产品$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器是一个多用途的通用芯片，它内部集成了微处理器和常用外围组件，可用于各种领域。它是应用于手持设备的低成本实现，提供了更高性价比。图3 - 2 为$ 3 c 2 4 t 0 x 核心板电路。3 3 测量模块：测量模块分为两个部分，一个部分是应用s a 9 9 0 4 a 芯片【6 】，用来测量各相的无功及有功能量、电压和频率；另外一个部分是应用m c p 3 2 0 8 芯片，用来作为采样电路，来对电路进行谐波分析。1 0中南大学硕士学位论文第三章馈线终端单元f t u 的硬件设计i n t e r f a c e s图3 - 2 $ 3 c 2 4 10 x 核心板电路3 3 1s a 9 9 0 4 a 简介s a 9 9 0 4 a 芯片是s a m e s 公司推出的双向三相电表集成电路芯片，可用来测量各相的无功及有功能量、电压和频率。s a 9 9 0 4 a具有如下性能：( 1 ) 可实现双向有功和无功功率的测量；( 2 ) 可完成对电压和频率的测量；( 3 ) 采用三相独立检测：( 4 ) 具有s p i 接口总线；e l肾髓阻田图3 - 3s a 9 9 0 4 a 内部电路图( 5 ) 符合i e c 5 2 1 1 0 3 6 一级交流电表的规范要求；( 6 ) 符合无功电表i e c l 2 6 8 的规范要求；( 7 ) 具有静电保护功能；( 8 ) 总功耗小于5 0 m w ；中南大学硕士学位论文第三章馈线终端单元f t u 的硬件设计( 9 ) 使用电流互感器感应电流；( 1 0 ) 工作温度范围宽；( 1 1 ) 片内含有基准电压源。表3 - 1s a 9 9 0 4 管脚说明管脚名称说明1 61 41 7 。2 0 、31 8 1 、41 9 2 、51 37g n i )v d di v s si v p l i v p 2 i 、r p 3i i p l 、i i p 2 、i i p 3i i n l i i l q 2 i i n 3c sf 1 5 0地电源正极电源负极分别为l ，2 、3 相模拟电压输入分剐为l ，2 ，3 相电流传感器输入分别为l 、2 、3 相电流传感器输出片选电压过零输出s a 9 9 0 4 a 可通过串行外围接口总线( s p i ) 访问相应的2 4 b i t 寄存器，其内部电路如图3 - 3 。s a 9 9 0 4 a 采用2 0 脚d i p 封装，管脚说明如表3 - 1 所列，其f 1 5 0管脚可输出电压过零脉冲。s a 9 9 0 4 a 的s p i 接口为三态输出，因而可以将一台以上的测量设备连接在一条s p i 总线上。s a 9 9 0 4 a 中的s p i 总线是微控制器和s a 9 9 0 4 a 之间进行数据传输的同步总线。s a 9 9 0 4 a 每相包含四个2 4 b i t 寄存器，可分别用于存储有功功率、无功功率、电压和频率。序列1 1 0 必须加在寄存器的6 b i t 地址之前，以表示随后读入的是寄存器地址。当c s 置高时，管脚d i 上的数据在s c k 的上升沿输入s a 9 9 0 4 a 。图3 - 4 是s p i 接口的时序图，d i 输入的是s 伍岱旷矾且n n r 乙wx舢几几凡毗难vj读命令寄存器地址了了订o 瞒l m l a 3 1 2 l l i 肋碍稃器数獭下一诺荔器数蓐离限b蹴喇吆i lld i l 涮i m ii p l lcb图3 - 4s p i 口时序图1 1 0 a 5 a 4 a 3 a 2 a 1a 0 ，其中a i a 5 是寄存器地址，见表3 2 。寄存器可以被随机或顺序读取。当s c k 的上升沿检测到地址的最低有效位输入后，d o 就在s c k 的下降沿置0 ，随后s c k 管脚的每个下降沿都会使d o 管脚的数据有效。1 2中南大学硕士学位论文第三章馈线终端单元f t u 的硬件设计每个寄存器能存储2 4 b i t 的数据，最高有效位先移出。s a 9 9 0 4 a 中的有功和无功寄存器为2 4 b i t 加减计数器，寄存器的值在正功时增大，在负功时减小。有功和无功寄存器在存取后并不清零，所以为了确定寄存器的真实值，以前的值应该从当前值中减去。从寄存器中读取的数据反映这段时间有功功率和无功功率的能量，它的增减表示能量的变化。有功和无功寄存器每5 2 秒循环计数一次。表3 - 2s a 9 9 0 4 a 寄存器地址i dr e g u s t e rh e a d b i ta 5 a 4 a 3 a 2a 1a 01相1 有功110 xx0000相1 无功ll相l 电压1l相1 频率ll相2 有功ll相2 无功ll相2 电压1l相2 频率ll相3 有功ll相3 无功11相3 电压ll相3 频率11图3 - 5 三相电源测量模块电路原理图1 3l0l0lo10lol0l10olloollo0o1lll0o0o000ooo0lll1xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx000oo0o0o000l2234567891l1中南大学硕士学位论文第三章馈线终端单元f t u 的硬件设计在额定电流内，电阻值应该设置在输入电流为1 6i ia 的位置，而实际进入电压检测输入的电流应设置在1 4i ia ，电源电压经过电阻分压为每相1 4 v 。s c k管脚的时钟信号用于同步微控制器和s a 9 9 0 4 a 的数据交换，该信号是由微控制器产生的，它决定着d o 和d i 管脚的数据传输率。串行时钟决定数据输出的速率。当c s 为低电平时，输出为三态。具体s a 9 9 0 4 a 测量模块电路原理见图3 5 。3 3 2 采样电路采样电路采用m c p 3 2 0 8 芯片i t 。1 3 】，硬件原理如图3 6 所示。j p l 为8 个模拟图3 - 6s p i 接口8 路1 2 位a d 转换量输入端子；j 1 为m c p 3 2 0 8 ，j 2 为s p i 、片选信号( g p h 4 ) 及电源接口；u 1 为d c d c 电源模块，输入电压为2 7 5 5 v 时，输出5 v 标准电压；c l 旁路电容器滤除高频噪声，降低噪声干扰。采用d c d c 模块给a d 转换电路提供一个干净的地，降低电源噪声干扰。m c p 3 2 x x 系列a d 转换器是m i c r o c h i p 公司在继8 位微功耗单片机之后，进军模拟器件市场的一成功之作。它总结了以往模拟器件厂商生产模数转换器( a d c ) 的经验，将其在单片微功耗技术的经验应用于a d 转换器而开发出一系列高性价比的1 2 位逐次渐近型a d 转换器m c p 3 2 x x ，m c p 3 2 0 8 最p 是其中一例。m c p 3 2 0 8 主要由输入通道选通开关、采样保持单元、数据转换器( d a c ) 、比较器、1 2 位逐次逼近寄存器( s a r ) 、控制逻辑单元和移位寄存器等部分组成。其转换原理是：通过比较器，利用已知的标准电压与被测电压进行比较，当被测电压与标准电压相等时，则该标准电压即为a d 转换的结果。标准电压是按照二进制编码变化的可变量，通常它是由逐次逼近寄存器( s a r ) 和d a c 产生的。s a r用于产生一个二进制编码的数字量，d a c 将这个数字量转换成模拟电压即为标准电压，s a r 的位数决定了a 0 转换器的分辨率，同时s a r 的位数又决定了a d 转换器完成一次转换过程中标准电压与被测电压比较的次数，也就是说决定了完成一次1 4中南大学硕士学位论文第三章馈线终端单元f t u 的硬件设计 o 转换的所需要的时间。每次进行a d 转换的通道号通过控制逻辑选取，而转换后的二进制数据则通过移位寄存器串行输出。3 4 开关量输入输出模块开关量分为开关量输入和开关量输出两个部分，在本系统中，。开关量主要是开关的合、分闸信号，开关状态、弹簧蓄能、交流失电、电池故障等信号，由于开关信号传输的距离比较远，容易受n j i 界的干扰，确保开关动作的可靠性至关重要，所以开关量的输入输出应确保可靠，并具有良好的抗干扰的能力【1 9 1 。在本系统中，开关量的输入输出采用8 2 5 5 芯片【麓嘲，该芯片是一块专门的i o 集成芯片，它在本系统中的地址为7 0 0 0 h 7 0 0 3 h ，顺序对应它的a 口地址，b 口地址，c 口地址和控制寄存器地址。本文设置8 2 5 5 为基本输入、输出模式( o 模式) 。其中a 口工作于输出方式，b1 2 1 、c 口工作于输入方式。- 卜斗髟2l 一7o广舶。玲#l 1 1 一嚣p 43 9望1 78 2 5 5p 7翌垤f ；1 0 11 9 1 ，o 、任务间同步和通信( 信号量和邮箱等) ，存储器优化管理( 含r 伽的管理) 、实时时钟服务、中断管理服务。实时操作系统具有如下特点：规模小，中断被屏蔽的时间很短，中断处理时间短，任务切换很快。实时操作系统可分为可抢占型和不可抢占型两类。对于基于优先级的系统而言，可抢占型实时操作系统是指内核可以抢占正在运行任务的c p u 使用权并将使用权交给进入就绪态的优先级更高的任务，是内核抢了c p u 让别的任务运行。不可抢占型实时操作系统使用某种算法并决定让某个任务运行后，就把c p u 的控制权完全交给了该任务，直到它主动将c p u 控制权还回来。中断由中断服务程序来处理，可以激活一个休眠态的