CN109950976A - 基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端，涉及供电网络安全及电气设备技术领域，以DSP芯片TMS320F28335为核心处理器，利用片上自带两路串口实现S232/RS485通讯，外扩W5100进行以太网通讯，利用芯片I/O管脚通过光隔控制实现遥控，总线扩展16位高精度AD芯片ADS8556实现遥测，总线接口光电隔离实现遥信。本发明的有益效果是可以实现：1、微信号的高精度数据采集计算；2、配网零序功率保护；3、配网接地复合电流保护；4、超低功耗的嵌入式硬件平台。
Description
技术领域
本发明涉及供电网络安全及电气设备技术领域，尤其涉及一种基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端。
背景技术
随着经济社会发展，各行各业对供电可靠性的要求越来越高。供电可靠性是电力系统的重要考核指标，目前国家电网公司考核供电可靠性的指标包括：跳闸率、客户投诉率、配电停运率等。
在电网结构中，配电网由于量大、面广，线路上分支较多，网络结构复杂，故障点多，特别是短路电流较小的单相接地故障发生的次数更多，占各种故障的绝大部分。通过技术手段，实现故障就地切除、缩小停电范围、缩短停电时间，提高供电可靠性势在必行。
馈线自动化保护终端通过实时采集、分析故障信号特征，选择性的切除配电线路故障，自动上送故障记录和录波数据，可以极大地提高供电可靠性，并为不同网络结构下的不同故障类型提供分析依据，具有良好的社会意义和经济价值。
现有馈线自动化保护终端，还存在如下几个方面的不足：
(1)微信号的高精度数据采集计算
配电线路多采用不接地或小电流接地系统，发生单相接地故障时，由于不能形成回路，导致线路上的故障电流非常小。同时，由于配电线路较短，发生相间短路时故障电流又比较大。这就要求馈线保护终端必须兼顾小信号的采样精度和大信号时的采样范围，而现有馈线自动化保护终端不能实现。
(2)配网零序功率保护
无法实现接地故障检测，无法实现全相保护，无法实现在投入电阻的情况下和无电阻的情况下，都能有效判别接地故障。
(3)配网接地复合电流保护
不能实现配网接地故障的准确检测，未实现最简化配置，检测阻抗有限。
(4)超低功耗的嵌入式硬件平台
配电网在逐步推广CVT互感器的应用，该互感器在高精度、轻量化的同时，输出功率有限。为此，配电自动化保护终端必须严格控制整体功耗，计划设计功耗在5W以内(含储能电容和蓄电池的充电功率)，而现有馈线自动化保护终端不能实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端，以解决上述技术问题。
本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：
一种基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端，其特征在于：以DSP芯片TMS320F28335为核心处理器，利用片上自带两路串口实现S232/RS485通讯，外扩W5100进行以太网通讯，利用芯片I/O管脚通过光隔控制实现遥控，总线扩展16位高精度AD芯片ADS8556实现遥测，总线接口光电隔离实现遥信。
进一步的优选，包含交流采集模块，交流采集模块由交流变换器、前置变换电路、AD芯片、AD芯片和CPU芯片之间的接口电路构成，采集4个电压、4个电流，可完成1回线的交流采样。
进一步的优选，交流变换器由电压变换器和电流变换器组成，电压变换器输入电压300VAC，输出电压4VAC，可以采集到标称电压的120％；电流变换器电流输入最大达到100A，输出电压为3.53VAC；整个输出电压不超过AD芯片的输入电压范围，采集量精度0.5％，计算量精度1％。
进一步的优选，包含遥控模块，实现6路遥控输出，实现对2回线的控制操作，输出接点容量达到250VAC10A；遥控输出采用光电隔离，并由CPU的双I/O口进行差动驱动，保证在任何情况下都不会出现误动；同时，对遥控回路的电源进行控制，只有在进行遥控时才进行加电，进一步提高可靠性。
进一步的优选，包含遥信模块，实现16路遥信采集，遥信回路接口电平为24VDC，遥信回路采用光电隔离，并采取部分滤波措施，保证正常反应外部电平信号变化，同时屏蔽扰动干扰。
进一步的优选，包含通信模块,通信模块实现2路RS-232/485串口，1路以太网接口,串口通信采用自带的2路串口，通信速率9600BPS；以太网采用以太网硬件协议栈芯片W5100进行扩展，W5100和CPU之间采用外部总线接口，保证数据处理能力。
进一步的优选，包含数据存储模块，采用FLASH存储器,存储容量不小于1M字节，实现终端参数的存储和定点电流量的数据存储，存储数据掉电不丢失。
进一步的优选，包含时钟模块，提供系统需要的时钟信号，每天走时误差不大于5S，采用Rx8025时钟芯片，并提供备用电池，保证在系统失电后时钟芯片能正常工作。
进一步的优选，包含温度采集模块，采集装置内部的温度参数，采用TMP121温度采集芯片，采集周期为1S。
进一步的优选，包含电源管理模块，提供电源管理需要的遥信、遥控信号；采用带有蓄电池管理功能的AC-DC电源，通过主站或自动对电源进行维护；提供3路遥控和6路遥信完成蓄电池管理功能。
本发明的有益效果是：
1、微信号的高精度数据采集计算
可以完成4路电压、4路电流的高精度采样计算。
馈线保护终端兼顾小信号的采样精度和大信号时的采样范围，以满足以下情况的需求：“配电线路多采用不接地或小电流接地系统，发生单相接地故障时，由于不能形成回路，导致线路上的故障电流非常小。同时，由于配电线路较短，发生相间短路时故障电流又比较大”。
将采用两个AD通道，分段采集交流电流信号，一个通道负责小信号采集，一个通道负责正常信号范围采集，这样既兼顾小信号的采样精度，又保证了大信号时的采样范围。
2、配网零序功率保护
利用功率保护实现接地故障检测。有功功率保护与无功功率保护复合，实现全相保护。接地保护实现在投入电阻的情况下和无电阻的情况下，都能有效判别接地故障。
3、配网接地复合电流保护
对配网接地电流参数，进行相序分解，并对分解后的序分量进行比率计算，实现配网接地故障的准确检测，实现最简化配置，检测阻抗达到千欧级。
4、超低功耗的嵌入式硬件平台
配电网在逐步推广CVT互感器的应用，该互感器在高精度、轻量化的同时，输出功率有限。为此，配电自动化保护终端严格控制整体功耗，设计功耗在5W以内(含储能电容和蓄电池的充电功率)。
附图说明
图1为本发明的硬件系统结构框图；
图2为本发明的主流程执行顺序示意图；
图3为本发明的交流采样模块的流程图；
图4为本发明的数据计算模块的流程图；
图5为本发明的保护处理模块的流程图；
图6为本发明的保护处理模块的流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。
下面结合附图描述本发明的具体实施例。
实施例1
如图1所示，基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端，以DSP芯片TMS320F28335为核心处理器，利用片上自带两路串口实现S232/RS485通讯，外扩W5100进行以太网通讯，利用芯片I/O管脚通过光隔控制实现遥控，总线扩展16位高精度AD芯片ADS8556实现遥测，总线接口光电隔离实现遥信。
包含交流采集模块，交流采集模块由交流变换器、前置变换电路、AD芯片、AD芯片和CPU芯片之间的接口电路构成，采集4个电压、4个电流，可完成1回线的交流采样。
交流变换器由电压变换器和电流变换器组成，电压变换器输入电压300VAC，输出电压4VAC，可以采集到标称电压的120％；电流变换器电流输入最大达到100A，输出电压为3.53VAC；整个输出电压不超过AD芯片的输入电压范围，采集量精度0.5％，计算量精度1％。
包含遥控模块，实现6路遥控输出，实现对2回线的控制操作，输出接点容量达到250VAC10A；遥控输出采用光电隔离，并由CPU的双I/O口进行差动驱动，保证在任何情况下都不会出现误动；同时，对遥控回路的电源进行控制，只有在进行遥控时才进行加电，进一步提高可靠性。
包含遥信模块，实现16路遥信采集，遥信回路接口电平为24VDC，遥信回路采用光电隔离，并采取部分滤波措施，保证正常反应外部电平信号变化，同时屏蔽扰动干扰。
包含通信模块,通信模块实现2路RS-232/485串口，1路以太网接口,串口通信采用自带的2路串口，通信速率9600BPS；以太网采用以太网硬件协议栈芯片W5100进行扩展，W5100和CPU之间采用外部总线接口，保证数据处理能力。
包含数据存储模块，采用FLASH存储器,存储容量不小于1M字节，实现终端参数的存储和定点电流量的数据存储，存储数据掉电不丢失。
包含时钟模块，提供系统需要的时钟信号，每天走时误差不大于5S，采用Rx8025时钟芯片，并提供备用电池，保证在系统失电后时钟芯片能正常工作。
包含温度采集模块，采集装置内部的温度参数，采用TMP121温度采集芯片，采集周期为1S。
包含电源管理模块，提供电源管理需要的遥信、遥控信号；采用带有蓄电池管理功能的AC-DC电源，通过主站或自动对电源进行维护；提供3路遥控和6路遥信完成蓄电池管理功能。
基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端，软件功能模块划分如下：
模块1：主流程模块
功能要求：整个产品的工作流程。
设计思路：
由于FTUL112-ZXJY1 BR1.0.0不考虑使用操作系统，整个产品的主流程是各个模块的顺序执行，流程图如图2所示。
模块2：交流采样模块
功能要求：完成4路电压、4路电流的交流采样。
设计思路：
每周期采集32点，采用定时器1控制采样间隔为0.625ms。定时中断后，启动AD采样过程，采样完成后，读取对应采样结果。这样，连续完成32次采样后即可得到一个周期的离散采样值。对应的流程图如图3所示：
模块3：数据计算模块
功能要求：计算电压、电流、功率等电力参数。
设计思路：
采集完每个周期的32个离散值后，进行FFT变换，可以得到各次谐波的实部和虚部。其中，基波对应的实部和虚部的均方根即为对应通道的电压、电流的有效值，同样，根据各次谐波对应的实部和虚部也可得到各次谐波的有效值。功率采用积分的方法进行计算。对应的流程图如图4所示：
模块4：保护处理模块
功能要求：处理相间短路和单相接地短路
设计思路：
相间短路把各相电流的大小作为启动条件，依据经典的继电保护理论进行判断。单相接地保护根据零序电流的大小进行判断。如图5、6所示：
模块5：数据存储模块
功能要求：定点存储电流数据
设计思路：
根据相关标准要求，FTU终端要具备存储定点电流量的功能。我们计划存储每15分钟的电流数据，每个点12个字节，每小时48个字节，每天1152个字节，计划存储2周的数据需要17280个字节。
作为优选，本实施例给出一种馈线自动化保护终端的硬件参数，但并不用来限制终端的其他参数和结构形式。
箱体外形尺寸700mm×470mm×250mm。
整个箱体主要包含配电终端箱体壳体，门,电线固定片，门止动，电池固定架，安装板，固定架，箱体支撑；
其中安装板的尺寸大致为450mm×210mm
箱体壳体的尺寸为700mm×470mm×250mm
箱体内部的主要包含:
面板及芯片组合,其大致尺寸为350mm×230mm×85mm
电池，其尺寸为130mm×150mm×95mm
电源，其尺寸为170mm×110mm×45mm
Gps信号器，其尺寸为110mm×70mm。
其中各元器件分布在安装底板上，本地控制电路安装在控制门上。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端，其特征在于：以DSP芯片TMS320F28335为核心处理器，利用片上自带两路串口实现S232/RS485通讯，外扩W5100进行以太网通讯，利用芯片I/O管脚通过光隔控制实现遥控，总线扩展16位高精度AD芯片ADS8556实现遥测，总线接口光电隔离实现遥信。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端，其特征在于：包含交流采集模块，交流采集模块由交流变换器、前置变换电路、AD芯片、AD芯片和CPU芯片之间的接口电路构成，采集4个电压、4个电流，可完成1回线的交流采样。
3.根据权利要求2所述的基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端，其特征在于：交流变换器由电压变换器和电流变换器组成，电压变换器输入电压300VAC，输出电压4VAC，可以采集到标称电压的120％；电流变换器电流输入最大达到100A，输出电压为3.53VAC；整个输出电压不超过AD芯片的输入电压范围，采集量精度0.5％，计算量精度1％。
4.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端，其特征在于：包含遥控模块，实现6路遥控输出，实现对2回线的控制操作，输出接点容量达到250VAC10A；遥控输出采用光电隔离，并由CPU的双I/O口进行差动驱动，保证在任何情况下都不会出现误动；同时，对遥控回路的电源进行控制，只有在进行遥控时才进行加电，进一步提高可靠性。
5.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端，其特征在于：包含遥信模块，实现16路遥信采集，遥信回路接口电平为24VDC，遥信回路采用光电隔离，并采取部分滤波措施，保证正常反应外部电平信号变化，同时屏蔽扰动干扰。
6.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端，其特征在于：包含通信模块,通信模块实现2路RS-232/485串口，1路以太网接口,串口通信采用自带的2路串口，通信速率9600BPS；以太网采用以太网硬件协议栈芯片W5100进行扩展，W5100和CPU之间采用外部总线接口，保证数据处理能力。
7.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端，其特征在于：包含数据存储模块，采用FLASH存储器,存储容量不小于1M字节，实现终端参数的存储和定点电流量的数据存储，存储数据掉电不丢失。
8.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端，其特征在于：包含时钟模块，提供系统需要的时钟信号，每天走时误差不大于5S，采用Rx8025时钟芯片，并提供备用电池，保证在系统失电后时钟芯片能正常工作。
9.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端，其特征在于：包含温度采集模块，采集装置内部的温度参数，采用TMP121温度采集芯片，采集周期为1S。
10.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的馈线自动化保护终端，其特征在于：包含电源管理模块，提供电源管理需要的遥信、遥控信号；采用带有蓄电池管理功能的AC-DC电源，通过主站或自动对电源进行维护；提供3路遥控和6路遥信完成蓄电池管理功能。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190628 |