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山东科技大学学士学位论文 摘 要

摘 要

随着对配电网自动化的要求的提高，作为其重要设备的FTU的性能也应提高。针对当今市面上的终端设备的不足，本文尝试给出一种功能强大、性价比高、可推广性强的FTU装置。本设计采用当前流行的嵌入式技术和数字信号处理技术来完成核心处理器，采用以ARM9与TMS320LF2407A有机结合的双CPU构架，这种设计稳定、高效、节能，优于以往FTU的核心处理器的设计。本设计采用当前非常先进以太网通信方式，较以往FTU的通信方式网络化更强，信息传输能力更为强大。本设计除了在核心处理器和通信方式上有明显优势外，在其他部分亦有改进。希望这种装置在相当长的时间内都保持优越性。本文讲述了笔者对馈线自动化的理解，介绍了设计过程，给出了FTU的硬件结构设计和软件设计。

关键词：双CPU，嵌入式，AT91RM9200，TMS320LF2407A，以太网

Abstrast

As requirements of the distribution network automation increasing, the major equipment , FTU performance, should also be improved. To the old terminal equipments’ deficiencies, this paper tries to give a powerful, cost-effective, strong promotion of FTU device. This kind of FTU uses ARM9 and TMS320LF2407A organic combination of double CPU structure. It is high efficiency, energy saving, stability, better than the previous FTU core processor design. The current design using highly advanced Ethernet communication mode, compared to the previous FTU communication mode of network information transmission ability stronger, more powerful. This design in addition to the core processor and communication mode has obvious advantages, in the other part are improved.Hoping this FTU will be advanced for a long time

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in the future. This paper mainly introduces the FTU hardware structure and the main algorithm, and gives the hardware circuit.

Key words:Double CPU,embedded,AT91RM9200,TMS320LF2407A, Ethernet

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目 录

1 绪 论 .............................................................................................. 1

1.1 本课题的研究目的和意义 .................................................................... 1 1.2 本课题的主要研究内容（提纲） ........................................................ 2 1.3 文献综述（国内外研究情况及其发展） ............................................ 3 1.4 拟解决的关键问题 ................................................................................ 4 1.5 研究思路和方法 .................................................................................... 5 1.6 本课题的进度安排 ................................................................................ 5

2 系统设计及原理 ............................................................................ 6

2.1 双CPU构架 .......................................................................................... 6 2.2 系统结构设计 ........................................................................................ 6

3 硬件设计 ........................................................................................ 8

3.1 处理器的设计 ........................................................................................ 8 3.2 模拟量输入电路的设计 ...................................................................... 13 3.3 开关量输入/输出回路的设计 ............................................................. 16 3.4 频率测量电路的设计 .......................................................................... 17 3.5 通信单元设计 ...................................................................................... 18 3.6 电源设计 .............................................................................................. 21

4 算法设计 ...................................................................................... 23

4.1 电网参数的计算 .................................................................................. 23 4.2 故障判断算法 ...................................................................................... 24 4.3 FIR滤波算法 ........................................................................................ 27

5 软件设计 ...................................................................................... 30

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5.1 主程序 .................................................................................................. 30 5.2 通信中断程序 ...................................................................................... 32

6 总结与展望 .................................................................................. 34

6.1 总 结 .................................................................................................... 34 6.2 展 望 .................................................................................................... 35

参考文献 .......................................................................................... 36 致 谢 ................................................................................................ 39 附录 .................................................................................................. 40

附录 1 ......................................................................................................... 40 附录 2 ......................................................................................................... 63

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1 绪 论

1.1 本课题的研究目的和意义

长期以来，我国配电网的建设未得到应有的重视，建设资金短缺，设备技术性能落后，事故频繁发生，严重影响了人民生活和经济建设的发展，随着电力的发展和电力市场的建立，配电网的薄弱环节显得越来越突出，形成了与电网建设不协调的局面。

配电网自动化的发展是电力市场和经济建设的必然结果，而随着配电自动化的快速发展，用户对供电质量和供电可靠性的要求越来越高。馈线自动化是配电自动化的重要内容之一，它对于增强供电可靠性、提高电能质量、节能减损来讲至关重要。馈线自动化远方终端是馈线自动化的基础控制单元，对实现馈线自动化乃至配电自动化起着十分重要的作用。

我国电网建设、发展落后于国外，而众所周知，电力行业与国民经济息息相关，电力电网建设的落后会使得其他行业的发展滞后。因此，加快电网建设、实现配电网自动化刻不容缓。本课题将研究如何将当前最新技术用到配电网自动化中，设计一个馈线远方终端[1][2]。

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1.2 本课题的主要研究内容（提纲）

1.2.1 技术背景

（1）我国目前配电网自动化的现状及发展方向； （2）馈线远方终端的基本结构与要求； （3）FTU在我国的发展状况以及存在的缺陷； （4）国外技术发展情况。 1.2.1 预期功能

（1）遥测功能

系统应具有对各配电回路的电流、电压、功率、电度和功率因数等电量进行遥测的功能，并将以上实时数据进行实时显示，另外将以上数据通过远动传输通道传送倒上位机，经上位机计算分析处理和显示，以实现对各种电量正常值和越限值的远方测量。

（2）遥信功能

系统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，并通过网络向上位机及时汇报，以实现对柱上开关跳合闸位置信号、各种保护动作信号以及事故报警信号的远方提示作用。

（3）遥控功能

FTU应能接受远方命令，控制柱上开关合闸和跳闸以及起动储能过程。 （4）统计功能

FTU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）系统对时功能

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FTU应能接受主系统的对时命令，以便和系统时钟保持一。 1.2.3 终端装置的设计

（1）硬件电路设计； （2）软件设计。

1.3 文献综述（国内外研究情况及其发展）

1.3.1 国外配电自动化发展情况

从20世纪30年代英国开发出用时间开关控制用户负荷的装置开始算起，配电自动化大致而言经历了三个发展阶段。第一阶段在20世纪50年代应用了自动隔离故障区间的时限顺序送电装置，主要目标是加快查找故障地点和在重要线段进行故障自动隔离，这一时期可称为局部自动化阶段。第二阶段开始于20世纪70年代，各种开关的远程监控装置和电量自动测量装置投入应用，特别是随着计算机及通信技术的发展，形成了包括远程监控、故障隔离、负荷管理等功能在内的配电自动化技术。1988年IEEE出版的刊物中，比较正式地提出了配电自动化的概念，标志着开始形成真正具有现代化意义的配电自动化，这一时期可称为监控自动化阶段。第三阶段开始于20世纪末期，开始研发地理信息系统并应用于配电自动化，建立了自动绘图、设备管理、地理信息系统(AM/FM/GIS)，实施离线的配电管理系统与在线的实时系统的数据集成，进入了运行监控结合设备及需求侧管理的综合性自动化发展阶段[3]。配电自动化是在不断的发展中逐步完善的。 1.3.2 国内配电自动化发展情况

国内配电自动化起步于90年代，滞后国外约20年。近年来我国许多地区已经在不同层次、不同规模上进行了配电网自动化的试点工作，也取得了相当的成绩。但由于几乎所有的配电网自动化试点都是开环运行模式，

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故障恢复时间都在30秒以上甚至到分钟级，所以不能满足对供电可靠性要求更高的用户，只能采取双回甚至多回供电、自备发电、大容量UPS等高成本方式来弥补。因此，闭环运行方式的配网自动化系统具有提高配电网运行的可靠性的重要意义。电力系统自动化是个综合的整体范畴，早期自动化的发展是孤立的，互不联系、互不影响的，这一阶段又被形象的成为岛自动化。随着信息技术的迅猛发展，各自动化孤岛的互联成为电力系统自动化的热点和流行趋势。软件工程的新思想新成果也为统一的、综合的大型自动化系统的实现奠定了基础。当前我国电网自动化的热点领域有两个：变电站综合自动化，配电自动化。前者已经在国内广泛应用并取得令人鼓舞的经济、社会效益。后者已经为国家的重点基础投入之一[4][5]。 1.3.3 馈线远方终端发展趋势

馈线自动化是配电网自动化系统的核心功能之一，而馈线远方终端则是实现FA 的关键终端设备。目前，应用较多、影响较大的FTU 设备是在20 世纪90 年代初期推出的Distribution Automation RTU( DART)。该产品采用了当时先进的8 bit单片机(MC68HC11)和16 bit DSP(ADSP2105) 的双处理器架构，以技术先进、可靠性高而闻名。虽然，DART 采用的硬件平台结构先进，但由于受限于当时的集成电路工艺水平，采用的芯片已逐渐退出市场，且程序空间小、功能扩展有限。以高性能处理器代替传统单片机是一种趋势[6][7][8][9][10][11][12]。

1.4 拟解决的关键问题

1、主处理器的选择； 2、模拟量输入电路的设计； 3、开关量输入、输出回路的设计； 4、通信单元的设计；

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5、算法的选择。

1.5 研究思路和方法

1、根据FTU的预期功能，查阅相关资料，设计出总体方案。 2、首先明确各部分功能的实现原理，然后进行元器件的选择与论证。采用当今新型的元器件，确定具体型号，最后组合成一完整的硬件系统。

3、根据设计出的硬件电路，以及要实现各装置的功能，并查阅相关的资料，确定合适的软件算法，给出软件流程图。

1.6 本课题的进度安排

1-2周：熟悉设计题目，确定设计方案； 3-4周：查阅相关资料，撰写开题报告； 5-6周：毕业实习； 7-10周：硬件电路设计； 11-13周：软件设计；

14-15周：编写毕业设计技术文件：说明书和图纸； 16周：准备毕业答辩。

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山东科技大学学士学位论文 2 系统设计及原理

2 系统设计及原理

2.1 双CPU构架

处理器是FTU装置的核心部件，核心处理器的设计从根本上影响FTU的性能。最初以单片机作为FTU装置的处理器，虽然单片机价格便宜，但是其内存小，信息处理能力弱，稳定性不高，渐渐落后，不能满足但仅对配电装置的要求。近年来数字信号处理技术的飞速发展，DSP在各个领域的应用日益广泛，市场上出现了不少以DSP芯片为处理器的FTU。虽然其性能较之早年的以单片机为处理器的装置改良很多，但是，由于受单CPU构架的限制，DSP必须同时完成包括系统管理、数据处理、网络通信等在内的多项任务，负担很重，因而可靠性堪忧。并且由于各项任务耗时不同，这种单CPU结构的FTU效率并不高。为了从根本上提高处理器的效率和可靠性，必须从CPU的根本构造上进行改革，故本系统采用双CPU架构。由DSP负责模拟信号的采集和处理，MCU 完成遥信、遥控、通信、故障处理等功能，两个处理器通过双口RAM进行数据交互。耗时较长的定时遥信、遥测采集任务被单独划分出来由DSP完成；而主CPU将FTU需完成的其他任务划分成若干模块，定时读取DSP中的数据，响应任务的速度大大提高。这种方案不仅完全满足遥信、遥测的实时性要求，而且使整个系统的实时响应能力明显改善。另外，从节能角度上讲，双CPU的构架一定程度上降低了功耗[13]。

2.2 系统结构设计

本系统主要分为处理器模块、通信模块、模拟量输入模块、开关量输入输出模块、电源模块。结构框图如下图图1所示。各个模块具体电路的设计将在下文中讲述。

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电源 模拟量输入 开入量 光电隔离 二次电源 光电隔离 开出量 A/D MCU 双口RAM 以太网 DSP

图1 FTU系统结构框图

FTU从一次侧采集线路电压和电流，分别经电压互感器(PT)和电流互感器(CT)变换为标称值（100V、5A），然后经过调理电路放大、滤波后进入数模转换器(A/D)，在数模转换器中将模拟量转换为数字量；转换值读入DSP，由DSP完成FIR软件滤波，FFT计算，以及电网各个参数计算；数据处理结果经双口RAM传输给MCU；MCU 根据预设的故障判断参数判断线路工作状态，并实时采样开关状态，MCU连接以太网，FTU通过以太网与主站通讯，随时上报异常和故障，并接收主站遥控指令。由于FTU主要安放于室外电线杆上，只要装置硬件牢靠，预先设定好各项参数，一般不再需要人的干预，故本系统不考虑现场调试，不设计键盘和显示器。

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3 硬件设计

3.1 处理器的设计

3.1.1 主处理器

嵌入式技术是当今软硬件发展的潮流。利用该项技术和设计思想，可以采用“积木化”的组织方式来适应各种运行情况。由于现代工艺水平的提高，人们可以在芯片内集成尽量多的满足用户需求的接口或控制器，尽量少的扩展片外资源，一个嵌入式工业芯片组就是一个小规模的系统[14]。

ARM9系列处理器是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器,属于低功耗、高性能的微处理器，其结构见图2。ARM处理器采用RISC（Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机）架构,相对于传统的CISC(Complex Instruction Set Computer)不仅仅是简单地减少了指令，更使计算机的结构更加简单合理而提高了运算速度。ARM具有RISC结构的优点，同时支持Thumb( 16位) /ARM(32位)双指令集,大量使用寄存器, 寻址方式灵活简单，指令执行速效率更快。新一代的ARM9处理器，通过全新的设计，采用了更多的晶体管，能够达到两倍以上于ARM7处理器的处理能力。其实，现在比ARM9行能更高的的ARM9E等系列业已问世，ARM9E等系列上还集成了DSP，不过其价格、功耗远高于ARM9，究其性价比，还是选择ARM9更好。并且本设计采用双CPU构架，不必在主处理器上集成DSP[15][16]。

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复位及震荡电路 处理器 ROM RAM 系统专用电路 定时器 串口 中断控制 并口 输入/输出设备接口及驱动电路 图2 ARM内部结构框图

考虑到FTU的工作现场环境可能非常恶劣，FTU应具有防雨、防潮、防防腐蚀的特性，故本系统选用高性能、高稳定性的嵌入式工业芯片组AT91RM9200作为主处理器。该芯片为ARM920T内核，外设功能丰富，可与SDRAM接口，内存可达64MB，内部集成的5个串行口，支持无需CPU参与的DMA读写，大大减轻CPU的负担。AT91RM9200集成了许多标准接口，包括USB 2.0全速主机端口和设备端口、以及与多数外设和在网络层广泛使用的10/100 Base-T以太网媒体访问控制器（MAC）。此外，它还提供一系列符合工业标准的外设，可在音频、电信、Flash卡、红外及智能卡中使用。

表1 ARM9系列产品的性能特征

型 号 Cache容量（指令/数据）/KB ARM920T ARM922T ARM940T

16/16 8/8 4/4 无 无 无 MMU MMU MMU 9

有 有 有 有 有 有 无 无 无 紧密耦合存储器（TOM） 存储器管理 AHB总线接口 Thumb DSP 山东科技大学学士学位论文 6 总结与展望

3.1.2 从处理器

DSP是一种运算密集型的微处理器。数字信号处理的任务通常需要完成大量的实时计算,DSP处理器能够满足数字信号处理的实时性要求主要原因是DSP处理器在结构上具有与通用微处理器不同的特点,特别是在寻址和计算能力等方面作了很大的改进和扩充。本系统中从处理器的主要任务是进行大量的实时计算，故应选择DSP作从处理器。

TMS320系列的芯片在目前算较为先进、应用非常广泛的。TMS320系列DSP的采用哈佛结构，流水线操作，专用的硬件乘法器，特殊的DSP指令，快速的指令周期，能够实现快速的DSP运算，并且大部分运算都能在一个指令周期内完成。该芯片具有快速的数字信号处理能力，可以胜任12个模拟量在一个周波内完成128点FFT算。内部128kW的Flash 足够存放模拟量处理程序，外部也无需扩展高速SRAM，且具有加密功能。本系统的从处理器选用32bit定点DSP芯片TMS320LF2407A。TMS320LF2407A是目前产量比较大的一款定点DSP控制器，它采用了高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns(40MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力；集成了32K字的闪存(可加密)、2.5K的RAM、500ns转换时间的A/D转换器，片上事件管理器提供了可以满足各种电机的PWM接口和I/O功能，此外还提供了适用于工业控制领域的一些特殊功能，如看门狗电路、SPI、SCI和CAN控制器等，从而使它可广泛应用于工业控制领域。 3.1.3 双口RAM

双口RAM完成主从CPU之间的数据传输。双口RAM 是在一个SRAM 存储器上具有两套完全独立的数据线、地址线和读写控制线，并允许两个独立的

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系统同时对该存储器进行随机性的访问。即共享式多端口存储器。双口RAM最大的特点是存储数据共享。一个存储器配备两套独立的地址、数据和控制线，允许两个独立的CPU或控制器同时异步地访问存储单元。因为数据共享，就必须存在访问仲裁控制。内部仲裁逻辑控制提供以下功能：对同一地址单元访问的时序控制；存储单元数据块的访问权限分配；信令交换逻辑（例如中断信号）等。双口RAM可用于提高RAM的吞吐率，适用于作于实时的数据缓存。本设计使用美国IDT公司开发研制的高速16K×16bit双端口静态，它是真正的双口RAM,允许左右两端口同时读写数据，每个端口都有自己独立的地址线、控制线和数据线。其左右两端的管教功能如下表所示。

左端口 CEL R/WL BUSYL OEL AL0-AL13 I/OL0-I/OL15 SEML UBL LBL 右端口 CER R/WR BUSYR OER AR0-AR13 I/OR0-I/OR15 SEMR UBR LBR 功能 片选信号端 读写信号端 忙信号标志端 输出控制端 地址线 数据线 标志控制端 高8位存储单元选择端 低8位存储单元选择端 表2 IDT7026管教功能表

IDT7026可高速存取数据，能够与本设计所选的高速处理器配合而无需插入等待状态。另外，IDT7026还具有标识功能，传送数据时可灵活组成各种接口形式[17]。本设计中核心处理器的连接电路如图3所示。

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GND84I/O6I/O5I/O4I/O3I/O2I/O1I/O05150494847464576777879808182CELR/WLOELSEMLUBLLBLBUSYLCERR/WROERSEMRUBRLBRBUSYR7071727374758386858483828180I/O6I/O5I/O4I/O3I/O2I/O1I/O0GND01234CEEA0EA1EA2EA3567891011121314151617181819AREAWEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8DB9DB10DB11D11XINTTMS320LF2407AA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15Vcc0123456789101112131415161718192021222324252627282901234567891011121314151617181920212223242526272829AL0AL1AL2AL3AL4AL5AL6AL7AL8AL9AL10AL11AL12AL13I/O0I/O1I/O2I/O3I/O4I/O5I/O6I/O7I/O8I/O9I/O10I/O11I/O12I/O13I/O14I/O15AR0AR1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR8AR9IDT7026AR10AR11AR12AR13I/O0I/O1I/O2I/O3I/O4I/O5I/O6I/O7I/O8I/O9I/O10I/O11I/O12I/O13I/O14I/O15+3.33132333435363738394041424344474849505152535455565758596061621234567891011121314666768697071727374757677787980811112AB0AB1AB2AB3AB4AB5AB6AB7AB8AB9AB10AB11AB12AB13D16D17D18D19D20D21D22D23D24D25D26D27D28D29D30D31GND AT91RM9200PBNWR2NWR1PCIOA0A1A2A3A4D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14021345678505152535455565758596061626364VDD3.3VDD3.313CAPIGND1234748490GND+3.3+1.8RXD0RXD1RXD2VDD3.3VDD1.8TXD0TXD1TXD24445469GND+3.3

图3 核心处理器

双口RAM交换的数据：一种是由DSP定期写入MCU 上传给主站的线路信息，如线路的电压、电流、有功功率、无功功率、频率、开关设备的状态、动作记录等；另一种是MCU从主站接收的需要由保护CPU 来处理执行的命令以及保护CPU 执行相应命令后的响应，如定值调整、设备遥控等，它们较第一种数据具有优先处理权。两种数据被分别固定存储在双口RAM的不同区域中，CPU根据不同的数据类型对相应的区域进行读写操作。当出现第二种类型的新数据时，CPU会以中断的方式告知对方存在第二类数据更新，需要

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对方对数据进行及时处理。

3.2 模拟量输入电路的设计

模拟量的输入电路的设计对于FTU装置来说是至关重要的，因为FTU必须采集模拟量，通过各种运算来判断电路运行情况，并以次为依据作出正确的动作。模拟输入电路的主要作用是采集三相交流电压、电流,并转换成模拟量读入DSP。根据本设计中采用的故障判断算法（具体见下文），只需采集A、C两相的电压电流，即可判断故障，并对故障相进行定位，故系统设计四路模拟输入。TMS320LF2407A内部具有10位A/D转换模块，其输入范围为0~3.3V，转换速度为375ns。这对于一般的应用场合已经可以满足要求，但对于需要高精度或高速模数转换的场合，就需要外扩A/D。本设计中加入A/D转换器[18]。该模块结构框图如下图图4所示。

交流电压 PT 信号调理电路 A/D DSP 交流电流 CT

图4 模拟量输入模块结构框图

3.2.1 信号调理电路设计

模拟量输入采用交流采样技术, 电网的电压和电流先经过现场一次大

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功率电压互感器TV 和电流互感器TA变换成为0- 100V 和0-5 A 的交流电量, 再经过二次TV和TA变换成为0-5V的电压信号和0-1A的电流信号, 然后分别进入如图5、图6所示的模拟信号调理电路, 完成滤波处理、功率放大和阻抗匹配后, 输入DSP的A/D输入引脚。

R347K+15VTVR1+Ub10KTVR10561-UcC10.01uF-15VGND10KVD1 VD2L1TL062R1L1312Vin148

图5 电压信号调理电路

以A相电压为例，电网电压Ua首先经过电阻R1、R2变换成电流信号，然后将电流信号通过电阻R3和TL0621运算放大器转换为电压信号，输入A/D转换器的输入管脚。

R?47K+15VTA+IaL1312VD1VD1TL062Vin3-IaL2-15VTVR07180GNDC10.1uF48 图6 电流信号调理电路

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3.2.2 A/D芯片的选择

A/D芯片选用AD7864。一般的A/D转换器内部只有一个采样保持器，若要实现多路同时采样，或者使用多个A/D转换器，或者加额外的采样保持器。AD7864却可以直接适应这个需求，它是4通道同时采样的高精度A/D 转换器，高速并行输出接口与DSP芯片TMS320LF2407的外部存储器接口直接相连。该芯片是集成度高、12bit逐次逼近型ADC，具有最大4 LSBSINL和每通道250KS/s 的采样率，每通道还包含一个低噪声、宽带采样保持器。芯片采用并行方式与DSP接口，可保证数据读取的快速性，满足高采样速度和高精度的要求[19]。本系统中使用一个4—16译码器CD74HCT154实现A/D对DSP的EMIF的复用，只使用1片AD7864就可以完成所有模拟量的转换。模拟量与数字量转换电路如图7所示。

E2CD74HC7754E1A0A1A2A3404142434401234CEEA0EA1EA2EA339GNDGND0HCONVSTCS14153233Y0Y11Vin1RDWRDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8DB9DB10DB11EOC2Vin2AD78641617181920212223242526272829305678910111213141516171819AREAWED0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11XINTTMS320LF2407A3Vin34Vin413GNDINT 图7 模数转换电路

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3.3 开关量输入/输出回路的设计

FTU作为智能电器设备，其中一个重要功能就对外部设备做控制，所以有许多开关量要输入输出。 3.3.1 开关量输入回路的设计

开关量输入回路的主要作用是完成状态信号的输入，本设计中FTU主要安放于室外电线杆上，状态信号主要是指柱上开关的状态。状态量输入电路将开关的合分状态转换为电信号，考虑到FTU周围的电磁干扰，设计中采用光电隔离，可将干扰源和易受干扰的部分隔离，增强系统抗干扰能力。系统可采样6路输入，监视6路开关状态，每一路的实现电路如图7所示。

R1Ud4KC10.01uFR210KRXD0GND

图8 开关量输入电路

3.3.2 开关量输出回路的设计

开关量输出回路的主要作用是完成动作信号的输出，主要包括合闸和跳闸信号。为了防止由于电磁干扰或机械振动等因素造成虚假变位现象，所以需采取措施防止遥信误报。本设计中采用的方式是加上RC低通滤波

[19][20]

。系统设3路输出，每一路的实现电路如图9所示。

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RELAY-SPDT+24VR3TXD03.3KGND

图9 开关量输出电路

3.4 频率测量电路的设计

由于采样周期与电网中的频率有关，而电网中的频率又是变化的，为了实现采样的整分割，必须跟踪电网中的频率信号。频率的测量是通过采集测量每个电压周期信号上升沿之间的时间差来实现的。电压波形经过过零电压比较器LM211产生方波，送入TMS320LF2407A的捕获定时器引脚CAP1进行上升沿捕获，采用定时/计数器1作为时间基准20。频率测量电路如图10所示[21]。

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+15+3.3C50.1uFR44K7GNDC60.1uF16GNDR3100K15R1UoC10.1uFGND4K7C210uF12C414LM2110.01uFGNDGND-15VR2Ui C30.01uFGND10K9

图10 频率测量电路

3.5 通信单元设计

3.5.1 双绞线

计算机之间的通信是依靠通信介质来完成的。本设计中选用非屏蔽双绞线做通信介质。双绞线由于价格便宜和安装简便，是目前被广泛使用的通信介质。双绞线是两条相互绝缘的细芯铜导线缠绕在一起构成的，以减少信号在电缆中传输的噪声和电磁干扰。双绞线分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）两种。非屏蔽双绞线因为价格低，数据传输可靠性高，因此被广泛应用于计算机网络组建中。在以太网通信方式中，一般也都是采用非屏蔽双绞线。非屏蔽双绞线使用RJ-45接头连接到网络设备上，连接的可靠性较高[22]。

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3.5.2 以太网通信设计

以太网(Ethernet) 是一类满足一套标准规范的计算机局域网（技术），它主要是由若干个站点（网络节点）和将其连接到网上的设备以及传输站点间信息的各种传输介质组成。以太网发展到今天已经经历了30多年的历史，由于其技术不断更新，使其仍然生机勃勃，成为目前应用最为广泛的基带总线局域网[23]。以太网具有无可比拟的优越性

? 结构简单、成本低廉

? 有良好的兼容性能网络的无缝对接 ? 充分的网络灵活性

? 克服了介入网与干线网之间的瓶颈效应 ? 实现了LAN与MAN、WAN的无缝连接 以太网通信系统的结构框图如图11所示

以太网接口 以太网控制器 ARM处理器

图11 以太网通信系统结构框图

以太网接口采用标准插座HR901170A.

以太网控制器采用我国台湾REALTEK公司的RTL8019AS 芯片, RTL8019AS 是一种高度集成的以太网控制芯片，它在一块芯片上集成了RTL8019内核和一个16KB的SDRAM存储器。具有8/16位总线模式，集成了IEEE802.3协议标准的介质访问控制子层(MAC)和物理层的性能，与即插即用的NE2000适配器相兼容，支持UTP，AUI和BNC自动检测, 支持16条I/O 基本地址选项和额外I/O地址输入输出完全解码方式，支持存储器瞬时读写，收发可同时达到10Mbps的速率，由于其支持以太网全双工通信方式，可通

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过双绞线与全双工以太网网关连接，进行同步首发，所以它不仅可以将带宽由10Mbps扩展到20Mbps，应为以太网CSMA/CD协议的信道冲突检测特性而避免了性能下降的问题。另外，RTL8091AS内置16KB的SRAM，支持I/O口地址的完全解码，具有LED指示功能。其接口符合Ethernet2和IEEE802.3（10Base5,10Base2,10BaseT）标准[24]。ARM9与以太网连接电路如图12所示。

86858483828180I/O6I/O5I/O4I/O3I/O2I/O1I/O0123456789101112131466676869707172737475767778798081+3.31112AB0AB1AB2AB3AB4AB5AB6AB7AB8AB9AB10AB11AB12AB13D16D17D18D19D20D21D22D23D24D25D26D27D28D29D30D31GND AT91RM9200PBNWR2NWR1PCIOA0A1A2A3A4D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14VDD02134567850515253545556575859606162636401234567891011121314151617181920212223INTOIOEBIOWBAENSA0SA1SA2SA3SA4SD0SD1SD2SD3SD4SD5SD6SD7SD8SD9SD10SD11SD12SD13SD14SA10SA11SA12SA13SA14SA15SA16SA17SA18SA1925262728293031323334GNDSA5RTL8019ASSA6SA7SA8SA91011121314IOCSO24GND 14GND15+5+1.813474849RXD0RXD1RXD2VDD3.3VDD1.8TXD0TXD1TXD2444546GND

图12 ARM9与以太网控制器连接电路

RTL8019AS 收发数据都采用IEEE802.3 协议, 发送部分只要把数据写入缓冲区, 启动执行命令, RTL8019AS 自动发送。一般在R A M 内开辟2 个以太网数据包的空间作为发送缓冲区。作为一个集成的以太网芯片, 数

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据的发送校验, 总线数据包的碰撞检测与避免是由芯片自己完成的。只需要配置发送数据的物理层地址、源地址、目的地址、数据包类型以及发送的数据就可以了。RTL8019AS 接收到以太网数据包后自动将其存在接收缓冲区并发出中断信号, 在中断程序里通过DMA 就可接收到数据, 即通过远端DMA 把数据从RTL8019AS 的RAM空间,读回ARM中处理[25][26]。

3.6 电源设计

根据国家电力行业标准，当故障或其他原因导致停电时，FTU应仍能可靠地上报信息和接受远方控制。故FTU的工作电源需设蓄电池作备用电源。本系统电源由两部分组成，一部分是直接取自馈电线路, 由配电网高压馈电线路通过PT供给系统220V交流电源输入模块, 然后通过DC-DC转换，电源输出24V电压给FTU的各模块工作,正常情况下，FTU采用此种供电方式；另外输出一组24V直流工作电压进入FTU 采集控制板后,经过DC/DC模块转化为5V,供给蓄电池组充电。当交流断电时，电源快速切换到蓄电池组供电，保证FTU仍能正常工作。双电源切换电路如图13所示。设A端有电时，J-1、J-2吸合于常开触点，这时候FTU由A端供电。当A端失电时，J-1、J-2合于常闭触点，这时B端供电，从而保证了在一侧失电时保证了供电的连续性。

B A Ua J-1 J 电源 Ub J-2

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图13 双电源切换电路

电源指标要求如下:输入电压变化小于20%时, 输出电压变化小于5%。输出电流不带蓄电池时不低于5A(连续1min), 有蓄电池时不低于15A(连续3s) , 即按一般开关跳合闸电流的1.5倍考虑。正常工作时由馈线电压转换成直流电源供电, 当馈电线路失电时, 自动切换到蓄电池供电。提供一组浮充输出给蓄电池, 平时正常时给蓄电池提供浮充电。电源有一个状态输出, 指示电源的交流状态。

24V直流工作电压进入FTU采集控制板后, 经过DC/DC模块转化为5V, 再由电源芯片转化为3.3V 和1.8V, 按一定顺序为DSP和ARM 的引脚和内核分别供电。本设计中选择的DC/DC转换芯片为DC/DC2405,电源芯片为TPS70351,其连接电路如图14所示。

GND0+24V1C1470uF2GNDVinVoDC-DC2405GNDOV4GNDR11KTPS703513456ENSEQRESETGNDVIN2FB2VOUT2VOUT27GNDGNDGNDPG1123C2220ufC3104+5V12GNDVIN1VIN1GNDVIN1VIN1FB18+3.3V91011R34K713R4 47K1415161.8V3.3VGNDR1GND1K17GND

图14 电源电路

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4 算法设计

4.1 电网参数的计算

电网参数有很多，本文仅给出交流电压、电流，以及功率的计算方法。 4.1.1 电压电流计算

系统的电压电流先经过PT、CT 变换后进行交流采样,本设计采用快速傅里叶算法（FFT）计算电压、电流。快速傅立叶变换（FFT）是离散傅立叶变换(DFT)的快速算法，它是根据离散傅里叶变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。快速傅里叶变换有广泛的应用，如数字信号处理、计算大整数乘法、求解偏微分方程等等[27]。

分别以u、i来表示电网电压、电流，在实际应用中，总是对离散的值进行计算，由离散傅立叶变换得（DFT）得：

1U(k)?N1， [u(n)W]I(k)??Nn?0knN?1?[i(n)Wn?0N?1kn] （4-1）

此处，Wkn?e?j(2?/N) 利用旋转因子

nkWN的对称性，可以简化计算，设样本数为2n时，这种

样本数为2的整数次幂的计算，称为基2-FFT

n/2?1xk??(xn?01nnk （4-2） ?x2ne?j?k)WNx(n)是列长为N的采样序列，可以将其分为奇偶两个序列。 对于奇样本和偶样本可分写为：

N/2?1x2k?

?(xn?01nnk?x2n)WN/2； （4-3）

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nnkx2k?1??[(x1n?x2n)WN]WN/2。 （4-4）

n?0N/2分别以x2k、x2k?1作为实部和虚部，得

xk?x2k?jx2k?1 （4-5）

4.1.2 功率的计算

1N?1有功功率: P??UKIK； （4-6）

N?1K?0视在功率:S?U?I； （4-7） 无功功率:Q?S?S?P?P； （4-8） 功率因数:??P/S。

4.2 故障判断算法

故障判断是本设计中FTU装置的核心功能之一。本设计中的终端装置集检测与自动保护与一体，实时检测电网各项设定参数，在线路发生故障时，FTU能够及时、准确地判断故障类型，生成SOE事件并上报主站，并且适时动作，解决故障，在故障解除后上继续执行监测任务。本文研制的FTU控制器适用于远方控制方式，故障区段是通过主站比较FTU的故障信息决定的。因此，不要求它像保护继电器那样具有选择性，主要是能够检测出故障电流即可。所以本系统采用以下两种故障识别方式:

（l)采用相电流IA、IC突变电流方法检测，若检测到有突变电流产生，则设置标志位，并将标志位及故障电流信息发送至主站。主站通过分析相电流IA、IC之间的关系，进行相间故障的判断。当AC相故障时，IA，IC的值均发生较大变化；当AB相故障时，IA变化大，而IC的值变化不明显；当BC相

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故障时工C变化大，而IA的值变化不明显。这样，仅通过两相电流就可以判断出相间故障。

（2)FTU又可以监测一些高压跳变开关的位置，如果发生故障，则由FTU监测到开关位置发生变化，然后将标志位及故障开关位置信息发送至主站，由主站进行故障识别，发送命令控制FTU进行开关输出操作。

故障判断的状态机制实现的示意图如下图图15所示。图中每一个大圆圈代表故障检测过程中的一种状态，小圆圈内有各个转换条件的编号，各状态之间按箭头指示的方向有条件转换。通过监测线路电压、电流、相角等电网参数，系统能够产生过流、断路器动作、断路器闭锁3类报警，其他状态为内部状态，不作为线路故障状态报警[28]。

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1 断路器闭锁状态 2 5 确认断路器恢复状态 6 确认无压或无流状态 13 14 17 无压或无流状态 11 励磁抑制状态 18 11 9 空闲状态 16正常状态 13 过流恢复状态 9 10 9 确认过流状态 8 3 断路器动作状态 152 确认断路器状态 4 过流状态 7

图15 故障判断状态机制示意图

各状态之间的转换条件： 1重合闸周期； ○

2电压恢复、电流恢复、电压电流恢复； ○

3电压恢复或电压电流恢复； ○4电流恢复； ○

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5失压或（和）失流； ○6失压失流； ○7失压； ○

8过流结束，失压或（和）失流； ○9过流启动； ○10过流确认； ○11电压恢复； ○12确认恢复； ○

13确认无压或无流； ○

14确认空闲状态； ○

15确认断路器动作； ○

16确认断路器恢复； ○

17励磁周期结束，电流、电压恢复； ○

18在励磁周期结束时仍过流； ○

4.3 FIR滤波算法

滤波器就广义而言就是一个装置或系统，用于对输入信号进行某种加工处理，以达到取得信号中的有用信息而去掉无用成分的目的。滤波器有两种形式一种就是传统的模拟式滤波器，另一种就是数字式滤波器。数字式滤波器是用有限的精度算法实现的离散时间线性非时变系统，作为是直接对输入信号的离散值进行滤波计算，形成一组新的采样序列，然后根据

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新采样值进行参数计算，模拟滤波器和数字滤波器的流程见图16。

连续型输入信号x(t) 滤波输出信号y(t) 模拟滤波器 采样量化 y(n) 计算

模拟式滤波器基本流程图

连续型输入信号x(t) 采样量化 x(n) 数字滤波器 y(n) 计算

数字式滤波器基本流程图

图16 两种滤波器流程示意图

数字滤波器一般有如下差分方程：

y(n)??akx(n?k)??bkx(n?k) （4-9）

kkN?1N?1其中，y(n)是输出序列，x(n)是输入序列，ak、bk是滤波系数。 令bk=0，则有

y(n)??akx(n?k) （4-10）

kN?1 28

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这便是FIR滤波器差分方程。

FIR滤波器的优点是显而易见的:首先它可以在幅度特性随意设计的同时，保证精度、严格的线性相位；它的单位脉冲响应h(n)是有限长序列，因此FIR滤波器没有不稳定的问题；并且FIR滤波器一般为非递归结构，因此在有限精度运算下，不会出现递归型结构中的极限振荡等不稳定现象，误差较小。

FIR滤波器的一大优点就是它具有严格的线性相位特性。常用FIR滤波器设计采用窗函数法，论文采用FIR数字滤波器作为采集的信号数字量的低通滤波。因为FIR可用下式表示:

Y(N)?h(0)x(n)?h(1)x(n?1)?……?h(N?1)x(n?N?1)

其中h(0)，h(1)?h(N一1)为滤波器系数，而h(n)的频率响应为H(ej?),即:

H(e)??h(n)e?j? （4-11）

j?nN?1FIR滤波器要具有线性相位的充分必要条件是单位冲激响应的h(n)序列以n=(N一1)/2为偶对称中心，时间延时?等于h(n)长度(N一l)的一半，即为?=(N一l)/2个抽样周期。

对于窗函数的设计可以根据不同的方法设计得到。窗函数序列一般用来截取无限长的频率特性，使之成为有限长的频率特性并能逼近无限长频率特性[29][30]。

理想矩形窗函数的频域表达式为:

WR(e)??ej?n?0N?1?j?n?eN?1?j?()2sin(?N?2) （4-12）

sin()229

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5 软件设计

5.1 主程序

首先进行系统初始化(包括AT91RM9200和TMS20LF407A的初始化、RTL8019AS芯片工作模式等)，A/D一直采集交流电压电流，DSP处理后读入双口RAM。ARM9内部嵌入时钟电路，预先设定好系统时钟，在发生秒定时中断时，读取外部开关位置状态量和双口RAM中的数据。根据读入ARM9中数据来判断是否发生故障。如果发生故障则判断故障类型并定位，然后通过以太网上传报警，并对故障进行处理。当秒定时中断次数达到所设定的刷新次数，则命令DSP再进行一次数据采集和计算。主程序流程图如下图所示。

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开始 系统初始化 开中断 A/D数据采集 写双口RAM 故障？ Y 故障类型和故障位置判断 N 故障处理 状态恢复 通信程序 返回

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5.2 通信中断程序

主从CPU之间的数据传输也需要设定程序来完成。ARM 9通过以太网接收从主站传来的指令，当预设中断开，判断串口接收缓冲区是否已满。当串口接收缓冲区已满时，将命令存入双口RAM并通知DSP，释放缓冲区空间；当缓冲区未满时，检查双口RAM中是否有新数据读入，如果有数据读入则传输给主站，没有则执行其他中断程序。

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开通信中断 串口接收缓冲区满？ Y N 将主站接收来的命令存入双口RAM并通知DSP N 双口RAM中有新数据？ 其他中断处理程序 Y 读入数据 传给主站 中断返回 33

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6 总结与展望

6.1 总 结

本文研究和设计了一种高性能和多功能的FTU。论文通过对现有的配网自动化中的馈线自动化远方终端的研究，结合目前较流行的嵌入式系统、高性能数字信号处理技术，以及以太网通信技术，提出了FTU的设计方案。在论文中对FTU的性能、功能以及抗干扰、通信方式等给出了具体的讨论。论文主要研究的是以下几个方面的问题：

（1）首先是核心处理器的设计。这是装置的核心，是其性能的决定性因素。双CPU的构架，嵌入式工业芯片组ARM9和DSP处理器TMS320LF2407A，先进的思想与先进的技术成果相结合，使得FTU的核心更加稳固、高效，这种设计在想当长的时间里保持先进性。

（2）然后是通信单元的设计。与主站通信，将被监控部分的信息上报并接受主站信息是FTU需要完成的基本功能。以太网技术经过多年不断发展，既成熟又具有蓬勃生机，现在应用得非常广泛，并且有以后占有更大市场份额的趋势。

（3）核心处理器的外围电路的设计比较琐碎，牵扯到的细节比较多，本设计尽量排除干扰，提高测量和计算的准确度。

当然，由于客观条件限制，本人才疏学浅，本设计还有未尽之处： （1)处理器芯片研究不够深入和细致，没有条件进行仿真实验。 （2）FTU可实现的功能非常丰富，但是本设计不够系统化，一些重要功能没有涉及。

（3)对于软件算法还有待进一步更新和提高。

（4）要想实现其产品的工业化，还有较多的细节工作要做。

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6.2 展 望

随着计算机技术和电子通信技术的不断发展，FTU的设计也将趋向于集成化和高智能化，综合智能控制的FTU将是一个主流的方向。未来的FTU可能将能实现馈线自动化的许多功能，逐步取代RTU，线路上除了有柱上FTU，在配电子站将会有主控制FTU，负责整条线路的各FTU的通信和运行状况。主FTU除了具备遥测、遥信、遥控、遥脉功能，对事件的顺序记录功能，故障的定位隔离功能，对通信通道的报文监视功能，电能质量的监测功能以及小电流接地系统中的单相接地故障选线功能等外，还可以实现整条馈线运行状态监测、馈线负荷重新优化配置(网络重构)、供电电源恢复、馈线过负荷时系统切换操作、正常计划调度操作、馈线开关远方控制操作、各项统计及记录等等功能。

由此可见FTU的研究与设计还将有很长的路要走，并且在我国配网自动化中，还存在一些非规范性的东西，比如:通信规约的非统一化、配电网通信方式的多样化等等问题也限制了FTU在较广区域的推行和统一。未来科技的发展也许超出今人的估计，FTU也会有更长足的发展。

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山东科技大学学士学位论文 致 谢

参考文献

[1]李娴娜.分析配电自动化的规划思路[J]，广东科技，2008，187：118-119

[2] 范明天，张祖平.探讨国内实现配电自动化的一些基本问题[J],中国电力，1999,3:41-44

[3]戴晖.国外配电自动化技术与发展趋势的探讨[J],中国新技术新产品，2011,01

[4]马志强.我国配电自动化的现状和展望[J],山东电力高等专科学校学报,2005,01

[5]刘树泽.我国配电自动化系统发展研究[J],农业科技与装备，2010,192

[6]安同平,张杭,张爱民,王俊婷.馈线自动化终端研究[J],高压电器，2005,41(2)

[7]邹和平,马文英,祝恩国. 基于ARM9和数字信号双处理器的馈线远方终端设计[J],低压电器，2010,23

[8] 郑浩烽，王仲东. 基于DSP的馈线终端设备设计[J],兵工自动化,2005,24(2)

[9] 胡福年. 基于DSP的馈线自动化远方终端研究[J],继电器，2006，34(11):78-82

[10] 公茂法，杨兴，吴江波，李国亮，徐新源，夏文华. 一种新型馈线终端设备的研究[J],电力系统通信，2011,32(229)：4-8

[11] 黄海. 嵌入式馈线自动化智能终端设计[J],电气技术与自动

化,2010,39(6):167-169

[12] 林承华,黄挚雄,林承就. 馈线终端单元FTU 的设计[J], 福建工程

学院学报,2007,5(6):590-592

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8y9.html