基于MK64平台的配网终端多回路录波方案

朱重阳

(南京国电南自自动化有限公司，南京 210032)

0 引言

目前，10 kV配网广泛覆盖全国的城镇与乡村，主要为居民和企业供电。但是配网在运行中，由于网架结构相对薄弱而导致各种故障频繁发生。在相对偏远的地区，技术手段有限导致查找故障原因难[1]。故障录波能实时采集线路的状态量，并还原故障发生场景，是运维人员解决问题的一种重要手段。目前有馈线终端装置(FTU)和数据传输单元(DTU)两种配电自动化终端设备。FTU主要用于单回线的线路监控，如配电网馈线回路的各种馈线远方终端、配电变压器远方终端以及中压监控单元(配电子站)等；DTU多用于多回线的线路监控，如安装在配电网馈线回路的环网柜、开闭所和配电所站点，具有遥信、遥测、遥控和故障电流检测等功能。

由于在配网行业内厂家众多，竞争日益激烈，设备的功能不仅要满足国网标准的技术要求，同时还要求低成本、低功耗。基于国网技术标准要求，中央处理器(CPU)硬件平台主频不得低于100 MHz。为了降低成本，厂家会尽可能选择主频低、内存小的硬件，对于数据量相对少的FTU单回线装置来说，主频低、内存小的硬件平台还能够满足CPU的处理、存储需要；而对于数据量比较大的DTU多回线来说，主频低、内存小的硬件平台也只能满足简单的功能，如需要实现高采样率、高实时性的录波这类的高级功能，甚至是处理多达8条回线、4种故障、序列间隔短的故障录波，仅依靠CPU本身的资源是远远无法实现的[2]。

根据FTU与DTU现场实际运行的功能及国网专业检测的要求，本文介绍的是飞思卡尔的MK64FN1M型工业级CPU(以下简称MK64)，其主频为120 MHz，内存为256 kB，内部闪存(flash)为1 MB，同步动态随机存取内存(SDRAM)为1 MB。相较于以前的平台，该方案仅仅增加了SDRAM的成本(一般的价格在40元左右)，可以接受。

1 硬件方案设计

根据《国家电网公司配电自动化终端设备入网专业检测大纲》要求，DTU采样回路至少需要2条母线电压、8条馈线电流，共40路采样通道(即5片芯片×8通道/片)，采样芯片型号为AD7606，主要外设系统框图如图1所示。

图中MK64的处理器与SDRAM，DM9000网卡芯片和5片AD7606采样芯片通过Flexbus总线相连；flash通过串行外设接口(SPI)总线与CPU进行数据交互，用来存储录波文件及系统参数等固化数据，在需要时可通过文件传输系统上传至电脑查看文件；其余外设包括串口、遥信/遥控开入/开出端口等DTU所需硬件资源。由于录波的高实时性、高采样率、实时存储等要求，本方案设计CPU通过总线直接内存存取(DMA)，对5片AD7606采样芯片进行数据读写，进行每周波160点采样，并通过flash存成文件，供后期调阅。

图1 CPU外设系统框架Fig.1 CPU peripheral system framework

2 软件方案设计

模数(AD)采样设计在整个方案中极为关键。根据录波采样高实时性、文件存储慢的特点，需要申请2片缓冲区。由于随机存取存储器(RAM)要比SDRAM速度快，所以申请使用RAM作为DMA读取AD数据时的数据存储缓冲区，该RAM的大小可为40个通道连续保存16个点，若每个采样点占2 B，RAM至少为2.5 kB(40×2×16×2/1 024)。另一片缓冲区申请SDRAM用于录波存储，该片内存要满足保存40个通道、每个通道14个周波、每周波采样160点、4种故障序列短时间的存储要求，每条馈线申请4块内存，内存至少为700 kB(40×14×4×160×2/1 024)。

CPU通过Flexbus总线对AD7606采样，每片AD7606有8个通道，5片共计40个通道，每周波(20 ms)采样160点，即125 μs(20/160)采样一次，该时间即为AD采样时间间隔，是CPU通过定时器模块FTM内部产生；方案通过DMA轮询5片AD芯片，考虑到在采样的同时还要存储文件，文件存储相对慢，所以软件设计上采用DMA在1 ms的时间点上产生中断，即每采样8个点触发一次中断，CPU把读取5片AD的数据一次性拷贝进应用缓冲区，供所需模块使用，包括计算、保护模块、录波模块、文件存储模块等。

录波文件的存储遵从comtrad99格式和配网技术标准要求，文件保存的波形至少为故障前4个周波和故障后8个周波[3]。本方案保存前6后8，共14个周波。线路上无故障时采样数据循环存储在申请的SDRAM缓冲区中，当馈线线路上有故障时，触发录波，从当前故障位置保存故障后8个周波。保存文件时，先把故障位置前6个周波数据存入文件，再把故障后8个周波存入文件即可[4]，软件流程如图2所示。

图2 软件流程Fig.2 Software flow

3 实验验证

为了验证该方案是否能够在4种故障序列下还原波形，用保护测试仪加4种故障序列模拟DTU装置故障，每次故障量保持500 ms，保护过流定值5 A，零序电流(Iz)1 A，零序电压(Uz)70 V，线路失压50 V等4种条件触发录波，共产生4组常态-故障序列(见表1)；每条馈线应产生4种波形文件，并可通过波形分析软件查看故障发生时序的正确性。8条馈线共产生32组波形共64个文件(.cfg和.dat文件)。最后以馈线1为例，用波形分析软件查看波形符合保护测试仪所加的4组状态序列[5-7]。

表1 保护测试仪模拟故障状态序列Tab.1 Simulated sequence of protection tester under accident status

图3～图6为馈线1的4种状态故障序列波形图，每幅图代表1种故障序列，包括常态(正常输出量状态)和故障态(波形突变时刻状态)。

从图3～图6可以看出，4组波形都在500 ms内正确地反映了模拟的故障状态序列，并能够正确保存文件。

图3 馈线1零压序列波形Fig.3 Zero voltage sequence waveform of feeder 1

图4 馈线1线路失压序列波形Fig.4 Pressure loss sequence waveform of feeder 1

图5 馈线1零流序列波形Fig.5 Zero current sequence waveform of feeder 1

图6 馈线1过流序列波形Fig.6 Over current sequence waveform of feeder 1

4 结论

配网终端回路录波方案从FTU的硬件方案改进而来，此方案只增加1片SDRAM，就能满足40路通道8回路采样录波的要求。SDRAM及AD芯片都为常见芯片及有常见电路，容易在DTU装置上实现，方案成熟，风险小。该方案高速采样还可以做小电流接地故障的判别和录波。