基于无线通信的配网终端手持式调试仪的设计

王娅楠 陈鹏宙 王琳洁 吴施颖 朱钰杰 戚楷文

（南京工程学院电力工程学院，江苏南京 211100）

1概述

随着智能电网的发展，应用智能化、自动化技术提高电力系统配网的运行稳定性、用户的用电可靠性已是电力行业发展的必然途径。其中，配网自动化技术的应用是重要一环。配网自动化可以利用先进的自动控制技术、计算机通信技术、电子技术等技术，实现在线实时监管，实时收集配电网运行数据，掌握电网结构参数等信息集成，并构建完整的自动化电力管理系统[1]。配网自动化系统一般采用分布式结构，依靠通信网络将配网主站、子站和终端连接起来，构成一个完整的系统。配网自动化主站是配网监控和管理系统的核心，实现对整个配电网的监视、控制和有效管理，从而使配电网处于最优运行状态；配网子站起到一个上传下达的沟通作用，采用多种通信方式向上与配网主站通信、向下与所属配网终端通信；配网终端设备是配网自动化系统的最底层，主要负责柱上开关、配电变压器、环网柜、开闭所等一次设备运行状态信息的采集、处理及对一次设备的控制等功能。

馈线自动化终端( FTU )大多安装于户外杆塔上，采用串口或以太网调试，给运维人员进行设备调试、参数整定、程序更新等工作带来很大不便。目前，市面上有的配电终端测试设备，如配电之星P-2200A2 配电自动化终端测试仪，可对配电自动化终端（FTU 、DTU、TTU、故障指示器）及馈线自动化（FA）进行全功能测试，其具有简洁直观的操作界面，丰富全面的测试功能，稳定高效的硬件平台，整机设计便携耐用。该测试仪提供网口，串口，USB，GPS，WiFi 等多种通讯接口。本文探讨了一种手持式的配电终端的调试仪器，采用调试仪与配网终端进行调频配对，从而达到无线传输通信，能与配网终端进行规约测试和保护整定值下发等功能，具有成本低廉、携带方便、简单易用等特点，非常适合作为配电终端的调试手段。

2 手持式调试仪硬件设计

2.1 整体硬件结构（图1）

本次调试仪选用ALIENTEK 探索者STM32F407ZGT6 作为控制芯片，探索者STM32F407 是正点原子推出的一款基于ARM Cortex-M4 内核的开发板，自带1M 字节FLASH，并外扩192K 字节 SRAM，满足基本的内存需求。时钟最高主频为168Mhz，可以保障控制算法的执行速度和代码效率。该开发板具有丰富的板载资源，开发板上现有114 个IO 口，其中通信接口多达17 个，可以进行以太网、CAN、SPI、串口等方式通信，方便进行各种外设开发。例如，我们在原有开发板的基础上，插入无线通信模块NRF24L01 卡，充分发挥了开发板的无线通信功能。

另外，本次调试仪选用一块10000mA 的充电宝作为电源，再经过电压电流变换转换为开发板STM32 正常的工作电压、电流。放置在调试仪手柄内，节省空间。整个调试仪采用塑料外壳封装，防摔、防水，便于携带。

图1 整体硬件结构图

2.2 无线通信模块（图2）

无线通信模块即NRF24L01 是NORDIC 公司生产的一款无线通信通信芯片，采用FSK 调制，内部集成NORDIC 自己的Enhanced Short Burst 协议。可以实现点对点或是1 对6的无线通信。无线通信速度可以达到2M（bps）。NORDIC 公司提供通信模块的GERBER 文件，可以直接加工生产。嵌入式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预留5 个GPIO，1 个中断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为MCU 系统构建无线通信功能。

图2 无线模块接口图

NRF24L01 的工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式、关机模式，本文设计的手持式配电终端调试仪主要采用这四种工作方式中的收发模式。NRF24L01 的所有配置工作都是通过SPI 完成，共有30 字节的配置。我们将NRF24L01 工作于Enhanced ShockBurstTM 收发模式。ShockBurstTM 的配置字可以分为数据宽度、地址宽度、地址、CRC 四个部分，能使NRF24L01 能够处理射频协议，在配置完成后，NRF24L01 工作的过程中，只需改变其最低一个字节中的内容，以实现接收模式和发送模式之间切换。这种工作模式下，系统的程序编制会更加简单，并且稳定性也会更高。

3 手持式调试仪软件设计

调试仪的软件系统移植了UCOS-III 操作系统，该操作系统的多任务管理有利于软件系统的模块化设计，因此调试仪软件系统也按模块进行设计。其任务模块包括Emwin 图形显示模块、触摸屏任务模块以及无线通信任务模块。

我们在使用M3 内核MCU 的时候会移植UCGUI 来制作精美的UI，UCGUI 的高级版本就是emWin，而STemWin 是SEGGER 授权给ST 的emWin 版本，ST 的芯片可以免费使用STemWin，并且STemWin 针对ST 的芯片做了优化。调试仪的界面显示主要靠移植STemWin 来实现，并且在移植过程中适配了ALIENTEK 的7 寸显示屏。当调试仪连接电源开启后，将进入主界面，用户可以触摸点击按钮，与处于无线通信测试模式下的FTU 进行通信，实现调试仪的基本功能。界面设计如图3 所示。

图3 调试仪整体界面设计

4 实验系统运行分析

以手持式配电终端调试仪和带液晶显示的FTU 实验装置按IEC60870-5-104 规约通信为例，二者通过无线通信模块发送或接受报文，不断比较报文中的特征位和信息位，相互配合，从而实现“三遥”功能、数据查询功能、SOE 事件顺序记录等SCADA系统的基本功能。与本次调试仪相配合的FTU 实验装置可切换“正常运行以太网通信”、“无线通信调试模式”两种模式。在调试模式下，可以完成遥测量采集、遥信量采集、继电保护功能与调试仪通信，并且同样配备了一块7 寸显示屏，不仅能显示与调试仪测试时发送的报文，还能实时显示A/D 采样电路采集到的模拟的电压值、电流值和开关状态。同时，内置RTC 时钟，能够与调试仪进行对时。调试过程中可设置短路故障，测试FTU 按规约向调试仪发送遥信变位信息，并可根据调试仪发送的遥控指令，实现故障隔离，恢复供电。

调试仪的特点是其基于无线通信，可按规约与被调试的配电终端实现三遥功能，并能够设置继电保护的整定值下发，对通信报文能够查阅和显示（图4-5）。

图4 调试仪整体外观

图5 调试仪菜单界面

5 结论

馈线自动化终端FTU 控制着配电系统断路器、重合器、分段开关、负荷开关等一次设备,一般安装于10kV 配网架空线户外杆塔上,靠近一次设备,距离地面为6～8m。这就需要运行维护人员爬至杆塔上打开FTU 箱柜进行操作,不仅耗费体力,增加维护难度,而且带电操作设备,存在安全隐患,因此给运行人员进行设备调试、参数整定、程序更新等工作带来很大不便。而我们本次的设计的手持式配电终端调试仪具有以下特色:(1) 采用手持式的设计形式,并且塑料外壳封装,防摔、防水,便于携带,简单方便,稳定可靠;(2)采用无线传输通信,没有模拟量输入,即不需要采集电流电压提供FTU 信号,无论远方FTU 运行正常或不正常时都能通过此调试仪检测到FTU 当前情况,测试FTU 是否正确按规约通信,然后做出相应的对策;(3)采用液晶屏做成人机交互界面,能够实时显示菜单,并支持按键操作;(4)手柄内含一块充电宝，作为整个调试仪的移动电源，不需要插座供电，便于携带。

但是此次设计的调试仪也存在一些缺点,例如，无线通信模块收发模式下一次最多发送32 位的u8 字符型常量，而有时我们需要发送的104 规约报文会超过32 位，此时就需要考虑分两次发送，还有进一步提升的空间。