一體化智能配電終端研制

陳愛(ài)明，張文斌，付永長(zhǎng)

（南瑞集團(tuán) 北京電研華源電力技術(shù)有限公司，北京102200）

1 概述

1.1 應(yīng)用配電自動(dòng)化終端的意義

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，用戶對(duì)供電可靠性、電能質(zhì)量及其優(yōu)質(zhì)服務(wù)的要求不斷提高，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)運(yùn)行模式和管理方法已經(jīng)很難滿足安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。改善整個(gè)電力系統(tǒng)的裝備和運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)地方電網(wǎng)的配電網(wǎng)自動(dòng)化是保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和提高電能質(zhì)量的必由之路。

在配電網(wǎng)自動(dòng)化的環(huán)節(jié)，位于基礎(chǔ)層的配電終端是一個(gè)非常重要的組成部分。配電自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、故障自動(dòng)處理的判據(jù)、開(kāi)關(guān)設(shè)備的運(yùn)行工況等數(shù)據(jù)都來(lái)源于配電終端，故障隔離、負(fù)荷轉(zhuǎn)移、恢復(fù)非故障區(qū)段的供電、對(duì)饋線上開(kāi)關(guān)的分/合操作也都是通過(guò)配電終端來(lái)執(zhí)行[1]。在配電自動(dòng)化主站與眾多一次設(shè)備之間，配電終端起著承上啟下的作用。因此，配電終端工作的可靠性、靈活性直接影響著整個(gè)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)用化水平。

1.2 配電自動(dòng)化終端的分類

按照應(yīng)用場(chǎng)合，目前在配電自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用的配電終端主要有如下類別[2]：

（1）饋線終端 FTU（Feeder Terminal Unit）：安裝在配電網(wǎng)饋線回路的柱上等處并具有遙信、遙測(cè)、遙控功能的配電終端；

（2）站所終端 DTU（Distribution Terminal Unit）：安裝在配電網(wǎng)饋線回路的開(kāi)關(guān)站、配電室、環(huán)網(wǎng)柜、箱式變電站等處，具有遙信、遙測(cè)、遙控等功能的配電終端；

（3）配變終端 TTU（Transformer Terminal Unit）：用于配電變壓器的各種運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視、測(cè)量的配電終端。

2 智能配電終端的總體架構(gòu)

配電終端研制技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)展了三、四十年，各種單項(xiàng)技術(shù)都取得了很大的進(jìn)步。但隨著配電自動(dòng)化、信息化的發(fā)展和供電企業(yè)管理水平的不斷提高，以及智能配電網(wǎng)建設(shè)的開(kāi)展，對(duì)配電終端的要求越來(lái)越高，需求越來(lái)越復(fù)雜?，F(xiàn)有的配電終端已經(jīng)不能滿足全部功能需求，雖然有功能簡(jiǎn)單疊加的復(fù)合型終端，但在開(kāi)放性、可擴(kuò)展性方面都還比較落后，因此研制新型的、具備良好開(kāi)放性、可擴(kuò)展性的智能配電終端已經(jīng)成為技術(shù)發(fā)展的必然選擇[3]。

2.1 智能配電終端的設(shè)計(jì)思想

智能配電終端采用先進(jìn)的一體化設(shè)計(jì)理念，全面梳理了配電網(wǎng)各應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)據(jù)采集、傳輸、監(jiān)測(cè)、控制以及安裝環(huán)境需求，使多個(gè)終端實(shí)現(xiàn)的功能可以在一個(gè)終端上實(shí)現(xiàn)，從此告別多個(gè)終端掛葫蘆式的安裝模式。該終端可以滿足“一次安裝，不斷擴(kuò)展”的要求，滿足柱上開(kāi)關(guān)、配變臺(tái)區(qū)、開(kāi)閉所、配電房、環(huán)網(wǎng)柜、箱變等配變監(jiān)測(cè)點(diǎn)的智能化需求。

終端的硬件和軟件都采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，可擴(kuò)展、易更換、易維護(hù)。終端應(yīng)用柔性好，可以使用在配電網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。將來(lái)隨著用電需求以及管理需求的變化，可以隨意擴(kuò)展終端功能。同時(shí)，對(duì)客戶來(lái)說(shuō)，可根據(jù)需求進(jìn)行選配定貨，無(wú)需額外投入，只需支付模塊費(fèi)用。

2.2 智能配電終端的硬件架構(gòu)

秉承業(yè)務(wù)分層、功能獨(dú)立的原則，智能配電終端的硬件板卡架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能配電終端硬件板卡架構(gòu)圖

(1)運(yùn)行支撐層：包括主控板和電源板。電源板為其他板卡提供電源輸入；主控板對(duì)其他板卡進(jìn)行配置、控制、管理以及數(shù)據(jù)匯聚。

(2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集層：實(shí)現(xiàn)遙測(cè)量、遙信量、環(huán)境量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集。在一套終端設(shè)備中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，遙測(cè)板、遙信板、遙控板等均可配置多塊。

(3)業(yè)務(wù)層：根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求，抽取出來(lái)制作成不同的板卡，靈活用于不同的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

2.3 智能配電終端的軟件架構(gòu)

智能配電終端的軟件架構(gòu)如圖2所示。此架構(gòu)僅針對(duì)在主控板上運(yùn)行的軟件系統(tǒng)，不包括各單項(xiàng)功能板的軟件設(shè)計(jì)。

圖2 智能配電終端軟件架構(gòu)圖

3 優(yōu)點(diǎn)及特色功能

智能配電終端利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電系統(tǒng)正常運(yùn)行及事故情況下的監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制、主站數(shù)據(jù)交換與命令執(zhí)行等功能。

3.1 產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)

3.1.1 硬件方面

(1)分布式設(shè)計(jì)。終端包括主控板和多個(gè)功能板，主控板和功能板都帶有CPU，各板卡可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)自己特定的采集、監(jiān)控、測(cè)量、控制等功能，在其他板卡故障時(shí)，不影響其基本功能。

(2)主控板采用高頻CPU，具備豐富的外圍接口，提供大容量的內(nèi)存和存儲(chǔ)空間，可以適應(yīng)將來(lái)的業(yè)務(wù)擴(kuò)展需求。

(3)遙測(cè)板和保護(hù)板采用ADC+DSP采樣技術(shù)，支持高速采樣。

(4)引入了溫度、濕度、門禁、煙霧等多種傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)。

3.1.2 軟件方面

(1)主控板上運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)，并可加入各類設(shè)備驅(qū)動(dòng)，為應(yīng)用程序/模塊以及將來(lái)的各種應(yīng)用提供穩(wěn)定的操作系統(tǒng)平臺(tái)。

(2)采用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，支持大量記錄的快速排序、篩選等功能，支持記錄的快速、頻繁讀寫(xiě)?？纱鎯?chǔ)各類數(shù)據(jù)和參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行有效管理。

(3)采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同的配置加載相應(yīng)的模塊。在通道、規(guī)約、數(shù)據(jù)庫(kù)類型等發(fā)生變化時(shí)，程序很容易擴(kuò)展。

(4)采用共享內(nèi)存等技術(shù)。一些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和參數(shù)常駐內(nèi)存，保證了對(duì)請(qǐng)求的快速響應(yīng)。

3.1.3 電源管理系統(tǒng)

(1)PT與CT可單一或者同時(shí)作為電源系統(tǒng)的輸入源，電源系統(tǒng)內(nèi)部具備PT/CT輸入源充放電控制電路。

(2)電源系統(tǒng)內(nèi)部整合兩種新型電池：鋰離子蓄電池及超級(jí)電容。

(3)電源系統(tǒng)對(duì)外提供2～3種標(biāo)準(zhǔn)電壓的統(tǒng)一輸出接口，同時(shí)支持通信電源輸出、動(dòng)作電源輸出、采集電源輸出分類接口等。

(4)支持對(duì) PT、鋰電池、超級(jí)電容狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并將重要信息上傳。

3.2 主要特色功能

與傳統(tǒng)的各類配電終端相比，智能配電終端實(shí)現(xiàn)了更多的功能，并在硬件與軟件設(shè)計(jì)上考慮了靈活的接口，以便將來(lái)能更好地?cái)U(kuò)展。

智能配電終端除了具備基礎(chǔ)的三遙、遙信變位與SOE、與主站通信、管理維護(hù)等功能外，還具有下列主要特色功能：

(1)環(huán)境監(jiān)控：可以采集溫度、濕度、門禁、水浸、煙霧等外界數(shù)據(jù)，將來(lái)可以與外部智能控制器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的調(diào)節(jié)。

(2)故障信號(hào)指示：通過(guò)接入故障指示器，可以顯示多條線路的加電、失電狀態(tài)。

(3)板卡自診斷功能：各板卡會(huì)自動(dòng)檢測(cè)通信狀態(tài)，同時(shí)，主控板也通過(guò)定時(shí)心跳實(shí)時(shí)監(jiān)控各功能板卡的狀態(tài)。

(4)無(wú)功補(bǔ)償功能：終端與智能電容器組通過(guò)485總線進(jìn)行通信，可對(duì)多組電容器進(jìn)行操作；采用共補(bǔ)、分相和共分結(jié)合的補(bǔ)償模式；采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，過(guò)零投切；電容器投切事件可存入數(shù)據(jù)庫(kù)，形成歷史記錄。

(5)諧波監(jiān)測(cè)：能監(jiān)測(cè)電壓、電流的 2～50次諧波分量[4]。

(6)配變監(jiān)測(cè)功能：能實(shí)時(shí)采集配電柜進(jìn)出線的電壓、電流、功率、頻率等參數(shù)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)出線開(kāi)關(guān)、漏電保護(hù)器的狀態(tài)，具備異常報(bào)警功能。

(7)集中抄表功能：能實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)的電能信息采集。包括臺(tái)區(qū)總表以及居民用戶表的各類用電數(shù)據(jù)。

(8)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)功能：監(jiān)測(cè)配電臺(tái)區(qū)電壓合格率、電壓波動(dòng)與閃變、各次諧波分量及總畸變率、三相電壓不平衡[4]、頻率偏差、電壓暫降、中斷、暫升等狀況。

4 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1 通信管理

智能配電終端的硬件板卡采用分布式模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此各板卡間穩(wěn)定可靠的通信非常重要。在實(shí)際研發(fā)過(guò)程中，解決了如下問(wèn)題：

(1)板卡間采用CAN-BUS總線進(jìn)行通信。因?yàn)镃ANBUS單幀數(shù)據(jù)只能支持8 B，所以需要采取分幀技術(shù)及組幀技術(shù)，并考慮一定的重發(fā)機(jī)制。

(2)各硬件板卡上都配置有一個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)，用于手動(dòng)設(shè)置板卡地址。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，以地址來(lái)區(qū)分源板卡和目標(biāo)板卡。

(3)各板卡在通信過(guò)程中都應(yīng)考慮到請(qǐng)求/響應(yīng)、主動(dòng)上送這兩種數(shù)據(jù)傳遞方式。

(4)支持板卡間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單播通信。同時(shí)，也應(yīng)支持對(duì)所有板卡的廣播請(qǐng)求，包括控制、參數(shù)下發(fā)等。

4.2 智能電源管理

4.2.1 備用電源方案

配電終端的備用電源一般有兩種方式，即超級(jí)電容器和鋰電池蓄電池組，這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。超級(jí)電容器可快速充電且充放電壽命很長(zhǎng)，可以承受過(guò)充、過(guò)放，但是其能量密度不大，使用持續(xù)時(shí)間短。鋰電池蓄電池組充電緩慢且充放電次數(shù)少，但使用持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)。

在本智能配電終端的備用電源設(shè)計(jì)方案中，有效組合了這兩種方式。當(dāng)PT失電后，電源管理系統(tǒng)將首先采用超級(jí)電容器組的放電對(duì)智能配電終端系統(tǒng)進(jìn)行供電；當(dāng)在超級(jí)電容器組允許的放電時(shí)間內(nèi)，外部供電電源仍未來(lái)電時(shí)，此時(shí)電源管理系統(tǒng)將會(huì)無(wú)縫切換到采用鋰離子蓄電池組的放電對(duì)智能配電終端系統(tǒng)進(jìn)行供電，有效提高備用電源的供電可靠性，以此保證整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。

4.2.2 智能管理

新型電源管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部的超級(jí)電容器和鋰離子蓄電池組的工作狀態(tài)信息，包括當(dāng)前的電壓、充放電狀態(tài)等信息，以及電池充放電模塊的輸出電壓和各種故障信息。根據(jù)這些信息，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的供電進(jìn)行智能管理，不僅提高了終端用電的可靠性，還有效提高了電池的壽命。同時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)提供的狀態(tài)信息輸出接口，能夠及時(shí)了解電池的運(yùn)行狀況，進(jìn)行針對(duì)性的維護(hù)。

智能配電終端的研制項(xiàng)目為國(guó)家電網(wǎng)公司2010年科技項(xiàng)目，已通過(guò)國(guó)家電網(wǎng)公司組織的專家組驗(yàn)收。其先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念、強(qiáng)大的集成功能，得到了專家組的高度認(rèn)可和一致好評(píng)。目前，此智能配電終端已在江西南昌、寧夏石嘴山和江蘇南通配電自動(dòng)化項(xiàng)目中投運(yùn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，基于一體化的智能配電終端將會(huì)得到大量的應(yīng)用，并在一定程度上引領(lǐng)配電終端的研發(fā)方向。當(dāng)然，在本終端的某些功能上，仍需繼續(xù)深入研究，但綜合來(lái)看，仍具有較大的推廣價(jià)值。

[1]鄧彥東.配電自動(dòng)化系統(tǒng)中分布式終端的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2012，31(1)：28-31.

[2]Q/GDW 514-2010.配電自動(dòng)化終端/子站功能規(guī)范[S].北京：國(guó)家電網(wǎng)公司，2010.

[3]李國(guó)武，武宇平，羅海波，等.基于智能配電終端的后備電源方案研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(2)：56-58.

[4]Q/GDW 639-2011.配電自動(dòng)化終端設(shè)備檢測(cè)規(guī)程[S].北京：國(guó)家電網(wǎng)公司，2011.