配電自動(dòng)化測(cè)控終端的設(shè)計(jì)

徐鳳俠

(安徽省路港工程有限公司 港航設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)建設(shè)的發(fā)展，供電服務(wù)范圍不斷擴(kuò)大，電力負(fù)荷大幅增長(zhǎng)，電網(wǎng)布局日趨復(fù)雜，用戶對(duì)電能質(zhì)量、供電可靠性的要求不斷提高，早期的人工運(yùn)行維護(hù)方式不能再適應(yīng)現(xiàn)有復(fù)雜的電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能監(jiān)控，成為必然趨勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的監(jiān)視和控制，首先必須獲得表征電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的遙測(cè)量值和遙信狀態(tài)，以便對(duì)這些信息進(jìn)行加工處理，得到控制電網(wǎng)穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行命令。加快智能電網(wǎng)建設(shè)，研發(fā)配電自動(dòng)化測(cè)控終端，遙測(cè)各種電網(wǎng)參數(shù)并實(shí)時(shí)通訊，掌握配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況并遙控電氣設(shè)備至關(guān)重要。

1 配電自動(dòng)化測(cè)控終端概述

該配電自動(dòng)化測(cè)控終端是基于先進(jìn)的32位DSP內(nèi)核以及高速工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研制的新型配電終端，結(jié)構(gòu)采用插板式前接線設(shè)計(jì)，它集遙測(cè)、遙信、遙控、保護(hù)和通信等功能于一體，可以廣泛適用于配電室、開(kāi)閉所或環(huán)網(wǎng)柜等多回線路集中監(jiān)控的應(yīng)用場(chǎng)合，可與通信系統(tǒng)配合組成各種環(huán)網(wǎng)及非環(huán)網(wǎng)的配電自動(dòng)化系統(tǒng)，配合配電子站、主站實(shí)現(xiàn)配電線路的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、故障識(shí)別、故障隔離和非故障區(qū)域恢復(fù)供電等配電自動(dòng)化功能。

2 測(cè)控終端硬件原理框圖

配電自動(dòng)化測(cè)控終端硬件原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理器采用TI公司浮點(diǎn)型DSP，該器件具有精度高，功耗小，成本低，高性能，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大等特點(diǎn)；AD轉(zhuǎn)換器采用8通道16位同步采樣芯片；系統(tǒng)通信功能強(qiáng)，有2個(gè)以太網(wǎng)通信、2個(gè)RS485通信、2個(gè)RS232通信、1個(gè)CAN通信、1個(gè)USB通信，適應(yīng)性強(qiáng)；遙信輸入和遙控輸出，設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)抗干擾性能更好；還擴(kuò)展了DataFlash、SRAM、EEPROM存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、硬件看門狗、電源管理等功能。

圖1 測(cè)控終端硬件原理框圖

3 測(cè)控單元模塊功能介紹

測(cè)控終端采用模塊化、插件式結(jié)構(gòu)，分別由功能獨(dú)立的遙測(cè)、遙控、遙信、數(shù)據(jù)處理、電源單元構(gòu)成，具有易擴(kuò)展，適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。圖2為測(cè)控終端外形圖。

3.1 數(shù)據(jù)處理插件(核心板)

數(shù)據(jù)處理單元以高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP為主處理器，負(fù)責(zé)所有插件的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及控制執(zhí)行任務(wù)，具有POWER、RUN、Error及通信傳輸狀態(tài)多個(gè)指示燈，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)比較直觀。含多種通信接口(2個(gè)以太網(wǎng)通信、2個(gè)RS485通信、2個(gè)RS232通信、1個(gè)CAN通信、1個(gè)USB通信)，通過(guò)主站對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集和分析，形成圖表和曲線，進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙信；也可通過(guò)主站進(jìn)行遠(yuǎn)方控制，實(shí)現(xiàn)遙控。圖3為通信接口示意圖。

圖2 測(cè)控終端外形圖

圖3 通信接口示意圖

[1]DSP(digital signal processor)是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大批信息的微處理器，具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、強(qiáng)化、刪除，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它具有可編程性，實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，超過(guò)通用的微處理器，是數(shù)字化世界中日趨重要的芯片。此數(shù)據(jù)處理插件選用高性能32位CPU-TMS320F28335PGFA，具有單精度浮點(diǎn)單元(FPU)、16×16雙MAC、16×16和32×32介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)運(yùn)算、Harvard總線架構(gòu)、6通道DMA處理器、2個(gè)控制器局域網(wǎng)CAN模塊、3個(gè)SCI(UART)模塊、一個(gè)SPI模塊、一個(gè)內(nèi)部集成電路(I2C)總線等功能。測(cè)量芯片采用高精度電網(wǎng)監(jiān)控芯片MAX11046，具有16位轉(zhuǎn)換性能，能滿足嚴(yán)格的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，8路同步采樣使得相位匹配到效率所需的最佳功率因數(shù)，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便;1GΩ的高阻抗輸入簡(jiǎn)化了電路板設(shè)計(jì)，箝位±20mA，可防電涌信號(hào)，外部保護(hù)電路簡(jiǎn)化。以太網(wǎng)通訊選用兩片多功能網(wǎng)絡(luò)接口芯片W5100，內(nèi)部集成10/100Mbps的以太網(wǎng)控制器。W5100能實(shí)現(xiàn)沒(méi)有操作系統(tǒng)的Internet連接[3]，其與IEEE802.3u10BASE-T和802.3u100BASE-TX兼容，內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層(MAC)和物理層(PHY)，還集成16KB存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)傳輸。使用W5100不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的端口編程。

3.2 交流采樣YC插件

將來(lái)源于AC380V主干線的PT、CT的二次測(cè)的電壓電流信號(hào)通過(guò)測(cè)量用微型PT(2 mA/2 mA)、測(cè)量用微型CT(5 A/2.5 mA)轉(zhuǎn)化為小電流信號(hào)，交流被測(cè)量進(jìn)入測(cè)量芯片前，帶有雜波干擾信號(hào)，需要濾波線路將其濾除，濾除雜波后進(jìn)單芯片CMOS器件ADG1311YRUZ端口。ADG1311YRU內(nèi)置四個(gè)采用CMOS工藝設(shè)計(jì)的獨(dú)立可選開(kāi)關(guān),核心板根據(jù)采集需要,對(duì)各路CMOS選擇性連通進(jìn)入核心板上的電網(wǎng)監(jiān)控芯片MAX11046。將結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)線路實(shí)際回路路數(shù)情況，每個(gè)測(cè)控終端最多可配置4塊交流采樣插件，每個(gè)YC插件可采集16個(gè)電流量(四條線路的ABC三相電流和零序電流)，也可采集12個(gè)電流量(四條線路的ABC三相電流或A、C、零序電流)和4個(gè)電壓量(A、B、C三相電壓以及零序電壓)，交流信號(hào)經(jīng)電壓互感器、電流互感器隔離后，送AD高速采樣。更改配置信息，每組電壓量可與任意一組電流量進(jìn)行組合。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的信號(hào)已成標(biāo)幺值，無(wú)法表明該遙測(cè)量的大小，需要進(jìn)行標(biāo)度變換，將其變成數(shù)值，計(jì)算出各配電回路的視在功率、功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率等，以便操作人員進(jìn)行監(jiān)視與管理。

3.3 遙信(YX)輸入遙控(YK)輸出插件

每塊輸入DI板有YX1-YX32 32個(gè)輸入量,32個(gè)觸點(diǎn)輸入首先經(jīng)過(guò)光電隔離及過(guò)壓保護(hù)措施，再經(jīng)數(shù)據(jù)緩沖器輸入給CPU，消除了開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)誤報(bào)、避免雷擊損壞裝置，提高了裝置的可靠性。每塊輸出D0板有16個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)經(jīng)光電隔離輸出，提高了輸出控制的可靠性和抗干擾性。每路的數(shù)字量輸出均由輸出使能和相應(yīng)的數(shù)字輸出控制位控制，只有當(dāng)輸出使能和數(shù)字輸出控制位為通時(shí)，數(shù)字量輸出有效，大大提高了操作的正確性。在線路設(shè)計(jì)中，給定D0端口初始電平狀態(tài)，確保YK板上每個(gè)微型繼電器的初始狀態(tài)是斷開(kāi)的，避免上電調(diào)試過(guò)程中，出現(xiàn)誤動(dòng)的狀態(tài)。通用配置，每臺(tái)測(cè)控終端配3塊YX板插件和2塊YK板插件，每塊YX插件含32路遙信輸入,每塊YK插件含16路遙控輸出,可根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)需求選配YX/YK路數(shù)，靈活性大。

3.4 電源插件

電源插件為測(cè)控單元的電源接入接口，根據(jù)需要可選用DC24V或DC48V兩種模式，經(jīng)濾波電路、DC/DC轉(zhuǎn)換(P25WDC36S05D15)、濾波輸出兩路5V電源，給測(cè)控單元的其他插件供電。電源插件除提供基本供電功能以外，還具備智能電源管理功能。可采集裝置電源的狀態(tài)，如：輸入失電、活化狀態(tài)、電池欠壓、電源故障；也可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源管理的控制輸出，如啟動(dòng)活化、退出活化、退出電池；還有兩路直流量采集，可接外部設(shè)備或?qū)崟r(shí)采集電池電壓等直流量。

測(cè)控終端支持PT取電，DC110V/220V直流電源為裝置提供工作電源。測(cè)控終端可根據(jù)需要配置相應(yīng)容量的蓄電池組，以保證失電后裝置能正常工作。在外部交流電源通電的情況下，蓄電池處于充電狀態(tài)。在外部交流電源失電的情況下蓄電池自動(dòng)投入運(yùn)行，當(dāng)蓄電池電壓降到放電關(guān)斷點(diǎn)時(shí),電源模塊自動(dòng)切斷蓄電池輸出,以避免蓄電池過(guò)放電?，F(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，終端根據(jù)電源系統(tǒng)運(yùn)行情況適時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行維護(hù)，以保證電池性能，延長(zhǎng)使用壽命。在現(xiàn)場(chǎng)線路數(shù)較多，對(duì)控制路數(shù)、遙信采集要求較多的場(chǎng)合，電源插件的下部擴(kuò)展了8個(gè)遙信輸入和4個(gè)遙控輸出。

4 電磁兼容性設(shè)計(jì)

核心板上芯片布線密集、有高速電路和數(shù)模混合電路，故采用四層板，其他線路板采用雙面板，背板由于承受插拔力度大，加大板厚。線路板布局上，按不同電路功能進(jìn)行分區(qū)，模擬和數(shù)字分開(kāi)、高速線路和低速線路分開(kāi)、光電耦合器兩邊線路嚴(yán)格保證安全隔離間距避免信號(hào)串?dāng)_。[2]布線上，晶振線路盡可能短而粗，增加抗干擾性能，濾波電容盡量靠近器件管腳，外來(lái)線路走勢(shì)上先通過(guò)電容濾波，再進(jìn)芯片管腳。I/O信號(hào)盡量短，不要走過(guò)長(zhǎng)距離，以免耦合上干擾信號(hào)。電源板地線的走勢(shì)嚴(yán)格按照濾波順序鋪設(shè)，以保證電源的穩(wěn)定。靠近接口的地面分割出來(lái)，作為EMC地，與線路板上安裝螺絲孔的銅箔可靠連接以便和金屬機(jī)殼連接。

5 結(jié)語(yǔ)

此配電自動(dòng)化測(cè)控終端是運(yùn)用微處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)等技術(shù)手段，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行離線與在線的智能化監(jiān)控管理，使配電網(wǎng)始終處于安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、高效的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。電力巡檢方便高效。