一款智能饋線終端的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

吳小軍

（上海天洲電器集團(tuán)有限公司，上海201901）

在智能電網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化有利于提高供電質(zhì)量和改進(jìn)配電管理效率。智能饋線終端對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)故障線路的識(shí)別、定位、隔離以及非故障區(qū)恢復(fù)供電；與配電主站組成配電自動(dòng)化系統(tǒng)，按照通信協(xié)議（101/104 規(guī)約）主動(dòng)向配電主站上報(bào)故障事件和接受主站下達(dá)命令。目前，我國(guó)6～35kV中壓配電網(wǎng)廣泛采用小電流接地系統(tǒng)，其特點(diǎn)是當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流很小，允許設(shè)備短時(shí)間運(yùn)行，提高供電可靠性。需要注意的是，相間電壓升高會(huì)給設(shè)備絕緣帶來(lái)危害，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行對(duì)設(shè)備絕緣造成嚴(yán)重威脅，甚至引發(fā)相間短路故障。計(jì)算機(jī)與電子技術(shù)的發(fā)展，高精度高采樣率的數(shù)據(jù)采集使基于暫態(tài)分析的故障定位技術(shù)達(dá)到了實(shí)用化水平。本文設(shè)計(jì)選用STM32F407 作為電量計(jì)算、保護(hù)邏輯判定、控制輸出的主控制器，MAX11046 作為多通道高精度同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，結(jié)合二者優(yōu)勢(shì)構(gòu)建新型智能饋線終端。實(shí)際性能測(cè)試結(jié)果表明，該裝置具有較高的交流采集精度，相關(guān)技術(shù)性能和功能指標(biāo)滿足基于暫態(tài)電量分析的故障定位技術(shù)要求。

1 設(shè)計(jì)背景與方案

配網(wǎng)自動(dòng)化管理系統(tǒng)中，需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確監(jiān)控和故障定位分析。智能饋線終端通常安裝在配電網(wǎng)架空線路桿塔等處，是一款集四遙（遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)）、保護(hù)和通信于一體的配網(wǎng)自動(dòng)化產(chǎn)品。它一般由交直流模擬量采集、開(kāi)關(guān)量狀態(tài)輸入檢測(cè)、無(wú)源控制出口以及多種通信接口等組成。就本文所設(shè)計(jì)的方案而言，交流信號(hào)經(jīng)互感器電氣隔離后，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將其送入多通道同步采樣器，微控制器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行電量計(jì)算；開(kāi)關(guān)位置信號(hào)經(jīng)電氣隔離后由微控制器處理，根據(jù)保護(hù)邏輯實(shí)時(shí)判定并輸出，包括事件記錄，故障錄波，狀態(tài)指示和繼電器出口等。綜上所述，設(shè)計(jì)方案考慮如下：硬件構(gòu)成上以STM32F407 微控制器為運(yùn)算處理器、MAX11046 多通道同步采樣轉(zhuǎn)換器為高精度采集核心部件，結(jié)合圖形化可編程保護(hù)邏輯，共同構(gòu)建嵌入式測(cè)控一體化平臺(tái)。其中，微控制器單元負(fù)責(zé)運(yùn)行算法、執(zhí)行邏輯和多種通信（RS232/RS485/以太網(wǎng)）功能，并運(yùn)行FreeRTOS 實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，功能軟件模塊化，提升了執(zhí)行效率和擴(kuò)展能力。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)。就智能饋線終端核心單元硬件構(gòu)成而言，主要包括模擬量采集電路設(shè)計(jì)、開(kāi)關(guān)量電路設(shè)計(jì)（含狀態(tài)輸入檢測(cè)和無(wú)源控制輸出）、多種通信接口以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，模塊之間通過(guò)高速并/串行總線相連，擴(kuò)展簡(jiǎn)易方便。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 模擬量采集電路。模擬量采集電路分為交流模擬量和直流模擬量?jī)刹糠?。前者?duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、頻率、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)等電量的計(jì)算，提供給保護(hù)邏輯判斷；后者用于采集工作環(huán)境等數(shù)據(jù)，如后備電源電壓、航空插頭接口處溫濕度等信息。

2.2.1 交流模擬量。由于配電網(wǎng)中存在感性或者容性負(fù)載引起相位偏移，同時(shí)又需要監(jiān)測(cè)此相移，因此在設(shè)計(jì)上采用高精度多通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX11046，為交流模擬量提供高效的數(shù)據(jù)采集。其具有8 個(gè)帶有采樣保持（T/H）獨(dú)立輸入通道，能夠?qū)崿F(xiàn)250kbps 采樣速率，它具備以下特點(diǎn)：（1）極高的輸入阻抗（1GΩ），減少了精密運(yùn)放的使用；（2）真正的雙極性信號(hào)，無(wú)需電位平移電路；（3）單電源供電，節(jié)省了電源模塊和PCB 尺寸；（4）高信噪比和低溫漂，保證了不同環(huán)境的測(cè)量穩(wěn)定性。針對(duì)本文設(shè)計(jì)的智能饋線終端，電網(wǎng)信號(hào)是在繼電保護(hù)測(cè)試源的持續(xù)激勵(lì)下產(chǎn)生，裝置通過(guò)內(nèi)部電壓/電流互感器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，將互感器次級(jí)傳感信號(hào)送至信號(hào)調(diào)理電路變換成符合模數(shù)轉(zhuǎn)換器的測(cè)量范圍。因此，設(shè)計(jì)上需要考慮雙極性±5V信號(hào)的輸入量程。采集過(guò)程中會(huì)依次經(jīng)過(guò)多個(gè)調(diào)理電路，具體如下：（1）Π 型低通濾波器，濾除互感器次級(jí)輸出信號(hào)的高頻部分；（2）雙向限幅電路，保護(hù)精密測(cè)量電路不受損壞；（3）電壓比較電路，提高電網(wǎng)在出現(xiàn)頻率波動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)采集精度。2.2.2直流模擬量。不同于交流模擬量信號(hào)可以利用互感器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，設(shè)計(jì)上必須采用新的方式實(shí)現(xiàn)電氣化隔離。具體方案：首先將外部直流量轉(zhuǎn)換為跟信號(hào)幅度成正比例關(guān)系的脈沖信號(hào)，然后將其輸至高速光電耦合器從而實(shí)現(xiàn)電氣隔離。AD7740 作為低功耗同步幅頻轉(zhuǎn)換器，采用電荷平衡轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有工作范圍寬，對(duì)外部元件要求小，輸出頻率準(zhǔn)確，無(wú)需調(diào)整和校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 開(kāi)關(guān)量電路。開(kāi)關(guān)量電路設(shè)計(jì)包括開(kāi)關(guān)量狀態(tài)輸入檢測(cè)和無(wú)源控制輸出。前者用于檢測(cè)開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)，后者用于保護(hù)跳閘（分/合閘控制）、遙控和告警等出口。2.3.1 開(kāi)入量。開(kāi)入量常用于檢測(cè)斷路器合、分位置以及儲(chǔ)能等狀態(tài)。遙信回路電壓24VDC，輸入為無(wú)源節(jié)點(diǎn)；采用軟硬件相結(jié)合的防誤措施，其中軟件防抖可實(shí)現(xiàn)10～1000ms 設(shè)置（默認(rèn)200ms），硬遙信分辨率小于2ms。2.3.2 開(kāi)出量。根據(jù)保護(hù)邏輯執(zhí)行結(jié)果，按照用戶設(shè)置方式進(jìn)行繼電器輸出，支持脈沖、電平和同步三種方式。遙控輸出支持軟壓板閉鎖和硬壓板輸出控制，雙重保護(hù)設(shè)計(jì)保證其操作的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.4 通信接口。智能饋線終端通常會(huì)配置線損模塊、4G模塊和工業(yè)路由器等配件。因此，通信接口通常分為串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信。其中，串口通信主要接入線損模塊和串口版4G模塊，網(wǎng)絡(luò)通信主要接入工業(yè)路由器（網(wǎng)口版4G模塊）和配電主站。

3 軟件設(shè)計(jì)

智能饋線終端的軟件設(shè)計(jì)主要包括底層驅(qū)動(dòng)程序，F(xiàn)reeRTOS實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和用戶功能軟件等。與uC/OS-II 操作系統(tǒng)直接開(kāi)關(guān)中斷實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)保護(hù)不同，受ARM CM4F 內(nèi)核支持，F(xiàn)reeRTOS 實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)可以設(shè)置中斷閾值進(jìn)行選擇開(kāi)關(guān)中斷實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)保護(hù)。根據(jù)上述特性，將功能劃分為獨(dú)立于操作系統(tǒng)運(yùn)行和接受操作系統(tǒng)管理兩大類。前者適用于緊急時(shí)事務(wù)處理，特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性高，處理時(shí)間短，涉及交流周期采樣和測(cè)頻功能；后者適用于操作系統(tǒng)管理提高實(shí)時(shí)性能，涉及測(cè)量計(jì)算、保護(hù)算法邏輯、通信收發(fā)規(guī)約、秒級(jí)任務(wù)和后臺(tái)保存等功能?？傮w任務(wù)關(guān)聯(lián)如圖2 所示。

3.1 交直流采集任務(wù)設(shè)計(jì)

圖2 總體任務(wù)關(guān)聯(lián)圖

圖3 小電流接地流程圖

交流采集任務(wù)采集電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，直流采集任務(wù)采集低速慢變信號(hào)。與傳統(tǒng)前后臺(tái)系統(tǒng)大循環(huán)設(shè)計(jì)相比，運(yùn)行在FreeRTOS實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)上的軟件依靠系統(tǒng)資源將中斷服務(wù)程序和用戶任務(wù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)高優(yōu)先級(jí)中斷和低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的翻轉(zhuǎn)，提升軟件執(zhí)行效率。3.1.1 交流量采樣。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，基于暫態(tài)分析的故障定位技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。依照《Q/GDW11815-2018 配電自動(dòng)化終端技術(shù)規(guī)范》錄波要求，同時(shí)結(jié)合暫態(tài)電量分析需要，本文設(shè)計(jì)的終端每周波采樣80 點(diǎn)，能夠很好的捕捉到暫態(tài)過(guò)程，從而保證有足夠多的點(diǎn)反映暫態(tài)狀態(tài)。為降低處理器運(yùn)算負(fù)荷，每1/4 周波執(zhí)行一次保護(hù)計(jì)算，每2 周波執(zhí)行一次諧波計(jì)算。交流采樣任務(wù)屬于事件觸發(fā)型任務(wù)，具體過(guò)程為采樣定時(shí)器觸發(fā)ADC 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換完成時(shí)觸發(fā)硬件中斷，在中斷服務(wù)程序（ISR）中只進(jìn)行讀取結(jié)果等少量操作，盡量減少中斷服務(wù)程序占用處理器時(shí)間；通過(guò)信號(hào)量觸發(fā)關(guān)聯(lián)任務(wù)，在關(guān)聯(lián)任務(wù)內(nèi)執(zhí)行保護(hù)算法，從而提高系統(tǒng)硬實(shí)時(shí)性響應(yīng)。3.1.2 直流量采集。直流量采集利用秒中斷控制脈沖采集時(shí)間窗口，同時(shí)秒也作為順序事件記錄時(shí)間戳的重要組成，因此秒中斷優(yōu)先級(jí)較高，然而對(duì)直流量的結(jié)果處理并不緊迫。在高優(yōu)先級(jí)的秒中斷服務(wù)程序中完成脈沖讀取并保存，通過(guò)信號(hào)量觸發(fā)低優(yōu)先級(jí)的關(guān)聯(lián)任務(wù)。操作系統(tǒng)將掛起低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，運(yùn)行就緒的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，從而提高系統(tǒng)軟實(shí)時(shí)性響應(yīng)。

3.2 小電流接地故障定位設(shè)計(jì)。小電流接地故障定位是基于暫態(tài)電量分析的故障定位技術(shù)。首先對(duì)電量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并循環(huán)記錄，同時(shí)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換（DFT）后計(jì)算出電量參數(shù)，保護(hù)邏輯實(shí)時(shí)判斷零序電壓，一旦零序電壓大于保護(hù)整定值，則立即凍結(jié)記錄數(shù)據(jù)，由小電流接地算法判定生成結(jié)果。程序流程如圖3 所示。

3.3 圖形化可編程保護(hù)邏輯。智能饋線終端的保護(hù)邏輯往往都是固化在裝置軟件上，不同現(xiàn)場(chǎng)不同保護(hù)功能對(duì)應(yīng)著不同版本的裝置固件，增加了生產(chǎn)難度和運(yùn)維成本。本文所設(shè)計(jì)的圖形化可視邏輯編程，其核心思想是將所有的輸入/輸出、保護(hù)算法等功能虛擬化、模塊化、元件化，邏輯設(shè)計(jì)者僅需要簡(jiǎn)單的拖拽、連線和設(shè)置，即可完成特定的保護(hù)功能。生產(chǎn)備貨時(shí)只需要固化基礎(chǔ)軟件；發(fā)貨時(shí)按照訂貨要求下載不同的配置；現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，部分輸入輸出不能正常工作，運(yùn)維人員只需要簡(jiǎn)單修改即可切換至備用輸入/輸出口。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

智能饋線終端核心單元由交采板、主控板、遙信遙控板、電源板等組成。結(jié)合小電流接地故障邏輯，針對(duì)基本測(cè)量功能和主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試和分析。測(cè)試過(guò)程如下：4.1.1 用戶設(shè)置：投入故障錄波控制字（KLBU0），設(shè)定U0 整定值6.5V；4.1.2 外部接線：交流量接入電流Ia,Ib,Ic；電壓Ua,Uc,U0,其中U0 作為啟動(dòng)條件；4.1.3 測(cè)試條件：電壓額定值（Ue）：220.0V，電流額定值（Ie）：5.0A。

4.2 結(jié)果與分析。為了驗(yàn)證智能饋線終端的高精度交流采樣，通過(guò)施加零序電壓（22.0V）觸發(fā)故障錄波，然后利用模擬主站軟件通過(guò)文件服務(wù)提取波形文件，最后用分析軟件計(jì)算測(cè)試誤差。結(jié)果如表1 所示。從表1 可以看出，測(cè)量精度實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)低于要求值，表明開(kāi)發(fā)的裝置性能良好，滿足期望的技術(shù)要求，同時(shí)其他功能的測(cè)試結(jié)果也完全符合配網(wǎng)自動(dòng)化終端技術(shù)規(guī)范要求。

結(jié)束語(yǔ)

配網(wǎng)自動(dòng)化是智能電網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中的重要組成部分。本文所述的智能饋線終端集測(cè)控于一體，具備基于暫態(tài)電量分析的小電流接地故障處理功能。圖形化可編程邏輯功能是該裝置的重要特色，將基礎(chǔ)固件和保護(hù)邏輯分離，符合工程化應(yīng)用。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)