智能模塊化終端配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

班 偉，劉 貴

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引 言

受配電設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制，以傳統(tǒng)配電箱為主的終端配電系統(tǒng)存在維護(hù)不便、擴(kuò)展和升級(jí)困難等問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，研發(fā)了一種智能模塊化的終端配電系統(tǒng)，通過(guò)模塊化獨(dú)立設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升了終端配電系統(tǒng)的多變性和動(dòng)態(tài)性。智能模塊化終端配電系統(tǒng)可以配置不同類型的業(yè)務(wù)模塊，滿足不同場(chǎng)景的使用需求。此外，智能終端配電系統(tǒng)采用導(dǎo)軌安裝方式，具備即插即用功能，可以隨意增加和退出業(yè)務(wù)模塊。對(duì)于電力用戶而言，該系統(tǒng)進(jìn)一步降低了設(shè)備維護(hù)成本和購(gòu)置成本。

1 智能模塊化終端配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 模塊單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于智能模塊化的終端配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮安裝便利、小型化、即插即用、擴(kuò)展靈活以及易于替換等需求，將終端硬件系統(tǒng)分為不同的獨(dú)立硬件模塊，每個(gè)硬件模塊均可獨(dú)立安裝在導(dǎo)軌上，通過(guò)連接器總線實(shí)現(xiàn)各硬件模塊之間的數(shù)據(jù)交互和硬件模塊電源供應(yīng)。終端配電系統(tǒng)單個(gè)硬件模塊采用控制模塊和接線底板分層獨(dú)立設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)接線模塊主要安裝在系統(tǒng)導(dǎo)軌上，該接線模塊包含總線接口和外部線接口?？刂颇K是終端配電系統(tǒng)硬件模塊的關(guān)鍵部分，控制模塊獨(dú)立安裝在導(dǎo)軌接線地板上，當(dāng)模塊出現(xiàn)損壞進(jìn)行更換或升級(jí)時(shí)，只需將控制模塊取出替換，不必拆除導(dǎo)軌接線底板[1]。

1.2 模塊單元硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于智能模塊化的終端配電系統(tǒng)采用總線接口實(shí)現(xiàn)硬件模塊之間的相互通信，每個(gè)硬件模塊均可以獨(dú)立安裝在配電控制箱內(nèi)，并且配電設(shè)備取消了傳統(tǒng)機(jī)箱插板式安裝方式。根據(jù)終端配電系統(tǒng)的使用需求，硬件模塊數(shù)量和種類可以自由配置。為了實(shí)現(xiàn)各硬件模塊的快速安裝和替換，終端配電系統(tǒng)采用接口底座和模塊單元分開(kāi)設(shè)計(jì)的思路，在安裝終端配電系統(tǒng)時(shí)只需安裝接口底座，然后將硬件模塊插入底座中即可實(shí)現(xiàn)硬件模塊的正常運(yùn)行。此外，在終端配電系統(tǒng)維護(hù)過(guò)程中，只需將硬件模塊取出即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備替換、升級(jí)或模塊更新操作，進(jìn)一步減少了終端配電系統(tǒng)運(yùn)維和安裝的工作量。

終端配電系統(tǒng)底座采用高速總線和外部信號(hào)總線接口，模塊與底座之間采用排座連接方式。終端配電系統(tǒng)中，核心模塊主要負(fù)責(zé)信號(hào)發(fā)送與接收、數(shù)據(jù)分析和運(yùn)算處理等，核心模塊信號(hào)發(fā)送與接收功能均依靠底座實(shí)現(xiàn)[2]。

1.3 模塊單元分類安裝

智能模塊化的終端配電系統(tǒng)主要包括核心控制模塊、數(shù)字量采集模塊、電源模塊、模擬量采集模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊、新能源接入模塊、數(shù)字量開(kāi)發(fā)模塊以及寬帶載波通信模塊等，其中電源模塊主要為終端配電系統(tǒng)和其他子模塊提供電源，終端配電系統(tǒng)子功能模塊在控制模塊的調(diào)度下為用戶提供相應(yīng)的服務(wù)。終端配電系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 終端配電系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)

智能模塊化終端配電系統(tǒng)主要由業(yè)務(wù)功能模塊和最小系統(tǒng)組成，最小系統(tǒng)包括核心控制模塊和電源模塊。在搭建最小系統(tǒng)時(shí)，只需將電源模塊固定在終端配電系統(tǒng)導(dǎo)軌上，然后再依次安裝核心控制模塊、模擬量采集模塊以及其他擴(kuò)展模塊。其他業(yè)務(wù)模塊需要根據(jù)終端配電系統(tǒng)使用需求和功能需求，選配不同種類和數(shù)量的數(shù)字量開(kāi)出模塊、數(shù)字量采集模塊以及模擬量采集模塊等。在安裝其他業(yè)務(wù)模塊時(shí)，只需將模塊固定于終端配電系統(tǒng)，利用接口總線進(jìn)行連接即可。

除了需要根據(jù)終端配電系統(tǒng)使用需求安裝業(yè)務(wù)模塊外，還要安裝寬帶載波模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊等通信模塊，以此來(lái)滿足終端配電系統(tǒng)在不同通信場(chǎng)景的使用需求。隨著電力物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，基于智能模塊化的終端配電系統(tǒng)只需更換物聯(lián)網(wǎng)通信模塊即可實(shí)現(xiàn)升級(jí)改造工作[3]。

2 智能模塊化的終端配電系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

為了降低智能模塊化終端配電系統(tǒng)的運(yùn)維、調(diào)試及安裝成本，終端配電系統(tǒng)各硬件模塊需要具備自動(dòng)退出、自動(dòng)發(fā)現(xiàn)以及自動(dòng)注冊(cè)的模塊即插即用功能。在對(duì)終端配電系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、升級(jí)及擴(kuò)展時(shí)，只需在終端配電系統(tǒng)導(dǎo)軌上安裝其他業(yè)務(wù)模塊，利用外部接線方式進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展模塊自動(dòng)上線運(yùn)行。當(dāng)其他業(yè)務(wù)模塊接入終端配電系統(tǒng)后，業(yè)務(wù)模塊會(huì)向核心模塊發(fā)送自動(dòng)注冊(cè)申請(qǐng)。業(yè)務(wù)模塊注冊(cè)完成后，核心控制模塊會(huì)對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。終端配電系統(tǒng)更換業(yè)務(wù)模塊時(shí)，只需將原有模塊取出，并安裝新業(yè)務(wù)模塊即可。新模塊安裝完成后會(huì)向核心控制模塊發(fā)送注冊(cè)申請(qǐng)，核心控制模塊對(duì)注冊(cè)申請(qǐng)分析處理后會(huì)更換終端配電系統(tǒng)注冊(cè)信息，并對(duì)其進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。當(dāng)終端配電系統(tǒng)中有業(yè)務(wù)模塊退出時(shí)，只需將業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行拆除即可取消該業(yè)務(wù)模塊提供的服務(wù)。核心控制系統(tǒng)檢測(cè)到有業(yè)務(wù)模塊退出后會(huì)更新業(yè)務(wù)模塊配置，并按照新的業(yè)務(wù)配置運(yùn)行[4]。

2.1 模塊標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)

業(yè)務(wù)模塊接入終端配電系統(tǒng)后會(huì)向核心模塊提交注冊(cè)申請(qǐng)并上報(bào)模塊信息，核心模塊會(huì)根據(jù)業(yè)務(wù)模塊身份ID對(duì)模塊地址和模塊類型進(jìn)行區(qū)分。模塊ID采用32 bit字符進(jìn)行標(biāo)識(shí)，0～23 bit為模塊物理地址，24～31 bit為模塊類型標(biāo)識(shí)。核心模塊對(duì)業(yè)務(wù)模塊類型區(qū)分后會(huì)固化至業(yè)務(wù)模塊，使每個(gè)業(yè)務(wù)模塊均具有唯一的類型標(biāo)識(shí)。業(yè)務(wù)模塊物理地址采用撥碼形式，當(dāng)存在多個(gè)相同類型的業(yè)務(wù)模塊時(shí)，核心模塊會(huì)按照功能需求對(duì)業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行撥碼，為其賦予不同的物理地址[5]。

2.2 即插即用功能實(shí)現(xiàn)

新業(yè)務(wù)模塊安裝完成后會(huì)自動(dòng)向核心控制模塊提交注冊(cè)申請(qǐng)，申請(qǐng)內(nèi)容包括新模塊的軟件版本、類型、身份ID等。核心控制模塊接收到注冊(cè)申請(qǐng)后，會(huì)根據(jù)注冊(cè)信息為新業(yè)務(wù)模塊分配數(shù)據(jù)空間，并向新模塊發(fā)送注冊(cè)確認(rèn)信息。新業(yè)務(wù)模塊注冊(cè)完成后即可接收核心控制系統(tǒng)發(fā)送的協(xié)調(diào)控制指令，并向用戶提供相應(yīng)的業(yè)務(wù)服務(wù)[6]。新業(yè)務(wù)模塊注冊(cè)完成后，核心控制模塊會(huì)檢查新模塊檔案信息，并在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中添加新業(yè)務(wù)模塊注冊(cè)信息，刪除已經(jīng)退出服務(wù)的業(yè)務(wù)模塊信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)模塊自動(dòng)退出、自動(dòng)發(fā)現(xiàn)以及自動(dòng)注冊(cè)的全生命周期管理。即插即用功能的實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 即插即用功能的實(shí)現(xiàn)流程

3 智能模塊化的終端配電系統(tǒng)性能測(cè)試

3.1 測(cè)試環(huán)境

為了測(cè)試智能模塊化終端配電系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，按照《配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端》（DL/T 721—2013）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)搭建了終端配電系統(tǒng)性能檢驗(yàn)環(huán)境，主要包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、本地測(cè)試設(shè)備以及模擬主站，如圖3所示[7]。

圖3 智能模塊終端配電系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

3.2 測(cè)試方法

在終端配電系統(tǒng)額定頻率為50 Hz、額定電壓為100 V、額定電流為5 A的測(cè)試環(huán)境下，分別利用標(biāo)準(zhǔn)源向終端配電系統(tǒng)施加20%～120%倍的額定電壓和額定電流，進(jìn)而測(cè)試終端配電系統(tǒng)的三相電流、電壓采集精度。其中，電流和電壓采集精度絕對(duì)誤差不超過(guò)0.5%即為合格[8]。

3.3 測(cè)試結(jié)果

終端配電系統(tǒng)電壓和電流數(shù)據(jù)采集結(jié)果如表1和表2所示，其中In為額定電流，Un為額定電壓。

表1 終端配單系統(tǒng)電流誤差測(cè)試結(jié)果

表2 終端配單系統(tǒng)電壓誤差測(cè)試結(jié)果

從表1和表2可以看出，在不同電流和電壓條件下，終端配電系統(tǒng)各相的測(cè)試結(jié)果絕對(duì)誤差值均處于誤差允許范圍。由此可知，智能模塊化終端配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度較高，采集誤差均在誤差絕對(duì)值允許范圍內(nèi)，可以為相關(guān)人員提供參考。

4 結(jié) 論

通過(guò)分析智能模塊化終端配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊分類、安裝方式等，根據(jù)使用需求提出了即插即用功能設(shè)計(jì)，各業(yè)務(wù)模塊之間采用自動(dòng)注冊(cè)、自動(dòng)發(fā)現(xiàn)以及自動(dòng)退出機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了終端配電系統(tǒng)各模塊的即插即用，進(jìn)一步減少了終端配電系統(tǒng)擴(kuò)容、調(diào)試的工作量。在不同電流和電壓條件下測(cè)試了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度，測(cè)試結(jié)果表明終端配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度均在誤差允許范圍內(nèi)，可靠性較好，值得推廣。