用于FTU饋線(xiàn)終端遙控功能試驗(yàn)的便攜式模擬斷路器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司萊州市供電公司 鹿百興 劉建偉 徐 凱 李林宇

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司煙臺(tái)供電公司 廖烽然

1 引言

用于FTU 饋線(xiàn)終端遙控功能試驗(yàn)的便攜式模擬斷路器體積小，重量輕，便于攜帶，可單人獨(dú)帶進(jìn)行登桿作業(yè)，適合現(xiàn)場(chǎng)各種復(fù)雜地形使用。該裝置直接從被測(cè)試的饋線(xiàn)終端取電，無(wú)須配備發(fā)電機(jī)或蓄電池，參數(shù)靈活可調(diào)，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)，能夠模擬多種斷路器故障狀態(tài)并對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行消除。除了能實(shí)現(xiàn)FTU 饋線(xiàn)終端基本的遙控試驗(yàn)功能外，還具備以太網(wǎng)通信、4G無(wú)線(xiàn)通信和北斗/GPS 定位功能，能實(shí)現(xiàn)裝置定位與對(duì)時(shí)，自動(dòng)生成、歸類(lèi)各種試驗(yàn)歷史記錄，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)或服務(wù)器進(jìn)行處理，便于數(shù)據(jù)的收集、統(tǒng)計(jì)和分析。

2 用于FTU 饋線(xiàn)終端遙控試驗(yàn)的模擬斷路器應(yīng)用背景

隨著配電自動(dòng)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，配電線(xiàn)路柱上開(kāi)關(guān)數(shù)量有快速增加的趨勢(shì)。運(yùn)行當(dāng)中存在開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)方遙控不成功的情況，影響故障自愈。同時(shí)需設(shè)備管理單位趕往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作，延長(zhǎng)停電操作時(shí)間。

遙控不成功的主要原因?yàn)镕TU 饋線(xiàn)終端遙控功能異常，因此對(duì)饋線(xiàn)終端遙控功能的檢測(cè)和驗(yàn)證尤為重要。但在設(shè)備投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行后，出于供電可靠性壓力，不能隨意對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行實(shí)際分閘操作。此時(shí)需將開(kāi)關(guān)控制器拆回倉(cāng)庫(kù)做試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)后裝回現(xiàn)場(chǎng)，控制器重量較重不便拆卸，需至少三人配合才能完成，拆裝往返耗費(fèi)時(shí)間很長(zhǎng)，造成運(yùn)維人員勞動(dòng)強(qiáng)度大且工作效率低。

市場(chǎng)現(xiàn)有的模擬斷路器體積和重量較大，攜帶不便，需要220V 電源，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需要配備發(fā)電機(jī)等設(shè)備，山地、叢林、農(nóng)田等車(chē)輛無(wú)法直接到達(dá)的工作地點(diǎn)使用不便，接線(xiàn)復(fù)雜，使用門(mén)檻高，不適用于現(xiàn)場(chǎng)工作?，F(xiàn)有模擬斷路器功能固定，參數(shù)不可調(diào)，不能用于模擬誤動(dòng)、拒動(dòng)、延遲等各類(lèi)斷路器機(jī)械故障。現(xiàn)有模擬斷路器不具備試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和通信功能，不便于后期故障數(shù)據(jù)的收集、統(tǒng)計(jì)和分析。

基于此，本文設(shè)計(jì)了一種用于FTU 饋線(xiàn)終端遙控功能試驗(yàn)的便攜式模擬斷路器，實(shí)現(xiàn)在無(wú)須設(shè)備停電的方式下進(jìn)行饋線(xiàn)終端遙控功能的試驗(yàn)，降低了停電造成的損失。攜帶方便，無(wú)須外部供電，提升了運(yùn)維工作效率。采用單片機(jī)作為控制器，內(nèi)部參數(shù)自定義，實(shí)現(xiàn)模擬斷路器動(dòng)作參數(shù)的靈活調(diào)整，同時(shí)可模擬各類(lèi)斷路器故障。具備試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄和通信功能，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計(jì)和分析的效率。

3 用于FTU 饋線(xiàn)終端遙控試驗(yàn)的模擬斷路器結(jié)構(gòu)組成及工作原理

3.1 該模擬斷路器結(jié)構(gòu)組成

模擬斷路器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括以太網(wǎng)接口、輸入信號(hào)端子排、輸出信號(hào)端子排、合閘按鍵復(fù)合指示燈、分閘按鍵復(fù)合指示燈、儲(chǔ)能按鍵復(fù)合指示燈以及電源切換開(kāi)關(guān)等組成[1]。該斷路器類(lèi)似于遙控器，質(zhì)量輕便、體積小巧、便于攜帶。

圖1 模擬斷路器整體結(jié)構(gòu)

模擬斷路器機(jī)殼內(nèi)剖如圖2所示[2]。主要包括1—繼電器輸入模塊、2—繼電器輸出模塊、3—開(kāi)關(guān)控制器航空插頭、4—遙信電源、5—儲(chǔ)能電源、6—24V 電源切換開(kāi)關(guān)、7—裝置前面板、8—核心控制單元、9—手動(dòng)操作按鍵、10—狀態(tài)指示燈、11—裝置后面板、12—計(jì)算機(jī)、13—以太網(wǎng)調(diào)試、14—升級(jí)接口、15—協(xié)處理器、16—外部供電、17—電源管理模塊、18—時(shí)鐘模塊、19—MQTT 服務(wù)器及用戶(hù)手機(jī)、20—4G 通信模塊、21—5V 電源切換開(kāi)關(guān)（二）、22—5V 電源切換開(kāi)關(guān)（一）、23—降壓電源模塊等。

圖2 模擬斷路器機(jī)殼內(nèi)剖

3.2 工作原理

進(jìn)行遙控功能試驗(yàn)的流程如下，開(kāi)關(guān)控制器對(duì)裝置發(fā)出分閘、合閘及儲(chǔ)能信號(hào)，輸入模塊對(duì)應(yīng)繼電器動(dòng)作，核心控制單元檢測(cè)到輸入繼電器動(dòng)作信號(hào)滿(mǎn)足設(shè)定時(shí)間及判定邏輯，判定為接收到有效的控制信號(hào)。接著核心控制單元向輸出模塊發(fā)出信號(hào)，控制繼電器吸合，對(duì)應(yīng)繼電器吸合，通過(guò)端子排及航空電纜向開(kāi)關(guān)控制器反饋分閘位、合閘位和儲(chǔ)能位信號(hào)。

通過(guò)操作按鍵進(jìn)行手動(dòng)操作時(shí)，信號(hào)檢測(cè)流程為：按鍵分、合、儲(chǔ)能鍵后，直接向核心控制單元輸入信號(hào)，信號(hào)處理及輸出過(guò)程與通過(guò)控制器自動(dòng)操作一致。模擬斷路器前面板有端子排與饋線(xiàn)終端的航空電纜連接[3]。后面板有紅綠黃三個(gè)帶指示燈的按鍵，用于進(jìn)行手動(dòng)操作和狀態(tài)指示，另有1個(gè)網(wǎng)口用于網(wǎng)絡(luò)通信，內(nèi)部有4G 通信模塊用于無(wú)線(xiàn)通信。信號(hào)輸入輸出的過(guò)程中，核心控制單元通過(guò)4G模塊和以太網(wǎng)接口對(duì)外進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)記錄通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送至計(jì)算機(jī)，可通過(guò)計(jì)算機(jī)查看實(shí)時(shí)運(yùn)行信息和歷史記錄，或通過(guò)4G 通信模塊將信息上傳至服務(wù)器。同時(shí)接收控制信號(hào)對(duì)模擬斷路器內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

4 該模擬斷路器試驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配算法流程

模擬斷路器試驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配算法流程如圖3所示，其內(nèi)部預(yù)存現(xiàn)有所有設(shè)備臺(tái)賬信息，包含設(shè)備名稱(chēng)，定位坐標(biāo)，歷史記錄等信息。開(kāi)機(jī)工作時(shí)，每完成一次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后，連續(xù)獲取當(dāng)前定位坐標(biāo)，當(dāng)獲取到連續(xù)穩(wěn)定的位置坐標(biāo)時(shí)，開(kāi)始進(jìn)入設(shè)備匹配過(guò)程，抽取臺(tái)賬內(nèi)第一臺(tái)設(shè)備信息，通過(guò)測(cè)試地坐標(biāo)與臺(tái)賬設(shè)備坐標(biāo)對(duì)比，計(jì)算出兩點(diǎn)的距離?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際斷路器安裝于不同桿塔，相互距離基本在40m 以上，而北斗/GPS 定位精度在2.5m 以下[4]。因此設(shè)定條件為兩點(diǎn)距離小于10m 時(shí)為匹配成功，自動(dòng)將該條試驗(yàn)記錄歸類(lèi)于此設(shè)備。若匹配不成功，則提取臺(tái)賬內(nèi)下一臺(tái)設(shè)備信息，重復(fù)計(jì)算匹配過(guò)程，直到匹配成功為止。若在臺(tái)賬中未找到能匹配的設(shè)備，則在臺(tái)賬中創(chuàng)建一條未命名設(shè)備。最后將試驗(yàn)記錄進(jìn)行本地存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程上傳本文所述算法，實(shí)現(xiàn)了被試驗(yàn)饋線(xiàn)終端在現(xiàn)有臺(tái)賬中的自動(dòng)匹配，減少數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)分析工作量。

圖3 模擬斷路器試驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配算法流程

5 該模擬斷路器使用優(yōu)勢(shì)

該模擬斷路器包括核心控制單元，輸入、輸出繼電器，輸入輸出端子排，操作按鍵及狀態(tài)指示燈，電源切換開(kāi)關(guān)及電源模塊并帶有定位通信功能和以太網(wǎng)接口，一般用于FTU 饋線(xiàn)終端遙控功能試驗(yàn)，主要優(yōu)點(diǎn)如下[5]。

一是該模擬斷路器體積小，重量輕，僅有手掌大小，攜帶方便，可以登上電力桿塔手持使用。

二是該模擬斷路器核心控制單元使用單片機(jī)作為控制芯片，內(nèi)部的分、合閘和儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)合開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化延時(shí)可通過(guò)內(nèi)部程序自定義，也可模擬真實(shí)斷路器無(wú)法分閘、合閘、儲(chǔ)能的故障狀態(tài)。

三是該模擬斷路器操作面板上有合閘、分閘、儲(chǔ)能三個(gè)操作按鍵。按下合閘、分閘、儲(chǔ)能按鍵后，內(nèi)部電路直接通過(guò)繼電器向饋線(xiàn)終端反饋合閘位、分閘位和儲(chǔ)能位信號(hào)，從而模擬真實(shí)斷路器的手動(dòng)操作。

四是該模擬斷路器信號(hào)輸入、輸出均使用繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在傳輸信號(hào)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)模擬斷路器和饋線(xiàn)終端的電隔離，避免現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)使用人員造成傷害。

五是該模擬斷路器無(wú)須接入220V 市電，也無(wú)須外接發(fā)電機(jī)、蓄電池等外部電源，直接從端子排取得24V 直流電并通過(guò)降壓穩(wěn)壓模塊轉(zhuǎn)換為5V 電源，為核心控制單元、繼電器、驅(qū)動(dòng)電路、定位及通信模塊提供電源。并且針對(duì)不同廠家型號(hào)的饋線(xiàn)終端信號(hào)輸出方式不同，可以通過(guò)電源切換開(kāi)關(guān)自主選擇遙信電源或者儲(chǔ)能電源給模擬斷路器供電。

六是該模擬斷路器用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，通過(guò)核心控制單元內(nèi)采用的智能匹配與記錄算法，將試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)所在位置的北斗/GPS 定位坐標(biāo)，與核心控制單元內(nèi)部預(yù)先存儲(chǔ)的饋線(xiàn)終端臺(tái)賬信息進(jìn)行智能匹配，準(zhǔn)確識(shí)別出被檢測(cè)饋線(xiàn)終端的身份信息，并通過(guò)北斗/GPS 授時(shí)獲取時(shí)間，生成帶時(shí)標(biāo)的事件記錄，自動(dòng)將本次測(cè)試結(jié)果歸并入該終端的歷史試驗(yàn)記錄中。

七是該模擬斷路器通過(guò)4G 通信模塊接收無(wú)線(xiàn)信號(hào)或通過(guò)以太網(wǎng)接口接收網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，將操作人員發(fā)來(lái)的參數(shù)寫(xiě)入核心控制單元，并對(duì)發(fā)來(lái)的指令作出相應(yīng)的合閘、分閘、儲(chǔ)能操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)調(diào)整和遠(yuǎn)程控制。

該便攜式模擬斷路器接收到饋線(xiàn)終端發(fā)出的合閘、分閘及儲(chǔ)能信號(hào)后會(huì)判斷輸入信號(hào)是否滿(mǎn)足設(shè)定時(shí)間及判定邏輯，若判定為接收到有效的控制信號(hào)，經(jīng)延時(shí)后控制繼電器動(dòng)作，通過(guò)端子排向饋線(xiàn)終端反饋合閘位、分閘位和儲(chǔ)能位信號(hào)，并通過(guò)所述模擬斷路器面板上的指示燈進(jìn)行合閘位、分閘位和儲(chǔ)能位的指示，具備FTU 饋線(xiàn)終端遙控試驗(yàn)所需的全部功能，可以完全模擬斷路器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和邏輯功能。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種用于FTU 饋線(xiàn)終端遙控功能試驗(yàn)的便攜式模擬斷路器，采用單片機(jī)作為控制器，可以在線(xiàn)路不停電的情況下，進(jìn)行饋線(xiàn)終端的現(xiàn)場(chǎng)遙控功能試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)模擬斷路器動(dòng)作參數(shù)的靈活調(diào)整的同時(shí)還可模擬各類(lèi)斷路器故障。解決現(xiàn)有模擬斷路器攜帶不便，動(dòng)作特性不可調(diào)，不具備數(shù)據(jù)記錄及通信功能等問(wèn)題。此外，該裝置攜帶方便，無(wú)須外部供電，具備試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄和通信功能，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計(jì)和分析的效率，大幅度改善了作業(yè)質(zhì)量。