多通道分布式智能終端研究與設(shè)計(jì)

引言

配電智能終端是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、 管理、系統(tǒng)控制技術(shù)為基礎(chǔ)的信息采集、處理和管理控制終端, 是供電企業(yè)管理用戶用電情況，提高需求側(cè)管水平的新一代 配電智能終端叫按照控制方式的不同，可以分為集中式和分 布式兩種控制方式。集中式智能控制方式是依據(jù)主站（或子 站）的SCADA系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)已發(fā)生的故障予以處理。 現(xiàn)場的FTU將故障信息通過一定的通道送到控制中心（主站 或子站），控制中心根據(jù)開關(guān)狀態(tài)、故障檢測信息、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?分析，判斷故障區(qū)段，下發(fā)遙控命令、跳開故障區(qū)域兩側(cè)的開 關(guān)、重合變電站出線開關(guān)和閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)、恢復(fù)非故障線路的 供電。此方式控制準(zhǔn)確，適合各種復(fù)雜系統(tǒng)，但它需要有可 靠的通信通道和控制中心的計(jì)算機(jī)軟件、硬件系統(tǒng)，停電時(shí) 間通常為分鐘級(jí)叫隨著智能饋線終端單元逐漸廣泛應(yīng)用于配 電系統(tǒng)。這種智能終端單元根據(jù)預(yù)設(shè)在其微處理機(jī)上的程序, 完成饋線自動(dòng)化功能，故障處理中或完成后才將報(bào)警及開關(guān)狀 態(tài)通過SCADA系統(tǒng)上報(bào)控制中心，這種方式稱為分布式智 能控制方式叫傳統(tǒng)的分布式智能控制方式可分為用重合器實(shí) 現(xiàn)的自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和用分段器實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，用分段器實(shí)現(xiàn) 的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方式有電壓時(shí)間型和電流計(jì)數(shù)型叫分布智能式 控制方式不依賴控制中心和通信系統(tǒng)，故障處理和恢復(fù)供電的 速度有顯著提高，時(shí)間可以提高到秒級(jí)。但它不適合處理較 為復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)智能終端也有較高的要求。在傳統(tǒng)的分布 式智能控制方式中，大多數(shù)的重合器和分段器只是根據(jù)線路電 壓或電流狀態(tài)之一作為故障判別的判據(jù)，而我們研究的新型分 布式智能控制方式則利用了電壓和電流兩個(gè)信號(hào)作為故障段 的判據(jù)，故又稱為U-I-T （電壓-電流-時(shí)間）型智能配電終端。

1智能配電終端

1.1設(shè)計(jì)原理

傳統(tǒng)配電系統(tǒng)電流保護(hù)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)獨(dú)立的單元保護(hù), 它只檢測流過自身的電流而決定保護(hù)的動(dòng)作和延時(shí)動(dòng)作，而不 關(guān)心相鄰開關(guān)的保護(hù)動(dòng)作情況。這是造成相鄰保護(hù)相互配合 困難的主要原因。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使借 助于網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)保護(hù)之間的協(xié)調(diào)成為可能。此時(shí)，不同地點(diǎn) 的模擬量在當(dāng)?shù)貦z測完成，只是將檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)信息、保 護(hù)判別結(jié)果的狀態(tài)信息、開關(guān)狀態(tài)信息等通過網(wǎng)絡(luò)由不同保護(hù) 進(jìn)行共享，以達(dá)到不同地點(diǎn)保護(hù)之間協(xié)調(diào)和配合，真正實(shí)現(xiàn)保 護(hù)的快速性和選擇性的統(tǒng)一。

根據(jù)實(shí)施現(xiàn)場的實(shí)際情況，采用分布式智能控制方式, 充分發(fā)揮分布式智能的實(shí)時(shí)性和可靠性，盡快完成故障隔離, 恢復(fù)非故障區(qū)域供電，減少停電時(shí)間和范圍。并且，在具備了 配電SCADA的條件下，調(diào)度員可以監(jiān)視和控制故障的處理過 程。當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)或主站系統(tǒng)發(fā)生故障而不能正常運(yùn)行時(shí)，也不 會(huì)影響到分布式智能控制系統(tǒng)及時(shí)完成故障處理和非故障段 恢復(fù)供電的功能。分布式智能終端不依賴主站，在沒有通道 的情況下就地實(shí)現(xiàn)智能控制式的饋線自動(dòng)化，完成相間短路 故障的定位、隔離及非故障區(qū)域的供電恢復(fù)；在具有通道的情 況下自動(dòng)升級(jí)為協(xié)作模式，通過智能終端之間的相互通信完 成故障的定位、隔離及轉(zhuǎn)供，能夠有效提高故障處理的快速性和準(zhǔn)確性；在架空線路中，智能終端能夠與自組網(wǎng)故障指示 器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)故障分支和故障點(diǎn)的精確定位。

對(duì)于智能配電網(wǎng)中的保護(hù)裝置，主要是基于系統(tǒng)故障時(shí) 的局部信息快速、準(zhǔn)確地切除故障元件。同時(shí)對(duì)于不斷變化的 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保護(hù)裝置應(yīng)具有自整定與自適應(yīng)能力，多個(gè)保 護(hù)裝置之間也存在保護(hù)的再協(xié)調(diào)問題。因此在智能配電系統(tǒng) 中，保護(hù)裝置通過局部網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)相聯(lián)保護(hù)裝置之間的 系統(tǒng)故障信息共享、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒐蚕?，從而快速?shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)故 障、區(qū)外故障的的判斷，結(jié)合配電線路上的開關(guān)類型（負(fù)荷開 關(guān)或斷路器），可以使離故障區(qū)域兩側(cè)或多側(cè)斷路器快速動(dòng)作 而切斷故障；而基于更大區(qū)域系統(tǒng)信息的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)控制策略對(duì) 時(shí)間的要求將低于保護(hù)的要求，處于第二層次?；诰植啃?息的保護(hù)裝置保護(hù)控制與基于全局信息的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)控制可以設(shè) 備將統(tǒng)一為一個(gè)整體的功能模塊，前者動(dòng)作速度快所需信息 較少在較低的層面上執(zhí)行，而后者則需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的綜合計(jì) 算與智能分析，反映動(dòng)作較慢但在較高的層面上執(zhí)行，二者 通過不同的優(yōu)先級(jí)與控制邏輯一體化的控制策略加以組合從而 實(shí)現(xiàn)自愈控制的各種功能需求?？梢源蠓葴p小故障后的故 障點(diǎn)排查時(shí)間，從而減少故障區(qū)域的停電檢修時(shí)間，提高供電 可靠性。

1.2技術(shù)方案

本方案硬件上使用32位的工業(yè)級(jí)通訊處理器芯片作為通 訊主控制器，使用32位高速數(shù)字信號(hào)處理器作為數(shù)據(jù)采樣單 元主控制器。通訊單元單機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置10路串口、2路以太網(wǎng) 絡(luò)口。使用總線擴(kuò)展技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件可堆疊，最大可以擴(kuò)展到 40路串口、16路以太網(wǎng)口。單機(jī)支持1 GB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間, 可擴(kuò)展至4 GB字節(jié)，滿足智能配電網(wǎng)監(jiān)視控制對(duì)歷史數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)的要求。針對(duì)低端應(yīng)用場合，通訊單元可以縮減為4路串口、 1路網(wǎng)口從而提高產(chǎn)品性價(jià)比。高速數(shù)據(jù)采集單元使用32位 數(shù)字信號(hào)處理器，支持精度為16位、速度為6.4 Kb/s的AD 采樣。單機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置4路交流電流模擬量，6路交流電壓模擬 量，兩路直流模擬量采集。模擬量采集路數(shù)針對(duì)不同應(yīng)用場 合可擴(kuò)展或縮減。滿足最嚴(yán)酷等級(jí)4級(jí)電磁兼容實(shí)驗(yàn)要求。

本方案的平臺(tái)軟件架構(gòu)使用工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)嵌入式操作系 統(tǒng)，支持DNP3.0協(xié)議，以及國家制定的關(guān)于智能配電網(wǎng)相 關(guān)的各種標(biāo)準(zhǔn)（IEC870-5-101、IEC870-5-102、IEC870-5-103、 IEC870-5-104、DLT645、QGDW125等）。使用多任務(wù)軟件架構(gòu)， 分層設(shè)計(jì)。應(yīng)用軟件可以適用于多種不同的硬件，方便實(shí)現(xiàn)硬 件升級(jí)后的軟件繼承。不同應(yīng)用場合的內(nèi)核軟件相同，通過 開發(fā)上層的應(yīng)用軟件，分別滿足不同的需求。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的 綜合監(jiān)視與統(tǒng)計(jì)，終端軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的電量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，故障 錄波數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，功率負(fù)荷曲線統(tǒng)計(jì)，電能質(zhì)量分析與統(tǒng)計(jì)（電 壓偏差、電壓頻率偏差、電壓波動(dòng)與閃變、電壓諧波、電流諧波、 間歇波等）。終端應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能、遠(yuǎn)動(dòng)控制、無功補(bǔ) 償控制、功率控制等功能。智能配電終端具備分布式智能功能， 實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的自愈控制。

本方案具有系統(tǒng)可維護(hù)性。對(duì)于長期在戶外環(huán)境運(yùn)行的 智能終端設(shè)備，必須具備遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程升級(jí)程序的能力。 智能裝置本身具備自診斷、自維護(hù)功能，可以定期上報(bào)裝置本 身的運(yùn)行工況，在硬件設(shè)備故障時(shí)可以向遠(yuǎn)方發(fā)送診斷信息。 這樣可大幅度降低產(chǎn)品的維護(hù)成本，提高產(chǎn)品的實(shí)用性。智能 終端與遠(yuǎn)程維護(hù)軟件通訊，支持使用web瀏覽器方式，允許 特定用戶在有網(wǎng)絡(luò)連接的地方直接訪問智能終端，這將大幅提 高網(wǎng)絡(luò)可視性。在硬件上，設(shè)計(jì)為模塊化通用結(jié)構(gòu)，方便未 來的故障維修與產(chǎn)品升級(jí)。

智能配電終端側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)式保護(hù)，電網(wǎng)的自愈控制。包 括交流模擬量采集模塊、遙信采集模塊、本地顯示模塊、網(wǎng) 絡(luò)式保護(hù)算法模塊、開關(guān)量輸出模塊。支持SOE記錄，故障 前中后波形錄制。可以通過信息管理單元與主站或其他智能設(shè) 備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，支持多通訊協(xié)議、支持多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，多串口。 各個(gè)通訊接口與通訊協(xié)議可配置。各個(gè)電壓電流模擬量采集 單元可以使用軟件配置的方法，進(jìn)行電能量、功率、電能質(zhì)量 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。

終端設(shè)備能廣泛應(yīng)用于戶內(nèi)戶外的配電室、開閉站、環(huán)網(wǎng) 柜、分支箱、柱上開關(guān)、架空線路等應(yīng)用場合，因此終端應(yīng)充 分考慮箱體結(jié)構(gòu)、密封、外形尺寸、固定方式、通訊條件、工 作電源提供方式等因素。

智能終端通訊協(xié)議做到標(biāo)準(zhǔn)化，具備良好的接入性和可 擴(kuò)展性，規(guī)約設(shè)計(jì)和選擇上應(yīng)具有一定的前瞻性；同時(shí)也要 充分考慮新老設(shè)備的兼容性。因此，智能終端必須支持基于串 口通訊的IEC570-5-101規(guī)約及其適用于與配網(wǎng)自動(dòng)化相適應(yīng) 的實(shí)現(xiàn)細(xì)則；同時(shí)要支持基于TCP/IP協(xié)議的IEC570-5-104規(guī) 約及與配網(wǎng)自動(dòng)化相適應(yīng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)則；而通信協(xié)議可根據(jù)需要 靈活配置，并可實(shí)現(xiàn)未來對(duì)其他通信方式的擴(kuò)展、兼容。

配電SCADA和配電GIS是一體化設(shè)計(jì)，即做到了數(shù)據(jù) 設(shè)計(jì)一體化、功能分布一體化和界面一體化。圖1所示是系 統(tǒng)終端與調(diào)度、配調(diào)系統(tǒng)的關(guān)系圖。

1.3基本功能

本系統(tǒng)是基于嵌入式系統(tǒng)的智能終端平臺(tái)，具備“四遙” 功能，同時(shí)具備過流保護(hù)功能和數(shù)據(jù)處理功能，并具備大容 量存儲(chǔ)和通訊管理功能（支持多協(xié)議），還能支持多通訊方式， 此外，還具備電源管理功能（電池免維護(hù)）和自診斷、自恢復(fù) 功能以及維護(hù)和調(diào)試功能。

此外，智能終端還具備就地分布式的邏輯功能，可通過 電氣配合實(shí)現(xiàn)故障查找、故障隔離、非故障區(qū)段自動(dòng)轉(zhuǎn)移供電 的饋線自愈功能。通過電壓-電流-時(shí)限的原理與變電站保護(hù) 相配合，不依賴通信及主站即可識(shí)別饋線發(fā)生的故障，并能 閉鎖故障區(qū)段，使非故障區(qū)段快速恢復(fù)供電，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)故障 點(diǎn)的隔離和非故障區(qū)段的轉(zhuǎn)移供電，可靠性更高。圖2所示 是其智能配電終端裝置實(shí)物圖。

2技術(shù)指標(biāo)

智能終端經(jīng)過在有關(guān)示范工程中的應(yīng)用，其主要指標(biāo), 包括環(huán)境條件、電源、遙測、遙信、遙控、故障電流、過流保護(hù)、 邏輯功能、通訊接口、裝置功耗、絕緣性能等百余個(gè)參數(shù)指 標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。其中主要指標(biāo)如下：

2.1遙測

電壓輸入標(biāo)稱值：220 V/100 V，50 Hz ；

電流輸入標(biāo)稱值:1 A/5 A ；

電壓、電流采樣精度:0.5級(jí)；

有功精度:1級(jí)；

無功精度:1級(jí)；

相角采集精度:<1° ；

直流電壓輸入標(biāo)稱值:0~100 V，采樣精度:0.5級(jí)；

直流采樣精度：0.5級(jí)；

標(biāo)稱輸入值時(shí)，每一回路的功率消耗小于0.25 VA ；

(10)容量:根據(jù)需要可以擴(kuò)展到9個(gè)電壓，24個(gè)電流, 9個(gè)直流。

2.2遙信

輸入方式：單端輸入:

隔離：500 V DC的光電隔離；

接線方式：無源接點(diǎn)；

回路電壓：24 V DC ；

SOE分辨率小于2 ms ；

軟件防抖動(dòng)時(shí)間6?60 000 ms可設(shè)；

容量:至少64個(gè)遙信。

2.3遙控

輸出方式：繼電器常開接點(diǎn)輸出；

觸點(diǎn)容量:直流24 V、10 A ；交流220 V、10 A。

分合閘脈寬整定范圍：0.1?99.9 s，整定級(jí)差0.01 s；

容量:至少18個(gè)遙控量。

3結(jié)語

多通道智能終端采用分布式智能控制方式，充分發(fā)揮 分布式智能的實(shí)時(shí)性和可靠性，盡快完成故障隔離，恢復(fù)非 故障區(qū)域供電，減少停電時(shí)間和范圍。并且，在具備了配電 SCADA的條件下，調(diào)度員可以監(jiān)視和控制故障的處理過程。 當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)或主站系統(tǒng)發(fā)生故障而不能正常運(yùn)行時(shí)，也不會(huì)影 響到分布式智能控制系統(tǒng)及時(shí)的完成故障處理和非故障段恢 復(fù)供電的功能。分布式智能功能在具有通道的情況下自動(dòng)升級(jí) 為協(xié)作模式，通過智能終端之間的相互通信完成故障的定位、 隔離及轉(zhuǎn)供，能夠有效提高故障處理的快速性和準(zhǔn)確性；在 架空線路中，智能終端能夠與自組網(wǎng)故障指示器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)故 障分支和故障點(diǎn)的精確定位。分布智能式控制方式不依賴控 制中心和通信系統(tǒng)，故障處理和恢復(fù)供電的速度有顯著提高, 時(shí)間提高到秒級(jí)。

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