一體化智能配電終端研制

陳愛明，張文斌，付永長

（南瑞集團 北京電研華源電力技術有限公司，北京102200）

1 概述

1.1 應用配電自動化終端的意義

隨著社會經濟的不斷發展，用戶對供電可靠性、電能質量及其優質服務的要求不斷提高，傳統的電力系統運行模式和管理方法已經很難滿足安全、優質、經濟運行的要求。改善整個電力系統的裝備和運行，實現地方電網的配電網自動化是保證電網安全、經濟運行和提高電能質量的必由之路。

在配電網自動化的環節，位于基礎層的配電終端是一個非常重要的組成部分。配電自動化系統的實時數據、故障自動處理的判據、開關設備的運行工況等數據都來源于配電終端，故障隔離、負荷轉移、恢復非故障區段的供電、對饋線上開關的分/合操作也都是通過配電終端來執行[1]。在配電自動化主站與眾多一次設備之間，配電終端起著承上啟下的作用。因此，配電終端工作的可靠性、靈活性直接影響著整個配電自動化系統的實用化水平。

1.2 配電自動化終端的分類

按照應用場合，目前在配電自動化領域應用的配電終端主要有如下類別[2]：

（1）饋線終端 FTU（Feeder Terminal Unit）：安裝在配電網饋線回路的柱上等處并具有遙信、遙測、遙控功能的配電終端；

（2）站所終端 DTU（Distribution Terminal Unit）：安裝在配電網饋線回路的開關站、配電室、環網柜、箱式變電站等處，具有遙信、遙測、遙控等功能的配電終端；

（3）配變終端 TTU（Transformer Terminal Unit）：用于配電變壓器的各種運行參數的監視、測量的配電終端。

2 智能配電終端的總體架構

配電終端研制技術在國內已經發展了三、四十年，各種單項技術都取得了很大的進步。但隨著配電自動化、信息化的發展和供電企業管理水平的不斷提高，以及智能配電網建設的開展，對配電終端的要求越來越高，需求越來越復雜?，F有的配電終端已經不能滿足全部功能需求，雖然有功能簡單疊加的復合型終端，但在開放性、可擴展性方面都還比較落后，因此研制新型的、具備良好開放性、可擴展性的智能配電終端已經成為技術發展的必然選擇[3]。

2.1 智能配電終端的設計思想

智能配電終端采用先進的一體化設計理念，全面梳理了配電網各應用場景的數據采集、傳輸、監測、控制以及安裝環境需求，使多個終端實現的功能可以在一個終端上實現，從此告別多個終端掛葫蘆式的安裝模式。該終端可以滿足“一次安裝，不斷擴展”的要求，滿足柱上開關、配變臺區、開閉所、配電房、環網柜、箱變等配變監測點的智能化需求。

終端的硬件和軟件都采用模塊化的設計思路，可擴展、易更換、易維護。終端應用柔性好，可以使用在配電網的各個環節。將來隨著用電需求以及管理需求的變化，可以隨意擴展終端功能。同時，對客戶來說，可根據需求進行選配定貨，無需額外投入，只需支付模塊費用。

2.2 智能配電終端的硬件架構

秉承業務分層、功能獨立的原則，智能配電終端的硬件板卡架構如圖1所示。

圖1 智能配電終端硬件板卡架構圖

(1)運行支撐層：包括主控板和電源板。電源板為其他板卡提供電源輸入；主控板對其他板卡進行配置、控制、管理以及數據匯聚。

(2)基礎數據采集層：實現遙測量、遙信量、環境量等基礎數據的采集。在一套終端設備中，根據現場需求，遙測板、遙信板、遙控板等均可配置多塊。

(3)業務層：根據不同業務需求，抽取出來制作成不同的板卡，靈活用于不同的現場環境。

2.3 智能配電終端的軟件架構

智能配電終端的軟件架構如圖2所示。此架構僅針對在主控板上運行的軟件系統，不包括各單項功能板的軟件設計。

圖2 智能配電終端軟件架構圖

3 優點及特色功能

智能配電終端利用最新的計算機技術、電子技術、通信技術、傳感技術和自動控制技術，實現對配電系統正常運行及事故情況下的監測、保護、控制、主站數據交換與命令執行等功能。

3.1 產品優點

3.1.1 硬件方面

(1)分布式設計。終端包括主控板和多個功能板，主控板和功能板都帶有CPU，各板卡可以獨立實現自己特定的采集、監控、測量、控制等功能，在其他板卡故障時，不影響其基本功能。

(2)主控板采用高頻CPU，具備豐富的外圍接口，提供大容量的內存和存儲空間，可以適應將來的業務擴展需求。

(3)遙測板和保護板采用ADC+DSP采樣技術，支持高速采樣。

(4)引入了溫度、濕度、門禁、煙霧等多種傳感器技術，實現對多種環境因素的監測。

3.1.2 軟件方面

(1)主控板上運行嵌入式Linux系統，并可加入各類設備驅動，為應用程序/模塊以及將來的各種應用提供穩定的操作系統平臺。

(2)采用SQLite數據庫，支持大量記錄的快速排序、篩選等功能，支持記錄的快速、頻繁讀寫。可存儲各類數據和參數，并對其進行有效管理。

(3)采用模塊化設計，可根據不同的配置加載相應的模塊。在通道、規約、數據庫類型等發生變化時，程序很容易擴展。

(4)采用共享內存等技術。一些實時數據和參數常駐內存，保證了對請求的快速響應。

3.1.3 電源管理系統

(1)PT與CT可單一或者同時作為電源系統的輸入源，電源系統內部具備PT/CT輸入源充放電控制電路。

(2)電源系統內部整合兩種新型電池：鋰離子蓄電池及超級電容。

(3)電源系統對外提供2～3種標準電壓的統一輸出接口，同時支持通信電源輸出、動作電源輸出、采集電源輸出分類接口等。

(4)支持對 PT、鋰電池、超級電容狀態進行監視，并將重要信息上傳。

3.2 主要特色功能

與傳統的各類配電終端相比，智能配電終端實現了更多的功能，并在硬件與軟件設計上考慮了靈活的接口，以便將來能更好地擴展。

智能配電終端除了具備基礎的三遙、遙信變位與SOE、與主站通信、管理維護等功能外，還具有下列主要特色功能：

(1)環境監控：可以采集溫度、濕度、門禁、水浸、煙霧等外界數據，將來可以與外部智能控制器結合，實現對環境的調節。

(2)故障信號指示：通過接入故障指示器，可以顯示多條線路的加電、失電狀態。

(3)板卡自診斷功能：各板卡會自動檢測通信狀態，同時，主控板也通過定時心跳實時監控各功能板卡的狀態。

(4)無功補償功能：終端與智能電容器組通過485總線進行通信，可對多組電容器進行操作；采用共補、分相和共分結合的補償模式；采用動態無功補償技術，過零投切；電容器投切事件可存入數據庫，形成歷史記錄。

(5)諧波監測：能監測電壓、電流的 2～50次諧波分量[4]。

(6)配變監測功能：能實時采集配電柜進出線的電壓、電流、功率、頻率等參數，能實時監測進出線開關、漏電保護器的狀態，具備異常報警功能。

(7)集中抄表功能：能實現臺區的電能信息采集。包括臺區總表以及居民用戶表的各類用電數據。

(8)電能質量監測功能：監測配電臺區電壓合格率、電壓波動與閃變、各次諧波分量及總畸變率、三相電壓不平衡[4]、頻率偏差、電壓暫降、中斷、暫升等狀況。

4 關鍵技術實現

4.1 通信管理

智能配電終端的硬件板卡采用分布式模式進行設計，因此各板卡間穩定可靠的通信非常重要。在實際研發過程中，解決了如下問題：

(1)板卡間采用CAN-BUS總線進行通信。因為CANBUS單幀數據只能支持8 B，所以需要采取分幀技術及組幀技術，并考慮一定的重發機制。

(2)各硬件板卡上都配置有一個撥碼開關，用于手動設置板卡地址。數據傳輸過程中，以地址來區分源板卡和目標板卡。

(3)各板卡在通信過程中都應考慮到請求/響應、主動上送這兩種數據傳遞方式。

(4)支持板卡間點對點的單播通信。同時，也應支持對所有板卡的廣播請求，包括控制、參數下發等。

4.2 智能電源管理

4.2.1 備用電源方案

配電終端的備用電源一般有兩種方式，即超級電容器和鋰電池蓄電池組，這兩種方式各有優缺點。超級電容器可快速充電且充放電壽命很長，可以承受過充、過放，但是其能量密度不大，使用持續時間短。鋰電池蓄電池組充電緩慢且充放電次數少，但使用持續時間很長。

在本智能配電終端的備用電源設計方案中，有效組合了這兩種方式。當PT失電后，電源管理系統將首先采用超級電容器組的放電對智能配電終端系統進行供電；當在超級電容器組允許的放電時間內，外部供電電源仍未來電時，此時電源管理系統將會無縫切換到采用鋰離子蓄電池組的放電對智能配電終端系統進行供電，有效提高備用電源的供電可靠性，以此保證整個系統的正常工作。

4.2.2 智能管理

新型電源管理系統能夠實現實時監測內部的超級電容器和鋰離子蓄電池組的工作狀態信息，包括當前的電壓、充放電狀態等信息，以及電池充放電模塊的輸出電壓和各種故障信息。根據這些信息，對整個系統的供電進行智能管理，不僅提高了終端用電的可靠性，還有效提高了電池的壽命。同時，通過系統提供的狀態信息輸出接口，能夠及時了解電池的運行狀況，進行針對性的維護。

智能配電終端的研制項目為國家電網公司2010年科技項目，已通過國家電網公司組織的專家組驗收。其先進的設計理念、強大的集成功能，得到了專家組的高度認可和一致好評。目前，此智能配電終端已在江西南昌、寧夏石嘴山和江蘇南通配電自動化項目中投運?？梢灶A見，在不久的將來，基于一體化的智能配電終端將會得到大量的應用，并在一定程度上引領配電終端的研發方向。當然，在本終端的某些功能上，仍需繼續深入研究，但綜合來看，仍具有較大的推廣價值。

[1]鄧彥東.配電自動化系統中分布式終端的設計與應用[J].企業技術開發，2012，31(1)：28-31.

[2]Q/GDW 514-2010.配電自動化終端/子站功能規范[S].北京：國家電網公司，2010.

[3]李國武，武宇平，羅海波，等.基于智能配電終端的后備電源方案研究[J].電子技術應用，2013，39(2)：56-58.

[4]Q/GDW 639-2011.配電自動化終端設備檢測規程[S].北京：國家電網公司，2011.