多通道分布式智能終端研究與設計

馬穎+朱新剛+王瑩+成金海

摘 要：配電智能終端是智能配電網的重要組成部分，是實現配電網自動化的關鍵。文章針對集中式智能終端在處理時間、資源需求方面的缺點和傳統分布式智能終端相鄰保護配合困難的問題，利用最新電子通信技術的發展成果，進行智能控制終端數據傳輸機制和自適應、自組織、自管理方案的研究，采用分布式智能控制方式，開發設計了多通道分布式智能配電網終端，從而實現了電網保護的快速性和選擇性的統一。

關鍵詞：智能配電網；智能終端；多通道；分布式

中圖法分類號：TM61 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）04-0066-03

0 引 言

配電智能終端是以計算機技術、通信技術、信息技術、管理、系統控制技術為基礎的信息采集、處理和管理控制終端，是供電企業管理用戶用電情況，提高需求側管水平的新一代配電智能終端[1]。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[2]。集中式智能控制方式是依據主站（或子站）的SCADA系統提供的實時數據對已發生的故障予以處理。現場的FTU將故障信息通過一定的通道送到控制中心（主站或子站），控制中心根據開關狀態、故障檢測信息、網絡拓撲分析，判斷故障區段，下發遙控命令、跳開故障區域兩側的開關、重合變電站出線開關和閉合聯絡開關、恢復非故障線路的供電。此方式控制準確，適合各種復雜系統，但它需要有可靠的通信通道和控制中心的計算機軟件、硬件系統，停電時間通常為分鐘級[3]。隨著智能饋線終端單元逐漸廣泛應用于配電系統。這種智能終端單元根據預設在其微處理機上的程序，完成饋線自動化功能，故障處理中或完成后才將報警及開關狀態通過SCADA系統上報控制中心，這種方式稱為分布式智能控制方式[4]。傳統的分布式智能控制方式可分為用重合器實現的自動網絡重構和用分段器實現的網絡重構，用分段器實現的網絡重構方式有電壓時間型和電流計數型[5]。分布智能式控制方式不依賴控制中心和通信系統，故障處理和恢復供電的速度有顯著提高，時間可以提高到秒級。但它不適合處理較為復雜的系統，對智能終端也有較高的要求。在傳統的分布式智能控制方式中，大多數的重合器和分段器只是根據線路電壓或電流狀態之一作為故障判別的判據，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信號作為故障段的判據，故又稱為U-I-T（電壓-電流-時間）型智能配電終端。

1 智能配電終端

1.1 設計原理

傳統配電系統電流保護的實質是一個獨立的單元保護，它只檢測流過自身的電流而決定保護的動作和延時動作，而不關心相鄰開關的保護動作情況。這是造成相鄰保護相互配合困難的主要原因。隨著計算機技術和網絡技術的發展，使借助于網絡通信實現保護之間的協調成為可能。此時，不同地點的模擬量在當地檢測完成，只是將檢測結果的數據信息、保護判別結果的狀態信息、開關狀態信息等通過網絡由不同保護進行共享，以達到不同地點保護之間協調和配合，真正實現保護的快速性和選擇性的統一。

根據實施現場的實際情況，采用分布式智能控制方式，充分發揮分布式智能的實時性和可靠性，盡快完成故障隔離，恢復非故障區域供電，減少停電時間和范圍。并且，在具備了配電SCADA的條件下，調度員可以監視和控制故障的處理過程。當通信網絡或主站系統發生故障而不能正常運行時，也不會影響到分布式智能控制系統及時完成故障處理和非故障段恢復供電的功能。分布式智能終端不依賴主站，在沒有通道的情況下就地實現智能控制式的饋線自動化，完成相間短路故障的定位、隔離及非故障區域的供電恢復；在具有通道的情況下自動升級為協作模式，通過智能終端之間的相互通信完成故障的定位、隔離及轉供，能夠有效提高故障處理的快速性和準確性；在架空線路中，智能終端能夠與自組網故障指示器結合，實現故障分支和故障點的精確定位。

對于智能配電網中的保護裝置，主要是基于系統故障時的局部信息快速、準確地切除故障元件。同時對于不斷變化的系統網絡結構，保護裝置應具有自整定與自適應能力，多個保護裝置之間也存在保護的再協調問題。因此在智能配電系統中，保護裝置通過局部網絡通信，實現相聯保護裝置之間的系統故障信息共享、網絡拓撲信息共享，從而快速實現區內故障、區外故障的的判斷，結合配電線路上的開關類型（負荷開關或斷路器），可以使離故障區域兩側或多側斷路器快速動作而切斷故障；而基于更大區域系統信息的網絡重構控制策略對時間的要求將低于保護的要求，處于第二層次。基于局部信息的保護裝置保護控制與基于全局信息的網絡重構控制可以設備將統一為一個整體的功能模塊，前者動作速度快所需信息較少在較低的層面上執行，而后者則需要進行網絡的綜合計算與智能分析，反映動作較慢但在較高的層面上執行，二者通過不同的優先級與控制邏輯一體化的控制策略加以組合從而實現自愈控制的各種功能需求。可以大幅度減小故障后的故障點排查時間，從而減少故障區域的停電檢修時間，提高供電可靠性。

1.2 技術方案

本方案硬件上使用32位的工業級通訊處理器芯片作為通訊主控制器，使用32位高速數字信號處理器作為數據采樣單元主控制器。通訊單元單機標準配置10路串口、2路以太網絡口。使用總線擴展技術實現硬件可堆疊，最大可以擴展到40路串口、16路以太網口。單機支持1 GB的數據存儲空間，可擴展至4 GB字節，滿足智能配電網監視控制對歷史數據存儲的要求。針對低端應用場合，通訊單元可以縮減為4路串口、1路網口從而提高產品性價比。高速數據采集單元使用32位數字信號處理器，支持精度為16位、速度為6.4 Kb/s的AD采樣。單機標準配置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。模擬量采集路數針對不同應用場合可擴展或縮減。滿足最嚴酷等級4級電磁兼容實驗要求。

本方案的平臺軟件架構使用工業級實時嵌入式操作系統，支持DNP3.0協議，以及國家制定的關于智能配電網相關的各種標準（IEC870-5-101、IEC870-5-102、IEC870-5-103、IEC870-5-104、DLT645、QGDW125等）。使用多任務軟件架構，分層設計。應用軟件可以適用于多種不同的硬件，方便實現硬件升級后的軟件繼承。不同應用場合的內核軟件相同，通過開發上層的應用軟件，分別滿足不同的需求。為實現對電網的綜合監視與統計，終端軟件實現對電網的電量數據統計，故障錄波數據統計，功率負荷曲線統計，電能質量分析與統計（電壓偏差、電壓頻率偏差、電壓波動與閃變、電壓諧波、電流諧波、間歇波等）。終端應用軟件實現保護功能、遠動控制、無功補償控制、功率控制等功能。智能配電終端具備分布式智能功能，實現配電網的自愈控制。

本方案具有系統可維護性。對于長期在戶外環境運行的智能終端設備，必須具備遠程維護、遠程升級程序的能力。智能裝置本身具備自診斷、自維護功能，可以定期上報裝置本身的運行工況，在硬件設備故障時可以向遠方發送診斷信息。這樣可大幅度降低產品的維護成本，提高產品的實用性。智能終端與遠程維護軟件通訊，支持使用web瀏覽器方式，允許特定用戶在有網絡連接的地方直接訪問智能終端，這將大幅提高網絡可視性。在硬件上，設計為模塊化通用結構，方便未來的故障維修與產品升級。

智能配電終端側重于網絡式保護，電網的自愈控制。包括交流模擬量采集模塊、遙信采集模塊、本地顯示模塊、網絡式保護算法模塊、開關量輸出模塊。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備進行數據通信，支持多通訊協議、支持多個網絡接口，多串口。各個通訊接口與通訊協議可配置。各個電壓電流模擬量采集單元可以使用軟件配置的方法，進行電能量、功率、電能質量數據的統計。

終端設備能廣泛應用于戶內戶外的配電室、開閉站、環網柜、分支箱、柱上開關、架空線路等應用場合，因此終端應充分考慮箱體結構、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。

智能終端通訊協議做到標準化，具備良好的接入性和可擴展性，規約設計和選擇上應具有一定的前瞻性；同時也要充分考慮新老設備的兼容性。因此，智能終端必須支持基于串口通訊的IEC570-5-101規約及其適用于與配網自動化相適應的實現細則；同時要支持基于TCP/IP協議的IEC570-5-104規約及與配網自動化相適應的實現細則；而通信協議可根據需要靈活配置，并可實現未來對其他通信方式的擴展、兼容。

配電SCADA和配電GIS是一體化設計，即做到了數據設計一體化、功能分布一體化和界面一體化。圖1所示是系統終端與調度、配調系統的關系圖。

1.3 基本功能

本系統是基于嵌入式系統的智能終端平臺，具備“四遙”功能，同時具備過流保護功能和數據處理功能，并具備大容量存儲和通訊管理功能（支持多協議），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）和自診斷、自恢復功能以及維護和調試功能。

圖1 終端與調度、配調系統關系圖

此外，智能終端還具備就地分布式的邏輯功能，可通過電氣配合實現故障查找、故障隔離、非故障區段自動轉移供電的饋線自愈功能。通過電壓-電流-時限的原理與變電站保護相配合，不依賴通信及主站即可識別饋線發生的故障，并能閉鎖故障區段，使非故障區段快速恢復供電，可自動實現故障點的隔離和非故障區段的轉移供電，可靠性更高。圖2所示是其智能配電終端裝置實物圖。

圖2 智能配電終端裝置

2 技術指標

智能終端經過在有關示范工程中的應用，其主要指標，包括環境條件、電源、遙測、遙信、遙控、故障電流、過流保護、邏輯功能、通訊接口、裝置功耗、絕緣性能等百余個參數指標均達到設計要求。其中主要指標如下：

2.1 遙測

（1）電壓輸入標稱值：220 V/100 V，50 Hz；

（2）電流輸入標稱值：1 A/5 A ；

（3）電壓、電流采樣精度：0.5級；

（4）有功精度：1級；

（5）無功精度：1級；

（6）相角采集精度：<1°；

（7）直流電壓輸入標稱值：0～100 V，采樣精度：0.5級；

（8）直流采樣精度：0.5級；

（9） 標稱輸入值時，每一回路的功率消耗小于0.25 VA；

（10）容量：根據需要可以擴展到9個電壓，24個電流，9個直流。

2.2 遙信

（1）輸入方式：單端輸入；

（2）隔離：500 V DC 的光電隔離；

（3）接線方式：無源接點；

（4）回路電壓：24 V DC；

（5）SOE分辨率小于2 ms；

（6）軟件防抖動時間6～60 000 ms可設；

（7）容量：至少64個遙信。

2.3 遙控

（1）輸出方式：繼電器常開接點輸出；

（2）觸點容量：直流24 V、10 A；交流220 V、10 A。

（3）分合閘脈寬整定范圍：0.1～99.9 s，整定級差0.01 s；

（4）容量：至少18個遙控量。

3 結 語

多通道智能終端采用分布式智能控制方式，充分發揮分布式智能的實時性和可靠性，盡快完成故障隔離，恢復非故障區域供電，減少停電時間和范圍。并且，在具備了配電SCADA的條件下，調度員可以監視和控制故障的處理過程。當通信網絡或主站系統發生故障而不能正常運行時，也不會影響到分布式智能控制系統及時的完成故障處理和非故障段恢復供電的功能。分布式智能功能在具有通道的情況下自動升級為協作模式，通過智能終端之間的相互通信完成故障的定位、隔離及轉供，能夠有效提高故障處理的快速性和準確性；在架空線路中，智能終端能夠與自組網故障指示器結合，實現故障分支和故障點的精確定位。分布智能式控制方式不依賴控制中心和通信系統，故障處理和恢復供電的速度有顯著提高，時間提高到秒級。

參 考 文 獻

[1]鄭楚鋒.基于ADSP-BF533的運動目標檢測及其在車載智能系統中的應用研究[D].西安：西安電子科技大學，2006.

[2]劉兆偉.淺談負荷管理系統在新形勢下的應用[J].電力需求側管理，2007（4）：12-13.

[3]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[4]魯春生.電力負荷管理系統的發展方向（二） [J].電力需求側管理，2007（4）：8-9.

[5]劉兆偉，趙慶建.負荷管理系統中的并發通信設計與實現[J].電力需求側管理，2006（1）：36-38.

本方案具有系統可維護性。對于長期在戶外環境運行的智能終端設備，必須具備遠程維護、遠程升級程序的能力。智能裝置本身具備自診斷、自維護功能，可以定期上報裝置本身的運行工況，在硬件設備故障時可以向遠方發送診斷信息。這樣可大幅度降低產品的維護成本，提高產品的實用性。智能終端與遠程維護軟件通訊，支持使用web瀏覽器方式，允許特定用戶在有網絡連接的地方直接訪問智能終端，這將大幅提高網絡可視性。在硬件上，設計為模塊化通用結構，方便未來的故障維修與產品升級。

智能配電終端側重于網絡式保護，電網的自愈控制。包括交流模擬量采集模塊、遙信采集模塊、本地顯示模塊、網絡式保護算法模塊、開關量輸出模塊。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備進行數據通信，支持多通訊協議、支持多個網絡接口，多串口。各個通訊接口與通訊協議可配置。各個電壓電流模擬量采集單元可以使用軟件配置的方法，進行電能量、功率、電能質量數據的統計。

終端設備能廣泛應用于戶內戶外的配電室、開閉站、環網柜、分支箱、柱上開關、架空線路等應用場合，因此終端應充分考慮箱體結構、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。

智能終端通訊協議做到標準化，具備良好的接入性和可擴展性，規約設計和選擇上應具有一定的前瞻性；同時也要充分考慮新老設備的兼容性。因此，智能終端必須支持基于串口通訊的IEC570-5-101規約及其適用于與配網自動化相適應的實現細則；同時要支持基于TCP/IP協議的IEC570-5-104規約及與配網自動化相適應的實現細則；而通信協議可根據需要靈活配置，并可實現未來對其他通信方式的擴展、兼容。

配電SCADA和配電GIS是一體化設計，即做到了數據設計一體化、功能分布一體化和界面一體化。圖1所示是系統終端與調度、配調系統的關系圖。

1.3 基本功能

本系統是基于嵌入式系統的智能終端平臺，具備“四遙”功能，同時具備過流保護功能和數據處理功能，并具備大容量存儲和通訊管理功能（支持多協議），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）和自診斷、自恢復功能以及維護和調試功能。

圖1 終端與調度、配調系統關系圖

此外，智能終端還具備就地分布式的邏輯功能，可通過電氣配合實現故障查找、故障隔離、非故障區段自動轉移供電的饋線自愈功能。通過電壓-電流-時限的原理與變電站保護相配合，不依賴通信及主站即可識別饋線發生的故障，并能閉鎖故障區段，使非故障區段快速恢復供電，可自動實現故障點的隔離和非故障區段的轉移供電，可靠性更高。圖2所示是其智能配電終端裝置實物圖。

圖2 智能配電終端裝置

2 技術指標

智能終端經過在有關示范工程中的應用，其主要指標，包括環境條件、電源、遙測、遙信、遙控、故障電流、過流保護、邏輯功能、通訊接口、裝置功耗、絕緣性能等百余個參數指標均達到設計要求。其中主要指標如下：

2.1 遙測

（1）電壓輸入標稱值：220 V/100 V，50 Hz；

（2）電流輸入標稱值：1 A/5 A ；

（3）電壓、電流采樣精度：0.5級；

（4）有功精度：1級；

（5）無功精度：1級；

（6）相角采集精度：<1°；

（7）直流電壓輸入標稱值：0～100 V，采樣精度：0.5級；

（8）直流采樣精度：0.5級；

（9） 標稱輸入值時，每一回路的功率消耗小于0.25 VA；

（10）容量：根據需要可以擴展到9個電壓，24個電流，9個直流。

2.2 遙信

（1）輸入方式：單端輸入；

（2）隔離：500 V DC 的光電隔離；

（3）接線方式：無源接點；

（4）回路電壓：24 V DC；

（5）SOE分辨率小于2 ms；

（6）軟件防抖動時間6～60 000 ms可設；

（7）容量：至少64個遙信。

2.3 遙控

（1）輸出方式：繼電器常開接點輸出；

（2）觸點容量：直流24 V、10 A；交流220 V、10 A。

（3）分合閘脈寬整定范圍：0.1～99.9 s，整定級差0.01 s；

（4）容量：至少18個遙控量。

3 結 語

多通道智能終端采用分布式智能控制方式，充分發揮分布式智能的實時性和可靠性，盡快完成故障隔離，恢復非故障區域供電，減少停電時間和范圍。并且，在具備了配電SCADA的條件下，調度員可以監視和控制故障的處理過程。當通信網絡或主站系統發生故障而不能正常運行時，也不會影響到分布式智能控制系統及時的完成故障處理和非故障段恢復供電的功能。分布式智能功能在具有通道的情況下自動升級為協作模式，通過智能終端之間的相互通信完成故障的定位、隔離及轉供，能夠有效提高故障處理的快速性和準確性；在架空線路中，智能終端能夠與自組網故障指示器結合，實現故障分支和故障點的精確定位。分布智能式控制方式不依賴控制中心和通信系統，故障處理和恢復供電的速度有顯著提高，時間提高到秒級。

參 考 文 獻

[1]鄭楚鋒.基于ADSP-BF533的運動目標檢測及其在車載智能系統中的應用研究[D].西安：西安電子科技大學，2006.

[2]劉兆偉.淺談負荷管理系統在新形勢下的應用[J].電力需求側管理，2007（4）：12-13.

[3]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[4]魯春生.電力負荷管理系統的發展方向（二） [J].電力需求側管理，2007（4）：8-9.

[5]劉兆偉，趙慶建.負荷管理系統中的并發通信設計與實現[J].電力需求側管理，2006（1）：36-38.

本方案具有系統可維護性。對于長期在戶外環境運行的智能終端設備，必須具備遠程維護、遠程升級程序的能力。智能裝置本身具備自診斷、自維護功能，可以定期上報裝置本身的運行工況，在硬件設備故障時可以向遠方發送診斷信息。這樣可大幅度降低產品的維護成本，提高產品的實用性。智能終端與遠程維護軟件通訊，支持使用web瀏覽器方式，允許特定用戶在有網絡連接的地方直接訪問智能終端，這將大幅提高網絡可視性。在硬件上，設計為模塊化通用結構，方便未來的故障維修與產品升級。

智能配電終端側重于網絡式保護，電網的自愈控制。包括交流模擬量采集模塊、遙信采集模塊、本地顯示模塊、網絡式保護算法模塊、開關量輸出模塊。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備進行數據通信，支持多通訊協議、支持多個網絡接口，多串口。各個通訊接口與通訊協議可配置。各個電壓電流模擬量采集單元可以使用軟件配置的方法，進行電能量、功率、電能質量數據的統計。

終端設備能廣泛應用于戶內戶外的配電室、開閉站、環網柜、分支箱、柱上開關、架空線路等應用場合，因此終端應充分考慮箱體結構、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。

智能終端通訊協議做到標準化，具備良好的接入性和可擴展性，規約設計和選擇上應具有一定的前瞻性；同時也要充分考慮新老設備的兼容性。因此，智能終端必須支持基于串口通訊的IEC570-5-101規約及其適用于與配網自動化相適應的實現細則；同時要支持基于TCP/IP協議的IEC570-5-104規約及與配網自動化相適應的實現細則；而通信協議可根據需要靈活配置，并可實現未來對其他通信方式的擴展、兼容。

配電SCADA和配電GIS是一體化設計，即做到了數據設計一體化、功能分布一體化和界面一體化。圖1所示是系統終端與調度、配調系統的關系圖。

1.3 基本功能

本系統是基于嵌入式系統的智能終端平臺，具備“四遙”功能，同時具備過流保護功能和數據處理功能，并具備大容量存儲和通訊管理功能（支持多協議），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）和自診斷、自恢復功能以及維護和調試功能。

圖1 終端與調度、配調系統關系圖

此外，智能終端還具備就地分布式的邏輯功能，可通過電氣配合實現故障查找、故障隔離、非故障區段自動轉移供電的饋線自愈功能。通過電壓-電流-時限的原理與變電站保護相配合，不依賴通信及主站即可識別饋線發生的故障，并能閉鎖故障區段，使非故障區段快速恢復供電，可自動實現故障點的隔離和非故障區段的轉移供電，可靠性更高。圖2所示是其智能配電終端裝置實物圖。

圖2 智能配電終端裝置

2 技術指標

智能終端經過在有關示范工程中的應用，其主要指標，包括環境條件、電源、遙測、遙信、遙控、故障電流、過流保護、邏輯功能、通訊接口、裝置功耗、絕緣性能等百余個參數指標均達到設計要求。其中主要指標如下：

2.1 遙測

（1）電壓輸入標稱值：220 V/100 V，50 Hz；

（2）電流輸入標稱值：1 A/5 A ；

（3）電壓、電流采樣精度：0.5級；

（4）有功精度：1級；

（5）無功精度：1級；

（6）相角采集精度：<1°；

（7）直流電壓輸入標稱值：0～100 V，采樣精度：0.5級；

（8）直流采樣精度：0.5級；

（9） 標稱輸入值時，每一回路的功率消耗小于0.25 VA；

（10）容量：根據需要可以擴展到9個電壓，24個電流，9個直流。

2.2 遙信

（1）輸入方式：單端輸入；

（2）隔離：500 V DC 的光電隔離；

（3）接線方式：無源接點；

（4）回路電壓：24 V DC；

（5）SOE分辨率小于2 ms；

（6）軟件防抖動時間6～60 000 ms可設；

（7）容量：至少64個遙信。

2.3 遙控

（1）輸出方式：繼電器常開接點輸出；

（2）觸點容量：直流24 V、10 A；交流220 V、10 A。

（3）分合閘脈寬整定范圍：0.1～99.9 s，整定級差0.01 s；

（4）容量：至少18個遙控量。

3 結 語

多通道智能終端采用分布式智能控制方式，充分發揮分布式智能的實時性和可靠性，盡快完成故障隔離，恢復非故障區域供電，減少停電時間和范圍。并且，在具備了配電SCADA的條件下，調度員可以監視和控制故障的處理過程。當通信網絡或主站系統發生故障而不能正常運行時，也不會影響到分布式智能控制系統及時的完成故障處理和非故障段恢復供電的功能。分布式智能功能在具有通道的情況下自動升級為協作模式，通過智能終端之間的相互通信完成故障的定位、隔離及轉供，能夠有效提高故障處理的快速性和準確性；在架空線路中，智能終端能夠與自組網故障指示器結合，實現故障分支和故障點的精確定位。分布智能式控制方式不依賴控制中心和通信系統，故障處理和恢復供電的速度有顯著提高，時間提高到秒級。

參 考 文 獻

[1]鄭楚鋒.基于ADSP-BF533的運動目標檢測及其在車載智能系統中的應用研究[D].西安：西安電子科技大學，2006.

[2]劉兆偉.淺談負荷管理系統在新形勢下的應用[J].電力需求側管理，2007（4）：12-13.

[3]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[4]魯春生.電力負荷管理系統的發展方向（二） [J].電力需求側管理，2007（4）：8-9.

[5]劉兆偉，趙慶建.負荷管理系統中的并發通信設計與實現[J].電力需求側管理，2006（1）：36-38.