開閉所綜合智能終端的設計與實現

張延輝 郭 立 朱 莉 付曉勇（國網鄭州供電公司，河南 鄭州 450000）

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開閉所綜合智能終端的設計與實現

張延輝 郭 立 朱 莉 付曉勇
（國網鄭州供電公司，河南 鄭州 450000）

摘 要：本文針對配電網級聯開閉所供電關系特點，將線路光纖縱聯保護和方向保護的思想引入配電網的故障處理，設計并實現了一種開閉所綜合智能終端，除了具備常規站所終端（DTU）基本功能之外，還兼具功率方向保護功能、光纖縱聯保護功能、重合閘功能等，在不依賴主站及通信的情況下能就地快速隔離故障區域和恢復非故障區域供電，并將故障處理信息匯總上傳主站，廣泛適用于目前配電網發展現狀的要求。該設計實現站所終端（DTU）和故障處理的功能，具有功能完善、運行可靠、測量精度高、硬件通用性強、可擴展性高的優點，并具有串口和網口多種類型通訊接口接入系統主站，有著廣闊的應用前景和較強的市場競爭力。

關鍵詞：配電網；級聯開閉所；站所終端（DTU）；光纖縱聯；STM32

1　前言

配電網自動化系統能夠迅速實現對故障區域的隔離和非故障區域的供電自動恢復，減少停電面積，縮短停電時間，提高配電網運行的可靠性。隨著科技的發展，配電自動化展現出配電系統的多樣化、集成化、智能化的新特征。在我國的電力系統中，35kV及以下電壓等級的開閉所約占變配電所總數的70%左右。因此站所終端（DTU）的研究是實現配電自動化的關鍵問題之一，對整個配電系統提高供電安全性、可靠性，提升綜合優化控制和管理水平等方面都具有重要的意義。

本文針對配電網級聯開閉所供電關系特點，將線路光纖縱聯保護和方向保護的思想引入配電網的故障處理，設計并實現了一種開閉所綜合智能終端，除了具備常規站所終端（DTU）基本功能之外，還兼具功率方向保護功能、光纖縱聯保護功能、重合閘等功能，在不依賴主站及通信的情況下能就地快速隔離故障區域和恢復非故障區域供電，并將故障處理信息匯總上傳主站。

2　終端設計要求

2.1總的要求

針對目前配電自動化故障處理模式的不足，開閉所綜合智能終端的設計應具備以下幾個特點：

（1）縮小停電范圍，加快故障處理和供電恢復，利用光纖通信速度；

圖1　終端裝置硬件結構圖

（2）減小故障處理對主站依賴，避免故障處理集中在主站；

（3）無通信或者通信故障時配置后備保護以及失靈保護，提高可靠性；

（4）集成“三遙”功能，隨時能夠配電自動化主站系統，便于維護和管理。

2.2功能要求

2.2.1滿足《DLT 721-2013配電自動化遠方終端》標準中的配電自動化遠方終端的總體要求、基本功能要求和站所終端必備功能要求以及技術要求。

2.2.2故障處理保護功能設計要求

（1）自主協商式縱聯保護

結合配網的特點，利用光纖傳遞狀態信息，自主協商，實現站所間光纖縱聯保護，相互級聯的開閉所占用一個時間節點；

（2）方向過流保護

具有帶方向判別的過流Ⅰ段，過流Ⅱ段保護，而且保護定值具有自適應功能，能根據電源點變化時使用不同的保護定值。針對不同的開閉所結構，裝置可配置不同的保護類型：如線路出線保護、聯絡進線保護、聯絡出線保護、母聯開關保護等；同時作為通訊故障時，縱聯保護失效時，過流保護進行延時跳閘；

（3）智能失靈保護

在開關拒動情況下，實現拒動開關的上一級開關跳閘，保證在開關故障條件下，停電范圍最小；

（4）重合閘功能

根據當前電壓及開關狀態邏輯關系自動判別進行重合，達到供電恢復的目的。

2.2.3控制回路功能設計要求

具備遠方/就地切換開關及合、分操作按鈕、復位按鈕。配合一次控制設備可由遠方或當地控制開關合、分閘操作。每個回路具備完善的斷路器操作回路功能，具備防跳功能和控制回路監視功能。

3　整體結構設計

開閉所綜合智能終端裝置采用4U19英寸后插拔式鋁合金機箱。站所終端裝置各功能模塊通過總線處理模塊與CPU主控板進行信息交互，由CPU主控板完成信息處理、采樣計算、邏輯判別等，最終實現保護、測量、通訊等功能。具體硬件構成如圖1所示。

4　硬件設計

4.1人機接口模塊

人機接口模塊主要完成信號燈指示、液晶顯示和按鍵輸入等功能。

4.1.1信號燈設計

共設計24個高亮LED信號燈，主要完成終端運行狀態指示、告警狀態指示、終端故障指示、通訊狀態指示和6個回路的跳合閘指示和保護動作指示。

4.1.2按鍵設計

共設計6個按鍵，采用帶LED背光按鍵，具體功能分為“△”、“▽”、“”、“”、“確認”、“取消”。

表1　電源配置說明

4.1.3液晶設計

終端設計采用圖形化中文菜單顯示的320×240點陣液晶屏，藍底白字，顯示內容明了清晰。

4.2電源模塊設計

采用經EMC檢測合格的開關電源，為裝置各功能模塊提供不同類型的電源，經總線處理模塊與其他模塊進行接口，具體內容見表1。

4.3 交流電流輸入板硬件設計

交流電流輸入板上采用12個精密電流變換器，用于將二次交流信號進行隔離變換為0～5V小電壓信號，經總線處理模塊輸入到模數轉換器（AD）。

4.4交流電壓輸入板硬件設計

交流電壓輸入板上采用6個精密電壓變換器，用于將二次交流信號進行隔離變換為0～5V小電壓信號，經總線處理模塊輸入到模數轉換器（AD）。

4.5開入開出板硬件設計

4.5.1開入部分硬件設計

故障處理終端的開入量主要有開關位置、遠方操作允許、事故跳閘、彈簧未儲能、上隔離工作位、下隔離工作位和閉鎖輸入信號等，送入主芯片進行數據處理。

4.5.2控制回路開出硬件設計

與斷路器控制回路配合，完成手動跳合閘，保護跳合閘，遙控跳合閘，斷路器位置狀態監視，跳合閘線圈狀態監視，防跳功能，控制回路狀態監視等功能。

4.6CPU主控模塊設計

整個裝置的核心處理單元，采用STM32F103ZE作為主控芯片，利用其豐富外設實現AD轉換和計算、開入開出控制、定值及故障存儲、時鐘處理、串口通訊和網口通訊等功能。

4.6.1STM32F103ZE主控芯片

STM32F103ZE是一款由意法半導體S T公司生產的高性能的A R M?CortexTM-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器（高達512K字節的閃存和64K字節的SRAM），并具有豐富的增強I/O端口和外設。包含4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C接口、3個SPI接口、1個SDIO接口、5個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。豐富的外設和優化的處理性能使STM32F103ZE芯片可完全兼顧快速邏輯控制和數據運算的功能。

4.6.2AD采樣處理

AD采樣處理部分采用兩片AD7606轉換芯片，通過SPI接口與STM32進行通信，由主芯片控制AD采樣過程，每周波采集64點。AD7606是由ADI公司生產的16位逐次逼近型8通道同步采樣ADC，單5V供電并可處理雙極性輸入信號，內置模擬輸入鉗位保護、二階抗混疊濾波器，所有通道的采樣吞吐率均可達到200KSPS。由交流采樣模塊輸入的信號經簡單的阻容濾波即可直接接入AD芯片，實現16路模擬信號的快速轉換。

4.6.3開入開出控制

STM32F103ZE具有112個增強型通用IO端口，且所有IO端口均兼容CMOS和TTL電平。每個IO可隨意配置為輸入或輸出，輸出電流高達8mA且可吸收20mA以上輸入電流。所以由STM32F103ZE的通用IO端口輔以光耦構成開入開出控制電路。

4.6.4定值及時鐘處理

利用STM32F103ZE的I2C接口擴展1 片FM24CL16和時鐘芯片SD2405完成定值存儲和時鐘處理。FM24CL16為鐵電存儲器，存取數據速度快且操作簡單，2K字節的容量可方便設置多套定值；SD2405集成了實時時鐘、晶振和可充電電池，供電電源自動切換，年誤差小于2.5分鐘。

4.6.5故障存儲

利用STM32F103ZE的I2C接口和SDIO接口外擴1片FM24CL64和MicroSD卡用于故障記錄存儲和故障錄波存儲。FM24CL64為鐵電存儲器，存取數據速度快且操作簡單，8K字節的容量可記錄多大300條故障記錄。

4.6.6 通訊功能

采用STM32F103ZE的2路USART接口輔以串口轉換芯片構成2路RS485通信通道實現串口通訊功能；利用SPI接口擴展以太網控制芯片ENC28J60，輔以HR901170A實現1路以太網通訊功能。

4.7光纖通訊模塊硬件設計

終端裝置所要求光纖通信模塊至少要2個光纖通信接口（環進環出）、具備百兆網口、并兼容232/485串口通信，通信運行穩定，適合電力行業應用環境。經過對比分析，最終決定采用武漢邁威光電技術有限公司生產的MIEN3105C低功耗工業以太網交換機。

5　軟件設計

裝置整體軟件程序采用標準C語言編程，程序執行效率高，可讀性和可移植性高。軟件主要由初始化程序、采樣中斷服務程序、保護測量計算程序、保護功能處理程序、面板通訊中斷服務程序、裝置通訊中斷服務程序、光纖串口通訊中斷服務程序等組成。

5.1初始化程序

完成裝置功能所需要的硬件外設初始化和軟件數據的初始化，主要包括系統時鐘初始化、IO端口初始化、I2C/ USART/SPI接口初始化、中斷配置、定值及重要變量初始化等。

5.2采樣中斷服務程序

通過STM32F103ZE內部定時器中斷啟動A/D轉換，設定初始采樣頻率3.2kHz，即312.5us啟動一次A/D。AD7606的A/D轉換完成后，由SPI接口經DMA通道讀取采樣數據。采樣中斷服務程序主要完成AD采樣控制和采樣數據讀取存儲。

5.3保護測量計算程序

采交流采樣算法有多種多樣，裝置采用快速傅氏變換（FFT）。傅氏算法對諧波具有良好的濾波作用，基波的計算精度也相當高，并且在STM32中集成了硬件乘法器，相乘累加在重復命令下都是單周期指令，因此，本設計采用快速傅里葉變換（FFT）對采樣數據進行計算處理，算出各通道電量的實部虛部，然后開方得出當前實時電量信息，作為保護處理的依據。

5.4保護功能處理程序

根據當前實時電量和狀態信息，按預定邏輯實現不同類型的保護功能處理，并根據實際情況進行狀態更新和故障信息處理。其中主要的邏輯判別和保護功能判別為方向判別、站內站間閉鎖信號判別、智能縱聯保護判別和過流保護判別。

5.5面板通訊中斷服務程序

按照預定通訊協議（內部規約）處理與面板通訊信息，主要上傳電量和狀態實時信息、接收面板下發定值和時鐘。

5.6裝置通訊中斷服務程序

按照預定通訊協議（Modbus/101/104）處理與主站后臺系統通訊信息，完成與后臺系統信息交互。

5.7光纖串口通訊中斷服務程序

光纖串口通訊中斷服務程序主要完成與光纖通信模塊間的信息傳輸，利用自定協議進行通信，串口通信中斷服務程序嚴格按照協議幀格式進行信息組織，完成信息體的接收和發送，進而實現光纖快速傳輸信號的功能。

結語

本文通過對國內對配電自動化主流發展模式的研究，結合目前配電自動化發展趨勢，針對配電網級聯開閉所的供電特性提出設計一套開閉所綜合智能終端。該終端兼具常規站所終端（DTU）的功能和完善的保護功能，即可與配電主站配合實現饋線自動化功能，也能就地實現故障隔離和供電恢復，對配電自動化的發展具有重要意義。本文中的設計方案和終端軟硬件設計均已投入到了實際產品和應用當中。終端產品已經通過了國家繼電保護及自動化設備質量監督檢驗中心的型式試驗；新型的故障處理方案已經在鄭州市近200個開關站（開閉所）驗證并運行，運行情況良好，達到了預期設想和要求。

參考文獻

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[2] DLT 721-2013，配電自動化遠方終端[S].

[3] ST《STM32F系列ARM內核32位高性能微控制器參考手冊V10_1》[Z].

中圖分類號：TM727

文獻標識碼：A