智能饋線終端模塊標準化及互換性研究

況成忠 鐘春裕 廖鵡嘉 陳子民 夏后鵬 萬延康 孫勇衛(wèi)

摘 要：智能化的饋線終端設備是實現(xiàn)輸配電自動化的重要保障，該設備的主要功能就是實現(xiàn)對輸配電線路的數(shù)據采集、實現(xiàn)輸配電線路的故障自動隔離以及故障消失后自動恢復供電等功能。目前各大廠家生產的饋線終端千差萬別，文章詳細介紹了一種智能饋線終端模塊的硬件組成結構及軟件實現(xiàn)，并進行了驗證性聯(lián)調試驗，該模塊必須采用標準化設計，具備很好的兼容性，能夠實現(xiàn)對同等作用的饋線終端模塊的等效互換。

關鍵詞：饋線;嵌入式;終端;標準化;互換性

中圖分類號：TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1001-5922（2021）07-0105-04

Research On Standardization And Interchangeability Of Intelligent Feeder Terminal Module

Kuang Chengzhong1， Zhong Chunyu1， Liao Wujia1， Chen Zimin1， Xia Houpeng1，

Wan Yankang1，Sun Yongwei2

（1.Nanning Power Supply Bureau of Guangxi Power Grid Co.， Ltd.， Nanning 530000， China;

2.Weisheng Electric Co.， Ltd.， Xiangtan 411100， China）

Abstract：Intelligent feeder terminal equipment is an important guarantee to realize power transmission and distribution automation. The main function of this equipment is to realize data acquisition of power transmission and distribution lines， automatic fault isolation of power transmission and distribution lines and automatic restoration of power supply after the fault disappears. At present each big manufacturer production of feeder terminal differ in thousands ways， this paper introduces a kind of intelligent feeder terminal module of hardware structure and software implementation， and conducts the confirmatory joint debugging test， the module must adopt a standardized design and have good compatibility， can achieve the equivalent interchange of feeder terminal modules with the same function.

Key words：feeder; embedded; terminal; standardization; interchangeability

在電力系統(tǒng)運行過程中，電網實時大數(shù)據在供配電調度輔助決策方面承擔了重要任務。當配電網的饋線線路有故障產生時，一個迫切需要解決的問題便是饋線終端如何實現(xiàn)故障區(qū)域的快速識別，從而有選擇性實現(xiàn)對故障區(qū)域的處理，因此靈活性、可控性、智能性是未來配電網發(fā)展的必要趨勢。配電網自動化是結構錯綜復雜的體系工程，其涵蓋了配電網運行過程中的全部數(shù)據流及全部的實時控制功能。我國的配電網架設布局屬于架空式配電線路，其特點是網絡節(jié)點多，線路分支多、覆蓋范圍廣。很多情況下不僅要實時對故障予以定位，還得保障配電網供電正常，因此帶故障運行并實時診斷故障點也是配電網自動化工程的一項重要的基本功能，這就需要強大的實時數(shù)據支撐。饋線終端在現(xiàn)場實時采集配電網相關運行數(shù)據，將數(shù)據進行處理后經過網絡總線上傳至主控制中心，主控制中心接收到饋線終端上傳數(shù)據后即刻對數(shù)據進行實時分析，解析出饋線終端故障現(xiàn)場實際情況，指明故障發(fā)生區(qū)域，記錄故障相關信息。饋線終端在配電網自動化系統(tǒng)中承擔著“眼睛”的角色，為主控制中心的實時決策提供數(shù)據支持。饋線終端本身也必須具有一定的故障診斷、故障處理能力，例如現(xiàn)場突然產生瞬時過電流現(xiàn)象，而主控制中心對于故障的診斷并實時保護動作需要一定的時間，此時就需要饋線終端發(fā)揮實時故障處理功能，進行故障診斷并實施相應動作。

1 智能饋線終端系統(tǒng)優(yōu)勢

智能饋線能夠實現(xiàn)故障的快速隔離與快速恢復，這樣系統(tǒng)的快速性就有了保障，由智能饋線終端實時就地解決問題，盡可能減少配電網中各種分斷設備的動作數(shù)量和動作次數(shù)，盡可能保障電力供應的持續(xù)性。

當系統(tǒng)中的各個饋線終端都處于正常工作狀態(tài)時，其主控饋線終端能夠快速準確對故障點進行定位，并根據程序中預先設置的應對預案來實現(xiàn)故障的快速隔離與快速恢復，避免了原有方法的多次嘗試性操作，大大減小了系統(tǒng)沖擊。在通信不在線情況下，饋線終端按照原有的電壓時間型邏輯運行，結合斷路器、母線、變壓器等狀態(tài)，通過近后備保護，實現(xiàn)各類設備的協(xié)同配合保護。其自身的智能化功能完善了配電網的故障自愈功能，提高了供電穩(wěn)定性。

其監(jiān)控功能主要包括：運行監(jiān)控、系統(tǒng)維護，以及智能輔助分析功能。運行監(jiān)控指常規(guī)狀態(tài)下的檢測控制，系統(tǒng)維護主要包括線路結構重構、控制策略組態(tài)、整定值的在線計算及下發(fā)等，而智能輔助分析功能包括故障場景還原，動作運行分析等。系統(tǒng)運行過程中，饋線終端將故障處理的過程信息實時反饋監(jiān)控平臺，這些信息包括故障類別、故障區(qū)域、電參量數(shù)值狀態(tài)、通信在線離線狀態(tài)、配電線路開關狀態(tài)，實現(xiàn)故障處理的全程監(jiān)視及實時分析，便于維保技術人員的故障排查，提高工作效率。

后臺監(jiān)控系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)配電網饋線拓撲的維護分析，并實現(xiàn)各類電參量整定值的在線計算、校核和大大提高了系統(tǒng)維護的效率。系統(tǒng)自身即可自治實現(xiàn)配網的故障處理功能，安裝實施簡單可靠，維護簡便，便于推廣應用。

無線WIFI通信技術是架空配電線路的標配，本系統(tǒng)要求提高投資收益比，即要求實現(xiàn)無線WIFI功能前提下不增加現(xiàn)有投資，資金充裕前提下采用光纖通信則可得到理想效果;在資金緊張時，可使用其他替代方式（諸如GPRS）構建通訊網絡，同樣快速實現(xiàn)故障快速隔離及快速恢復。但是故障隔離的選擇性大不如前。

2 智能饋線終端的工作原理及硬件功能

智能饋線終端在配電網自動化系統(tǒng)中主要承擔數(shù)據的實時采集、傳輸，以及執(zhí)行主控制中心下發(fā)的執(zhí)行指令，它在整個配電自動化系統(tǒng)中起到最基本的測控功能，是系統(tǒng)的基礎單元。

由于該智能饋線終端提出了可互換性的要求，因而對于對外接口提出了多樣性要求，其主控CPU的對外通信接口應當能夠兼容各種常規(guī)制式的通信協(xié)議，模擬量遙信量采集單元同時具有多種電參量等級的采樣通道，以適應不同電參量等級的輸入信號，其供電電源應該能適應各種供電制式的電源輸入。

智能饋線終端七大核心部件，主控制單元、模擬量采集單元、遙信量采集單元、人機接口單元、供電單元、無線數(shù)據傳輸單元、輸出驅動單元以及一個選配部件，殘壓閉鎖單元。其組成框架如圖1所示。

主控制單元是控制器的核心，主要有CPU處理器、SRAM、NOR FLASH、NAND FLASH、以太網接口、RS232串行接口、數(shù)據總線、地址總線、CAN總線等組成。

主控模塊CPU處理采用雙CPU，分為主控CPU和測控CPU，二者功能劃分如圖2所示。主控CPU采用ARM9芯片，充分利用ARM系統(tǒng)的管理功能，包括通信及文件系統(tǒng)，主要實現(xiàn)通訊及顯示和規(guī)約解析等，如數(shù)據存儲、ESAM安全加密、以太網通訊、RS458/RS232通訊和液晶顯示等功能。測控保護系統(tǒng)采用DSP高端芯片，性能優(yōu)越，主要實現(xiàn)信號采集，包括遙信和交流電壓電流信號采集，保護邏輯及出口動作。

模擬量采集單元采集交流電壓、交流電流和直流電壓，采集模擬量為：AB線電壓、BC線電壓、電源側零序電壓、負荷側零序電壓、A相電流、B相電流、C相電流、零序電流、電池電壓。其中零序電壓均為電子式互感器信號。遙信量采集單元采集多個遙信量，例如開關合位、開關分位、未儲能等。人機接口單元實現(xiàn)液晶顯示、指示燈、按鈕等。

由于智能饋線終端安裝在戶外，對于控制器電源所用的元器件要求較高，應適應環(huán)境條件，才能保證其正常工作，應考慮電源輸入端與輸出端之間的絕緣電阻和介電強度。對于配網控制器設備來說，其供電要求相對較高，在常規(guī)的交流電源掉電后仍舊需要保證設備在相當長的一段時間內能夠正常工作，這就要求電源裝置具有類似于蓄電池的儲能單元，并且要求具有能量管理功能。直接從供電電網，對設備的電網適應性能力和其輸入電壓的范圍都提出了非常高的要求。電源的供電設備較多，包含了不同的電壓等級類型，因而其輸出需要有多路電壓等級。對于二次設備，輸出電壓一般為5、15、24V等;對于一次設備則相對差別較大，如24V儲能操作機構、110V永磁操作機構、交流操作機構等，要求配網設備電源系統(tǒng)應可以根據需要輸出滿足要求的直流電。

饋線終端采用雙交流供電方式，主電源使用配網行業(yè)專用電源，輸入為標準220VAC，輸出為27V帶超級電容（或者蓄電池）管理功能，輸出功率可達300W，輸入和出輸出隔離4kV耐壓，后備電源選用27V、30F超級電容，保證在交流失電后，驅動開關分/合閘操作各3次后裝置正常工作15min以上，確保故障信息傳輸至主控制中心。

無線數(shù)據傳輸單元屬于遠程通訊設備。是一種基于大數(shù)據物聯(lián)網系統(tǒng)的通信工具，利用通信運營商的無線通信資源為用戶遠程數(shù)據通信功能。設備同時兼容RS232和RS485 通信協(xié)議，可直接通過計算機的串行通信接口連接到設備，實現(xiàn)數(shù)據的多元化傳輸功能。輸出驅動單元提供了分合控制輸出，輸出驅動從CPU發(fā)出驅動信號，經光耦隔離驅動后，接入遙控分閘和合閘驅動繼電器的線圈，驅動繼電器的常開接點接通電源，引入到開關本體的分閘和合閘線圈，完成開關的分合閘操作。其具體功能主要包括如下5點：①控制器接受并執(zhí)行來自主站或子站的遙控命令，完成開關的分、合閘操作;②具有遠方/本地轉換開關：可就地實現(xiàn)開關的分、合閘操作;③分別記錄并保存主站及當?shù)剡b控記錄;④軟硬件防誤動措施，保證控制操作的可靠性;⑤每個遙控接點可以單獨設置動作保持時間。

殘壓閉鎖模塊為可選模塊，利用高速磁保持繼電器獲取X時限內的短時間電壓瞬時脈沖，做到能夠檢測出60V及以上持續(xù)20ms及以上的殘壓脈沖并在住控制器啟動時給予觸發(fā)閉鎖信號。

3 統(tǒng)一的內外接口

饋線終端單元采樣插拔式結構，統(tǒng)一定義饋線終端各模塊的外部接口和內部接口，實現(xiàn)不同廠家饋線終端各模塊的互換。

4 智能饋線終端的模擬量采集算法

由于實時數(shù)據采集是智能饋線終端的主要功能，因此模擬量的采集算法直接對整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定性產生影響。

電壓、電流等模擬量信號經過信號調理電路和AD轉換電路后成為數(shù)字量信號，測控CPU對這些數(shù)字量信號進行處理，得到最終所需得信號類型。模擬量采集算法的主要任務是從包含有干擾信號的輸入信號中，快速準確提取所需的電參量。本文采用的是全波傅里葉算法。

假設數(shù)字量信號是與時間相關的的周期性函數(shù)，其周期為T，an和bn為諧波的正余弦幅值，由此得到基波分量表達式為：

其中，

根據第1個和第N個采樣點，則可以得到：

這樣就得到了基波分量表達式。

5 案例實證

由于測試條件和測試環(huán)境不允許，對饋線終端的故障定位功能進行了模擬測試。根據測試要求組建測試平臺，利用串口將饋線終端與人機接口對接，對配電網終端進行相關參數(shù)的配置，并通過標準的三相功率源對饋線終端裝置提供電參量信息。正常工作時，饋線終端的最大線路電壓為220V，電流為5A，模擬給定故障電流為10A。如圖3所示為系統(tǒng)故障記錄，圖4為操作記錄。

分析數(shù)據可知，3號、4號、6號繼電器動作，故障發(fā)生時間為09：55：3：87時刻，繼電器動作時間09：55：18：746，保護動作時間5s左右。與傳統(tǒng)的故障保護動作時間相對，采用新算法及新保護方法大大提高了保護速度，進一步減少了故障對設備的影響程度和縮小了故障區(qū)域，且只需要一次分閘動作即可實現(xiàn)保護。

6 結語

文章設計了一種智能化的饋線終端，其能夠實現(xiàn)多配電場合的應用，實現(xiàn)對原有饋線終端的等效替代功能，具有標準化設計流程，和非常好的可互換性及可替代性。對硬件結構和功能進行了分析，列舉了其優(yōu)越性。最終通過實驗室模擬測試的方法驗證了其有效性。

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