新型智能化配電網通信柜的研制

陳嘉，田志峰，呂為，高強，黃曉奇

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

新型電力系統背景下的配電通信網建設工作中存在通信設備運行現場環境復雜、設備電源可靠性低、抗多點故障能力弱等業務痛點。（1）配網通信電源相關故障嚴重影響快速復電成功率。在出現線路跳閘后，無論是集中式線路自愈，還是需進行快速復電操作，都需要配網通信設備為配網自動化應用提供通道保障。在交流市電跳閘斷電的情況下，目前無法采取有針對性地應急供電措施，從而不能有效保障線路自愈或快速復電。（2）配網通信電源相關故障長期擠占大量運維資源。按某地區供電局2021 年配網通信搶修工程量統計，約57%的搶修臺班與設備電源有關，尤其是配電電停電檢修引起的配電數據網交換機環跳工作消耗大量人力物力，成本效益很低卻又不得不為之。（3）缺乏監控配網通信設備運行環境的有效技術手段。配電點通常運行環境惡劣，目前的技術手段無法對配網通信設備的運行環境進行有效的實時監控，不能感知設備用電狀況，更談不上落實事故預防措施，設備損耗率長期居高不下。為此項目組調研了大量的配網現場環境，采集了設備安裝空間、電源配置等信息，針對柜體小型化、完備的供電系統、靈活的安裝方式等開展了深入的技術論證，原創設計開發了一種應急能源智慧管理裝置，主要解決配網通信設備應急供電和環境監控等一系列問題。

1 總體設計

柜體布局結構主要由應急儲能組件、智慧電源管理組件、交換機放置區、ODF 配線單元區、繞纖單元區和光纖固定單元區等組成。柜門為防盜結構，裝有門禁監測感應器，采用帶限位器伸縮撐桿鉸鏈。柜體外殼依照IP34 防護等級設計，并用金屬層板隔離出獨立的蓄電池系統區，以起到限制鋰電池包熱失控故障風險影響范圍的作用。在柜體底部過線孔開槽并裝有可拆卸式鎖片，支持免ODF 割接的低施工成本改造方式。

其中智慧電源管理組件除具備基本的交流220V 轉直流24V 供電功能外，具有寬范圍輸入、良好的輸出調整率，具備輸出過壓保護、輸出過流（短路）保護、輸入過壓、欠壓保護、整機過溫保護、浪涌電壓保護以及EMI 濾波等功能；整合了電池管理模塊，可實現對磷酸鐵鋰電池智能充放電管理功能；配置了基于ARM 架構的感知系統，可實現交直流電量參數、柜體環境溫濕度和門禁狀態信息的采集管理；內嵌了IEC61850 標準通信協議模塊，可實現監測、控制信息在終端側和監控平臺側之間的數據交互。

應急儲能組件選用帶電池管理系統管理25Ah 的磷酸鐵鋰電池，能滿足主流配電數據網交換機18 小時以上的后備工作時間要求。在交流市電跳閘或停電檢修情況下，仍能為環網內配網自動化業務提供可靠通道，可有效保障配網線路自愈或快速復電。

主站監控平臺設計為B/S 架構。采集后臺支持通過IEC61850 協議進行接收遙測、遙信數據，下發遙控、遙調配置。采集程序接收測量設備的原始信息，包括周期推送、實時變化數據等。具體通過kafka 實現信息數據的流轉。

2 智慧電源管理組件工作原理

智慧電源管理組件（以下簡稱PDU）邏輯架構參照圖1，其中各模塊詳細設計如下。

圖1 邏輯架構圖

（1）主程序。主程序主要功能：對IEC61850 通訊管理、RS485 通訊管理、LTC4162 充電管理、AC（220V）參數采集管理、DC 參數采集管理、溫濕度采集管理、門禁管理、LED 顯示、調試信息的信號采集、處理、控制以及信息數據打印，以到達對每個功能模塊進行實時數據采集、處理、監控與時間片段輪訓上傳到監控后臺服務器端，實現與無人看守的智能監控控制。

（2）通訊模塊。IEC61850 通訊：通信電源系統提供以太網口（100Base-T）與監控主站之間通信。通信電源系統與監控主站之間采用TCP 方式進行通訊，通信電源系統作為TCP 服務端，監控系統作為TCP 客戶端。通信電源系統同時支持不少于4 個監控系統同時訪問。通信電源系統與監控系統通信之間采用DL/T860 標準（IEC61850）上報數據，具體遙測、遙信、遙調、遙控量參照技術規范的要求，使用統一的監控名稱及邏輯名稱。IEC61850 通信電源遠程監控協議滿足《電網通信電源監控系統技術規范》（Q/CSG1204027-2018）相關要求的設計，同時滿足PDU 核心控制模塊為從機，IEC61850 管理模塊為主機，數據通訊協議進行數據的交互設計。

RS458 通訊：把MCU 出來的一條的TTL 信號經過芯片轉換為兩根線（線A、線B）上的信號。當MCU 給轉換器輸入低TTL 電平時，轉換器會使得B 的電壓比A 的電壓高，反之，A 的電壓比B 的電壓高。RS485 協議規約兩條電平線上差值為多少表示0 或者1，在通過自定義的主從機數據通訊協議進行數據的交互設計。

（3）LTC4162 充電管理。LTC4162 充電管理IC 通過IIC 硬件接口連接，在使用相應的IIC 通訊協議進行讀取輸入電壓、電流、輸出負載電流、電池電壓、電流等參數，同時能設置輸入電壓、電流以及電池電壓、電流的上下限值等參數的充電管理。實現PDU 核心控制模塊為主機，LTC4162 充電管理模塊為從機，實時監控遙測設置。

（4）溫濕度采集管理。溫濕度采集管理IC 通過IIC 硬件接口連接，在使用相應的IIC 通訊協議進行讀取溫度、濕度參數，實現PDU 核心控制模塊為主機，溫濕度采集管理模塊為從機，實時監控遙測機柜環境溫濕度。

（5）門禁管理。門禁管理通過PDU 核心控制模塊的輸入IO 進行電平高電位，低電位的檢測，低電位開，高電位關，以及低電位持續多長時間的監測。

（6）BMS 管理設備。BMS 管理設備通過對電池包里的每節電池電壓的過壓、欠壓；電流的過流的管理以及電池過充、過放、電池短路管理控制，實現PDU 核心控制模塊為主機，BMS 管理設備為從機，實時監控遙測BMS管理設備情況通訊接口采用標準的RS485電氣接口，采用自定義的數據通訊協議實現。

（7）LED 顯示。實現對是否有AC（220V）；電池包是否在充電以及是否有DC 輸出的指示提醒，AC220V接入時AC 紅燈亮，電池充電指示燈亮，DC 供電指示燈滅；AC220V 停電時AC 紅燈滅，電池充電指示燈滅，DC供電指示燈亮。

3 應急儲能組件選型分析

通過調研分析發現，配網通信設備對應急儲能的需求主要有3 點：一是續航時間要夠長。交流市電中斷后，設備續航時間必須能夠覆蓋絕大多數停電事件的持續事件，一般要保證12 小時備電。二是運行耐溫要夠高。在華南沿海城市地區，配電房設備運行現場環境溫度通常都在40 ～50℃區間浮動。三是采購成本要夠低。按照華南沿海超大城市電網2 萬多個配電點的規模來全覆蓋改造，采購成本控制得好不好將直接影響成果產品推廣應用情況。

基于以上選型需求，參考目前應急儲能市場主流技術方向，對以下幾種儲能技術進行了論證。

（1）耐高溫鉛酸蓄電池。耐高溫鉛酸蓄電池是基于節約運營商基站空調能耗而設計的，持續高溫使用安全可靠。相比傳統的鉛酸蓄電池，其差異特性見表1。

表1 耐高溫鉛酸蓄電池差異特性表

雖然耐高溫鉛酸蓄電池運行溫度特性符合需求，但是其體積大、循環壽命短、故障率高等缺點較難解決。

（2）超級電容器。超級電容器與傳統電容器相比，有極高的儲能密度，具有低內阻、高功率、寬工作溫區、超長循環壽命等特性，且原材料天然無污染。超級電容器在-40 ～65℃主要性能指標幾乎無差異，溫度特性符合需求。但是，作為其主要優點的快速充電和瞬間大功率放電能力，對于配網通信場景而言并非關鍵因素。反而，目前超級電容器生產成本較高，不符合本場景需求。

（3）鋰電池。鋰電池按極片材料的不同又可細分為磷酸鐵鋰電池(LFP)、鈷酸鋰電池(LCO)、錳酸鋰電池(LMO)、鎳鈷錳酸鋰電池(NCM)等。相比于其他材料，LFP 電池耐高溫，工作溫度范圍在-20 ～75℃，熱峰值最高可達500℃。并且安全穩定性好，相對于其他材料的層狀晶體結構，LiFePO4具有緊密堆積的橄欖石結構，難以分解，即便在高溫或過充時也不會發生結構崩塌發熱或形成強氧化物質。LFP 更適用于配電網運行場景，是本項目的優選方案。

4 主站監控平臺

主站監控平臺通過軟件實現了61850 協議轉換，充分挖掘了服務器的運算能力，節省了61850 協轉設備的硬件投資。其采集后臺定時通過61850 協議連通站點電源柜測量設備采集遙測、遙信到kafka，同時具備接收kafka 的遙控、遙調消息數據通過61850 協議進行下發。適配后臺接收kafka 的遙測、遙信消息數據進行適配入庫，同時兼具接收界面下發調用往kafka 遙控、遙調生產消息。數據庫存儲采集回來的遙測、遙信、遙調信息。界面提供了所有相關可操作的功能頁面，包括監控管理、歷史信息、統計報表、系統管理等等功能。在服務器云與配電數據網的互聯方式上也特別部署了安全隔離防火墻，屏蔽可能來自各配電房、環網柜的網絡攻擊（圖2）。

圖2 監控平臺聯接拓撲

5 結語

本成果在配電網通信設備柜中實現了支持多維運行環境要素感知系統和對鋰電池智慧管理系統的整合，并原生支持IEC61850 協議，以及實現可視化遠程監控和便于施工、改造、運維的結構設計。本成果能在惡劣的環境下工作，同時具有交直流同時輸出功能；具備應急供電功能，以及對磷酸鐵鋰電池智能充放電管理功能，確保配網交換機掉電不掉線；實現了對復雜運行條件下的多維環境要素感知，具有“可靠、可測、可控”獨特優勢。本成果產品的推廣，可通過保障配網線路自愈或快速復電操作來減少間接經濟損失，降低搶修及檢修運維人工成本，降低設備運行損耗帶來的直接經濟損失，并通過在線監控設備用電狀態，指導針對性的事故預防措施以節約投資。