配電調(diào)度自動化饋線終端的設(shè)計與研究

詹 敏

（國網(wǎng)四川省電力公司綿陽供電公司，四川 綿陽 621000）

本文致力于深入研究配電調(diào)度自動化饋線終端的設(shè)計，涵蓋了硬件和軟件兩個關(guān)鍵方面。在硬件設(shè)計方面，我們將關(guān)注數(shù)據(jù)采集、處理、故障檢測與隔離、通信等核心模塊的功能和性能，以確保系統(tǒng)的可靠性和高效性。在軟件設(shè)計方面，我們將構(gòu)建一個模塊化和分層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。通過程序?qū)嶒灪蜏y試，我們將驗證自動化饋線終端系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，確保其能夠在實際電力系統(tǒng)中有效運(yùn)行。

1 配電網(wǎng)自動化控制概述

1.1 基于重合閘自動化

重合閘自動化控制是電力系統(tǒng)中的一項關(guān)鍵技術(shù)，有助于提升電力系統(tǒng)的可靠性，降低故障影響。該技術(shù)通過監(jiān)測、控制和協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)的各個方面，以確保電力供應(yīng)的連續(xù)性和質(zhì)量。

自動化重合閘控制系統(tǒng)配備了各種傳感器和監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)測電力系統(tǒng)的狀態(tài)。這些設(shè)備能夠測量電壓、電流、頻率、相位等關(guān)鍵參數(shù)，以便在出現(xiàn)問題時立即進(jìn)行識別和響應(yīng)。這種實時監(jiān)測有助于及早發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的故障和異常情況，從而降低了事故發(fā)生的概率。

基于監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，自動化控制系統(tǒng)能夠自主地作出決策和控制操作。它可以自動打開或關(guān)閉重合閘，調(diào)整發(fā)電機(jī)輸出功率，切換電源路徑，以保持電力系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定。這種自動化決策不僅提高了響應(yīng)速度，還減少了對人工干預(yù)的依賴，降低了操作失誤的風(fēng)險[1]。

1.2 基于FTU 自動化

基于FTU 的自動化系統(tǒng)采用計算機(jī)通信作為運(yùn)維平臺，利用FTU 終端對電力系統(tǒng)的各個參數(shù)進(jìn)行采集和傳輸，并且將數(shù)據(jù)輸送到各個控制子站，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在正常運(yùn)行時，F(xiàn)TU 可以通過對分合閘分段器、斷路器等設(shè)備實現(xiàn)配電系統(tǒng)的倒閘操作，從而優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò)。然而，當(dāng)出現(xiàn)故障時，故障參數(shù)會通過FTU 迅速傳送到各個子站和主站，控制站會對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時定位故障發(fā)生區(qū)域，計算出最優(yōu)解決方案[2]。

圖1 基于FTU 的自動化系統(tǒng)

智能配電系統(tǒng)的基本功能包括遙測、遙信、遙控和遙調(diào)，遙測是其中最基礎(chǔ)的功能，主要通過FTU 終端采集參數(shù)和分析來實現(xiàn)，下面對常見FTU 電參分析原理進(jìn)行介紹。

傅里葉方法是一種高效計算離散傅里葉變換（DFT）的算法，原理是對信號進(jìn)行正弦和余弦進(jìn)行分解，以便更好地理解信號的頻域特性[3]。具體來說，DFT 的主要思想是將一個離散的、有限長度的時域信號（通常是數(shù)字信號）分解成一系列離散頻率分量，這些分量在頻域中以離散的方式表示。DFT 的計算如式（1）所示。

其中頻率檢測采用FIR 濾波器的輸出來計算配電網(wǎng)的頻率，這一方法依賴于從濾波器輸出中獲得的信息，用于推導(dǎo)并近似電網(wǎng)頻率。具體來說，我們利用這些濾波器輸出結(jié)果，進(jìn)行了如式（2）的數(shù)學(xué)處理。

綜上所述，電參測試原理涉及遙測、傅里葉分析、FFT 以及頻率檢測等多個概念，這些方法在電力系統(tǒng)監(jiān)測和分析中具有重要作用，有助于確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和電能質(zhì)量。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件設(shè)備在智能終端裝置中扮演著至關(guān)重要的角色，它們直接影響著智能終端系統(tǒng)的性能和功能。在本研究中，我們專注于設(shè)計配電網(wǎng)饋線終端單元（FTU），這個核心硬件裝置的設(shè)計決定了系統(tǒng)的可靠性和有效性。FTU 是配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它負(fù)責(zé)采集饋線上的電壓和電流數(shù)據(jù)，進(jìn)行功率計算，實現(xiàn)開關(guān)分合閘操作，并提供多重功能，如開關(guān)位置檢測、儲能電氣開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測、信息處理以及獨立故障處理等。

終端裝置（FTU）的硬件結(jié)構(gòu)在本研究中扮演著關(guān)鍵的角色，它是整個系統(tǒng)的核心組成部分。FTU 的硬件結(jié)構(gòu)包括液晶顯示模塊、通信模塊、交流信號處理模塊、開關(guān)量輸入模塊和開關(guān)量輸出控制模塊，每個模塊都承擔(dān)著特定的功能，共同協(xié)作以實現(xiàn)對配電網(wǎng)的監(jiān)測和控制。

1.液晶顯示模塊：這個模塊的主要任務(wù)是提供實時的信息展示功能。它可以顯示配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)的各種電氣參數(shù)，包括電壓、電流、功率等，同時還可以顯示開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)和位置信息。通過液晶顯示模塊，用戶可以方便地了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

2.通信模塊：通信模塊具有雙重通信功能。首先，它能夠?qū)崿F(xiàn)相鄰的饋線終端之間的通信，這有助于協(xié)調(diào)不同終端之間的操作。其次，通信模塊還能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)控制主站與饋線終端之間的通信，以便進(jìn)行更高級別的監(jiān)測和控制。

3.交流信號處理模塊：這個模塊的主要任務(wù)是監(jiān)控配電網(wǎng)的饋線。它采集了8 路交流模擬信號，其中包括3 路電壓信號和5 路電流信號。這些信號用于計算功率、檢測諧波和監(jiān)測電網(wǎng)的電氣參數(shù)。電壓信號可以從配電網(wǎng)饋線的PT（電壓互感器）二次側(cè)導(dǎo)入，而電流信號則從CT（電流互感器）二次側(cè)導(dǎo)入。

4.開關(guān)量輸入模塊：這個模塊具備光電隔離功能，主要用于采集饋線柱上的開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)信息。它可以檢測分合閘位置、儲能情況等狀態(tài)量，以便進(jìn)行相應(yīng)的控制和監(jiān)測。

5.開關(guān)量輸出控制模塊：類似于輸入模塊，輸出控制模塊也帶有光電隔離功能。它用于對配電網(wǎng)柱上的開關(guān)進(jìn)行分合閘和儲能過程的控制。

3 軟件設(shè)計

FTU（饋線終端單元）的軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計體現(xiàn)了高度的模塊化和分層思想，該系統(tǒng)由多個功能模塊組成，每個模塊負(fù)責(zé)不同的任務(wù)，協(xié)同工作以實現(xiàn)整個饋線終端單元的功能。

主程序是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和調(diào)度各個模塊的工作。主程序監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況并進(jìn)行分析與處理，同時生成相應(yīng)的斷路器分合閘指令。主程序還負(fù)責(zé)實時計算采集到的信息數(shù)值，確保系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)各種事件。初始化模塊用于系統(tǒng)的啟動初始化，包括硬件設(shè)備的初始化和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)從配電網(wǎng)中采集電壓和電流等模擬量信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，以便后續(xù)處理。這個模塊是系統(tǒng)與外部世界連接的接口，保證了實時數(shù)據(jù)的獲取。過流判斷及分閘模塊用于檢測饋線上的電流是否超過設(shè)定的閾值，如果是，就生成相應(yīng)的分閘指令，實現(xiàn)對故障電流的隔離。失壓判斷及合閘模塊負(fù)責(zé)檢測饋線上的電壓是否低于設(shè)定的閾值，如果是，就生成合閘指令，以便在電壓恢復(fù)正常時重新接通電路。重合閘模塊實現(xiàn)了對斷路器的合閘操作，確保在故障解除后能夠迅速恢復(fù)電路的供電。通信模塊負(fù)責(zé)與其他FTU 之間的通信，通過CAN 總線傳輸分閘、閉鎖和重合閘指令。整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計保證了各個模塊之間的相互獨立性，使得系統(tǒng)更容易維護(hù)和擴(kuò)展。同時，這種模塊化的設(shè)計方法也提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性，確保了FTU 在不同的運(yùn)行情況下都能夠高效地工作。

4 實驗分析

為了驗證設(shè)計性能，對設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行對應(yīng)測試與分析，以驗證FTU 系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、故障定位、對應(yīng)故障區(qū)域恢復(fù)電力的能力。對故障處理的實驗中還能夠驗證系統(tǒng)的邏輯性和精準(zhǔn)性，以及數(shù)據(jù)采集和傳輸過程是否能夠滿足實時性要求，進(jìn)一步確保設(shè)計系統(tǒng)的性能達(dá)到電力系統(tǒng)的指標(biāo)要求[4]，具體實驗過程如下。

4.1 程序調(diào)試

FTU 的電流故障處理流程中，首先進(jìn)行程序初始化，然后針對執(zhí)行分段開關(guān)功能的FTU，進(jìn)行電流值的比較。如果測得的電流有效值大于設(shè)定值，表明出現(xiàn)了過流現(xiàn)象，觸發(fā)故障處理程序。對于暫時性故障，F(xiàn)TU 會執(zhí)行分閘指令，并啟動計時器。在分閘后，等待一段時間后執(zhí)行重合閘操作，以便系統(tǒng)在故障解除后恢復(fù)正常運(yùn)行。對于永久性故障，F(xiàn)TU 會執(zhí)行跳閘閉鎖指令，同時發(fā)送跳閘信號到出端，最終將分段開關(guān)保持在分閘狀態(tài)。如果執(zhí)行分段開關(guān)功能的FTU 檢測到過流信號并接收到出端FTU 發(fā)送的分閘閉鎖指令，分段開關(guān)將保持閉鎖狀態(tài)不變。

4.2 測試結(jié)果分析

通過使用5 臺FTU 設(shè)備并將它們組網(wǎng)，我們進(jìn)行了相關(guān)測試，以驗證FTU 是否具備就地保護(hù)功能。測試中我們建立了一個環(huán)網(wǎng)型饋線模型。在該模型中[5]，黑色圓圈代表分段開關(guān)，而白色圓圈代表聯(lián)絡(luò)開關(guān)。在正常情況下，分段開關(guān)是閉合的，聯(lián)絡(luò)開關(guān)是斷開的。A、B、C、D 四個英文字母分別表示線路中不同F(xiàn)TU 之間的饋線通電區(qū)段。

在模擬C 區(qū)段發(fā)生故障的情況下，接收到這些輸入信號后，各FTU 立刻檢測到饋線上的故障，并啟動相應(yīng)的故障處理程序。在C 區(qū)段，第一個、第二個和第三個分段開關(guān)上的電流都處于過流狀態(tài)。FTU2 檢測到故障信息后，向FTU1 發(fā)送了分閘閉鎖指令，導(dǎo)致FTU1 對應(yīng)的分段開關(guān)執(zhí)行了分閘閉鎖操作。同樣地，F(xiàn)TU3 向FTU2 發(fā)送了分閘閉鎖指令，使FTU2 對應(yīng)的分段開關(guān)執(zhí)行了分閘閉鎖操作。此外，F(xiàn)TU4 檢測到左側(cè)電壓失壓狀態(tài)，并向FTU3 發(fā)送了分閘指令，導(dǎo)致FTU3對應(yīng)的分段開關(guān)跳閘操作。在此過程中，C 區(qū)段的故障被成功隔離。

為此對模擬配電網(wǎng)進(jìn)行永久性和暫時性兩類30 次重復(fù)實驗，其結(jié)果如表1 所示，通過結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的故障識別能力，符合配電網(wǎng)需求。

表1 饋線C 區(qū)段故障實驗結(jié)果

5 結(jié)語

通過深入研究和設(shè)計配電調(diào)度自動化饋線終端，本文為電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化和智能化邁出了堅實的一步。在硬件方面，我們不僅關(guān)注了數(shù)據(jù)采集和處理的性能，還強(qiáng)調(diào)了故障檢測和隔離的重要性，以提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。在軟件設(shè)計上，我們采用模塊化和分層的方法，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、易于維護(hù)和擴(kuò)展。通過程序?qū)嶒灪蜏y試，成功驗證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，為電力系統(tǒng)的自動化調(diào)度提供了可靠的解決方案，這將有助于提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率、穩(wěn)定性和可靠性。