配电自动化终端技术分析

1配电自动化终端技术分析近几年，国家投入几千亿资金，有计划、有步骤地对城市电网（含配电网）及农村电网进行改造和建设，对配电网10kV网络结构按N-1供电可靠性准则，逐步由辐射型供电网络改造为“手拉手”环网供电开环运行模式。同时，对10kV馈电线路、分段开关、联络开关、环网柜等配电设备进行改造更新，为实施城市配电自动化（DA）打下了良好的基础。配电终端是DA系统的重要组成部分，位于基础层。DA系统的实时数据、故障自动处理的判据、开关设备的运行工况等数据都来源于配电终端，故障隔离、负荷转移、恢复非故障区段的供电、对馈线上开关的分/合操作都是通过配电终端去执行，配电终端工作的可靠性、实时性直接影响整个DA系统的可靠性和实时性。1个配电系统只能有1个主站，而配电终端少则有几十台，多则几百台甚至上千台。配电终端广大的市场吸引了众多厂商投入配电终端产品的开发。为促进DA的发展，本文将对配电终端的特点、分类、关键技术、用户需求及发展现状和前景进行分析和总结。1配电终端的特点和分类1.1特点1.1.1具有故障自动检测与识别功能配电终端不仅能够在系统正常情况下监测配电网馈线运行工况，更主要的是在馈线故障情况下能够快速、可靠地捕捉故障信号，判断发生故障的类型（是单相接地故障还是相间故障）,为DA系统进行故障处理提供准确、可靠的判据。不同的配电系统，或同一配电系统的不同馈线，其故障的电流门槛值不尽相同，要求终端故障电流的门槛值能灵活整定。故障持续时间Δt要与首端开关保护时间相配合，为防止干扰，Δt应根据现场实际情况而整定。要求准确、实时地捕捉馈线故障信号，这是配电终端不同于其他终端（如RTU）的显著特点。1.1.2提供可靠的不间断电源配电终端应用场合特殊，尤其在架空线柱上或户外环网柜上安装，配备不间断电源十分重要。DA系统在故障自动处理过程中，当馈线环路出现永久性故障时，环路出线开关保护动作跳闸，导致馈线全线停电，这时配电终端、通信设备、2一次设备开关的操作都要求不间断电源供电。因此，提供可靠的不间断电源是配电终端开发设计中首要考虑的问题。1.1.3满足户外工作环境的要求架空线柱上或环网柜的配电终端（FTU）大多是户外安装，工作环境较恶劣，户外温度范围为-40℃～+85℃，因此，要求终端功耗小、外壳强度大、体积小，具有防水、防潮、防震、防腐蚀的性能。对配电终端的元器件选择、软硬件设计、制作工艺，都要适应户外环境的工作条件。1.1.4满足电磁兼容性（EMC）的要求配电终端和高压一次设备在一起，强电和弱电同处一个环境，因此，为保证终端工作的可靠性，在设计中必须考虑电磁兼容性。具体要求如下：a.防止周围环境的电磁干扰源对终端的影响，如雷电干扰、电弧放电高频辐射干扰、开关设备动作时的干扰、开关设备操作时产生过电压的干扰、开关电源和静电放电等干扰源的电磁波影响，b.防止终端设备本身产生的电磁波对其他设备和人体的影响。配电终端设备必须通过专业的EMC试验室严格测试并符合相应的EMC国标要求。1.1.5支持多种通信方式和通信协议配电终端是DA系统的基本控制单元。配电终端对上与配电子站或主站进行通信，将终端采集的实时信息上报，同时接收子站/主站下达的各种控制命令；对下要求与附近的配电变压器配变终端（TTU）通信，TTU的信息通过配电终端传送到子站或主站；配电终端内部的通信，例如环网柜或开闭所的配电终端采用分散式设计，分散的监控单元与通信控制单元间需要通信，配电终端与站内或开关设备等其他智能控制单元间也需要通信。因此，对配电终端通信功能要求比较严格，无论通信方式、通信协议、通信接口都要满足DA的要求，主要包括：a.硬件设计要求终端具备多种类型的通信接口。①串行接口：RS-232，RS-485；②工业现场总线接口：CANBUS或Lonworks；③以太网接口。b.支持多种通信方式。光纤自愈环或光纤以太网、配电载波DLC、无线、音频电缆等通信方式。3c.支持多种通信协议。目前国内常用的有IEC60870-5-101，DNP3.0，MODBUS，JBUS，CAN2.0B，TCP/IP，IEC1334等通信协议。1.1.6具有远程维护、诊断和自诊断功能配电终端安装在柱上或户外这一特定环境，而且数量大，不可能靠人工维护，要求终端本身具有完备的自诊断、自恢复能力，同时具有远方维护功能，包括远方参数整定、远方下载、远方诊断。1.2分类1.2.1按应用场合分类a.架空线柱上配电终端（FTU），用于架空馈线的配电终端，单路/多路测控配置。b.环网柜配电终端（FTU），用于电缆供电的环路配电终端。c.开闭所配电终端（DTU），用于配电网10kV开闭所（开关站）。d.变压器配变终端（TTU），用于配电变压器监测和无功控制。1.2.2按结构体系分类a.分散式配电终端。类似变电站自动化监控单元，以一次开关设备为对象进行设计，配电监控单元可分散在线路开关柜上安装，亦可集中组屏。每个监控单元独立工作，单元之间通过工业现场总线与通信管理单元连接，通信管理单元完成通信协议转换、远动及配电SCADA功能。分散式配电终端用于开闭所和大容量环网柜。b.集中式配电终端。每个单元可以集中测控制4条线路：交流采样4条线路、12路遥信信号、4路SBO输出，加上外围电路以及电源机箱组成一个配电终端，根据客户容量大小配置相应数量的单元。集中式配电终端主要用于开闭所或大型环网柜。1.2.3按功能分类a.电流型配电终端。DA故障处理的判据是故障电流，配电终端主要检测的对象是电流，同时，终端有相应电流型DA故障自动处理软件。b.电压型配电终端。这种终端与电压型一次设备开关配套使用。所谓电压型，即故障处理的主要判据是馈线是否有电压。当馈线失压时，分段开关依次断开；当馈线来电时，分段开关依次延时闭合。若开关闭合后，在故障探测时间Δ4t内，馈线又失电，该分段开关就闭锁。电压型配电终端有相应电压型DA软件，与电压型分段开关组合完成DA功能。c.电压/电流兼容型配电终端。这种终端软件设计满足电流型或电压型DA功能的需求，既可用于电压型分段开关，亦可用于电流型DA。由于各个配电网的网络结构、一次设备开关、采用的通信方式千差万别，对配电终端的要求无论从功能上还是结构上亦有所不同。2配电终端技术的现状我国DA技术发展历史比较短，从20世纪80年代末才开始探讨和研究DA领域的新技术，1996年，国内第1套DA系统在上海浦东投运。早期的配电终端基本从国外引进（例如法国的Talus-200FTU和美国的DART）。随着DA技术的不断发展，国内相关厂家和研究单位在消化国外先进技术的基础上，先后推出国产化的不同类型的配电终端。尤其是近几年DA市场逐步扩大，配电终端技术逐步完善和成熟。国产化的配电终端在功能和结构上更适用，更符合国情。2.1硬件设计配电终端硬件设计从早期的单CPU结构到多CPU结构，发展到现在的CPU+DSP+EPLD（可擦除的可编程逻辑器件）/FPGA(现场可变程逻辑阵列技术。CPU芯片从8位到16位（80C188/196），甚至32位（68332）。为了保证配电终端硬件设计的高可靠性、故障检测的实时性以及谐波检测分析的需要，数字信号处理器（DSP）的高速采样和数据处理技术以及冗余设计、自诊断、自检等是目前普遍采用的硬件设计技术。其终端硬件设计有3种基本类型：a.芯片级设计。以各种类型单片机为主CPU的多CPU设计，即CPU+DSP+EPLD/FPGA技术，CPU大多采用Intel80C188/196系列16位单片机。b.嵌入式微机（PC104）。以PC104为主CPU，存储容量大，开发周期短，程序可以用高级语言编写，调试方便，但自启动时间长，一般要几秒，容易引起故障检测信号丢失。c.主板引进国外单板模件。国内组装，配上应用软件。2.2功能设计目前，配电终端的功能已由单一故障检测与识别发展到功能多样化和集成化，主要有：5a.小电流接地故障信号检测功能。小电流接地故障信号检测3Uo、3Io、零序电流3次/5次谐波、3Io突变量、I2负序电流等信息，为系统诊断和定位小电流接地故障提供可靠判据。b.数据记录与处理功能。欠压、过压、开关跳/合次数、电量统计、故障录波、故障电流信号、谐波、终端工况等数据在终端存储，实现电能质量分析、事故后故障分析、终端故障分析、一次设备开关寿命分析。c.保护功能。①常规功能：过流、速断、重合闸、电流越限告警、合闸后加速等；②特殊保护：故障状态差动保护，比较相邻开关故障状态是否相同，若不同，则差动保护动作，两侧终端各自跳开自己的开关，实现故障自动隔离功能。这种保护要求相邻开关之间具有专用信道。d.终端就地DA功能。在具有站间通信、简单双电源环路网络中，配电终端具有DA就地处理功能，终端不仅可以自动检测识别故障，同时能实现故障自动定位和隔离，并自动重构。e.集成功能。终端与开关在线监测智能单元和站内其他智能设备的集成。2.3通信接口2.3.1串行接口要求具有多个标准的RS-232和RS-485串行接口，用于与附近的TTU通信，或与站内测控单元、站内其他自动化装置通信。2.3.2工业现场总线现场总线是一种网络通信模式，与常规串口通信相比较，在通信速率、系统开放性、不同厂家设备之间互操作性、通信可靠性等方面都有优势。工业现场总线已成为配电终端的一种重要通信模式。常用的现场总线主要有CANBUS和Lonworks。CANBUS通信接口在配电终端的应用比Lonworks更普遍。其原因是：①CANBUS支持ISO/OSI开放系统，通信协议标准化；②通信可靠性高，当总线某一节点故障时自动关闭该节点通信功能，不影响总线其他节点的通信；③速率高，最高达1Mbit/s；④总线连接通信节点可达110个；⑤通信协议支持短帧结构；⑥支持多主方式，具有总线总裁功能。2.3.3以太网接口6随着计算机网络通信技术的普及，选用以太网方式构成DA系统通信网，引起广大用户的关注，尤其是光纤以太网模式，具有速率高、通信可靠、网络节点之间可以通信等特点，为配电终端就地实现DA功能创造了条件。因此，要求配电终端必须具有以太网网络通信接口。国内配电终端以太网接口配置一般有以下两种类型。a.总线型以太网接口：网络接口设备通过总线方式与终端交换数据，类似于计算机网卡。通信速率可达10Mbit/s。b.串口变换型以太网接口：通过以太网/RS-232接口转换板完成通信接口转换，实现网络通信功能，对外同样具有以太网接口（实际对终端设备还是串口通信），通信速率和串口通信相同。2.4与一次设备开关接口多元化配电终端数据采集与控制是通过一次设备开关完成的，配电终端与一次设备之间接口是DA工程中现场问题最多的环节之一。尤其是加入WTO以后，国外一次设备进入国内市场，配电终端必须满足不同类型开关设备不同接口的要求，即配电终端与一次设备接口多元化。2.4.1不同类型测量回路接口a.电压测量：除常规电压互感器100V接口外，还具有电容分压式或电阻分压式测量电压的接口电路。PT作为交流电源，容量要求为50W～100W。b.电流测量：电流互感器5A或1A接口电路都能适应。10kV馈线采用全线路采样，要求三相均装电流互感器。2.4.2遥信量接口开关位置信号有单位置和双位置信号输入，配电终端遥信容量和软件设计要满足现场要求。2.4.3开关操作电源接口开关操作电源是直流操作24V或48V。配电终端提供的不间断电源要满足现场开关操作电源的要求。交流输入220V或电压互感器100V都能适应。3配电终端技术的发展3.1配电终端与一次设备一体化设计7配电终端与一次设备开关是分不开的，配电终端实时数据采集和控制要求与一次设备开关的接口相匹配。如果二次系统即配电终端和一次设备开关统一考虑，实现一体化设计，这将使系统整体结构更紧凑、体积更小，并简化内部二次接线，节省控制和信号电缆，减少安装调试工作量，提高系统性价比。智能化开关首先是功能智能化，除原有配电终端功能外，还要与开关本体在线监测和开关本体的智能化模块如开关导电性能监测、操作机构、机械性能监测、绝缘性能监测、漏电、温度、压力、非