配電自動化終端技術分析

1、.配電自動化終端技術分析近幾年，國家投入幾千億資金，有計劃、有步驟地對城市電網(wǎng)（含配電網(wǎng)） 及農(nóng)村電網(wǎng)進行改造和建設，對配電網(wǎng)10 kV 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)按N - 1 供電可靠性準則，逐步由輻射型供電網(wǎng)絡改造為“手拉手”環(huán)網(wǎng)供電開環(huán)運行模式。同時，對10 kV 饋電線路、分段開關、聯(lián)絡開關、環(huán)網(wǎng)柜等配電設備進行改造更新，為實施城市配電自動化（DA ）打下了良好的基礎。配電終端是DA 系統(tǒng)的重要組成部分，位于基礎層。DA系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)、故障自動處理的判據(jù)、開關設備的運行工況等數(shù)據(jù)都來源于配電終端，故障隔離、負荷轉(zhuǎn)移、恢復非故障區(qū)段的供電、對饋線上開關的分/合操作都是通過配電終端去執(zhí)行， 配電終端工作的可

2、靠性、實時性直接影響整個DA系統(tǒng)的可靠性和實時性。1個配電系統(tǒng)只能有1個主站，而配電終端少則有幾十臺，多則幾百臺甚至上千臺。配電終端廣大的市場吸引了眾多廠商投入配電終端產(chǎn)品的開發(fā)。為促進DA 的發(fā)展，本文將對配電終端的特點、分類、關鍵技術、用戶需求及發(fā)展現(xiàn)狀和前景進行分析和總結(jié)。1配電終端的特點和分類1.1特點1.1.1具有故障自動檢測與識別功能配電終端不僅能夠在系統(tǒng)正常情況下監(jiān)測配電網(wǎng)饋線運行工況，更主要的是在饋線故障情況下能夠快速、可靠地捕捉故障信號，判斷發(fā)生故障的類型（是單相接地故障還是相間故障）,為DA 系統(tǒng)進行故障處理提供準確、可靠的判據(jù)。不同的配電系統(tǒng)，或同一配電系統(tǒng)的不同饋線，其

3、故障的電流門檻值不盡相同， 要求終端故障電流的門檻值能靈活整定。故障持續(xù)時間t 要與首端開關保護時間相配合，為防止干擾，t 應根據(jù)現(xiàn)場實際情況而整定。要求準確、實時地捕捉饋線故障信號，這是配電終端不同于其他終端（如RTU）的顯著特點。1.1.2提供可靠的不間斷電源配電終端應用場合特殊，尤其在架空線柱上或戶外環(huán)網(wǎng)柜上安裝，配備不間斷電源十分重要。DA系統(tǒng)在故障自動處理過程中，當饋線環(huán)路出現(xiàn)永久性故障時，環(huán)路出線開關保護動作跳閘，導致饋線全線停電，這時配電終端、通信設備、一次設備開關的操作都要求不間斷電源供電。因此，提供可靠的不間斷電源是配電終端開發(fā)設計中首要考慮的問題。1.1.3滿足戶外工作環(huán)境

4、的要求架空線柱上或環(huán)網(wǎng)柜的配電終端（FTU ）大多是戶外安裝，工作環(huán)境較惡劣， 戶外溫度范圍為- 40+85，因此，要求終端功耗小、外殼強度大、體積小， 具有防水、防潮、防震、防腐蝕的性能。對配電終端的元器件選擇、軟硬件設計、制作工藝， 都要適應戶外環(huán)境的工作條件。1.1.4滿足電磁兼容性（EMC） 的要求配電終端和高壓一次設備在一起，強電和弱電同處一個環(huán)境，因此，為保證終端工作的可靠性，在設計中必須考慮電磁兼容性。具體要求如下：a. 防止周圍環(huán)境的電磁干擾源對終端的影響，如雷電干擾、電弧放電高頻輻射干擾、開關設備動作時的干擾、開關設備操作時產(chǎn)生過電壓的干擾、開關電源和靜電放電等干擾源的電磁波

5、影響，b. 防止終端設備本身產(chǎn)生的電磁波對其他設備和人體的影響。配電終端設備必須通過專業(yè)的EMC 試驗室嚴格測試并符合相應的EMC 國標要求。1.1.5支持多種通信方式和通信協(xié)議配電終端是DA 系統(tǒng)的基本控制單元。配電終端對上與配電子站或主站進行通信，將終端采集的實時信息上報，同時接收子站/主站下達的各種控制命令； 對下要求與附近的配電變壓器配變終端（TTU）通信，TTU的信息通過配電終端傳送到子站或主站；配電終端內(nèi)部的通信，例如環(huán)網(wǎng)柜或開閉所的配電終端采用分散式設計，分散的監(jiān)控單元與通信控制單元間需要通信，配電終端與站內(nèi)或開關設備等其他智能控制單元間也需要通信。因此，對配電終端通信功能要求比

6、較嚴格，無論通信方式、通信協(xié)議、通信接口都要滿足DA的要求，主要包括：a.硬件設計要求終端具備多種類型的通信接口。串行接口： RS-232， RS-485；工業(yè)現(xiàn)場總線接口：CANBUS 或Lonworks；以太網(wǎng)接口。b.支持多種通信方式。光纖自愈環(huán)或光纖以太網(wǎng)、配電載波DLC、無線、音頻電纜等通信方式。c.支持多種通信協(xié)議。目前國內(nèi)常用的有IEC 60870-5-101，DNP3.0，MODBUS，JBUS，CAN2.0B，TCP/IP，IEC1334等通信協(xié)議。1.1.6具有遠程維護、診斷和自診斷功能配電終端安裝在柱上或戶外這一特定環(huán)境，而且數(shù)量大，不可能靠人工維護， 要求終端本身具有完

7、備的自診斷、自恢復能力，同時具有遠方維護功能，包括遠方參數(shù)整定、遠方下載、遠方診斷。1.2分類1.2.1按應用場合分類a. 架空線柱上配電終端（FTU），用于架空饋線的配電終端，單路/多路測控配置。b. 環(huán)網(wǎng)柜配電終端（FTU），用于電纜供電的環(huán)路配電終端。c. 開閉所配電終端（DTU），用于配電網(wǎng)10 kV開閉所（開關站）。d. 變壓器配變終端（TTU），用于配電變壓器監(jiān)測和無功控制。1.2.2按結(jié)構(gòu)體系分類a. 分散式配電終端。類似變電站自動化監(jiān)控單元， 以一次開關設備為對象進行設計，配電監(jiān)控單元可分散在線路開關柜上安裝，亦可集中組屏。每個監(jiān)控單元獨立工作，單元之間通過工業(yè)現(xiàn)場總線與通信管

8、理單元連接，通信管理單元完成通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、遠動及配電SCADA功能。分散式配電終端用于開閉所和大容量環(huán)網(wǎng)柜。b. 集中式配電終端。每個單元可以集中測控制4條線路：交流采樣4 條線路、12 路遙信信號、4路SBO輸出，加上外圍電路以及電源機箱組成一個配電終端，根據(jù)客戶容量大小配置相應數(shù)量的單元。集中式配電終端主要用于開閉所或大型環(huán)網(wǎng)柜。1.2.3按功能分類a. 電流型配電終端。DA 故障處理的判據(jù)是故障電流，配電終端主要檢測的對象是電流，同時，終端有相應電流型DA 故障自動處理軟件。b. 電壓型配電終端。這種終端與電壓型一次設備開關配套使用。所謂電壓型，即故障處理的主要判據(jù)是饋線是否有電壓。當饋

9、線失壓時，分段開關依次斷開；當饋線來電時，分段開關依次延時閉合。若開關閉合后，在故障探測時間t內(nèi)，饋線又失電，該分段開關就閉鎖。電壓型配電終端有相應電壓型DA 軟件， 與電壓型分段開關組合完成DA 功能。c. 電壓/電流兼容型配電終端。這種終端軟件設計滿足電流型或電壓型DA 功能的需求，既可用于電壓型分段開關，亦可用于電流型DA。由于各個配電網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、一次設備開關、采用的通信方式千差萬別， 對配電終端的要求無論從功能上還是結(jié)構(gòu)上亦有所不同。2配電終端技術的現(xiàn)狀我國DA 技術發(fā)展歷史比較短，從20 世紀80年代末才開始探討和研究DA 領域的新技術，1996年，國內(nèi)第1套DA系統(tǒng)在上海浦東投運

10、。早期的配電終端基本從國外引進（例如法國的Talus-200FTU 和美國的DART）。隨著DA 技術的不斷發(fā)展，國內(nèi)相關廠家和研究單位在消化國外先進技術的基礎上，先后推出國產(chǎn)化的不同類型的配電終端。尤其是近幾年DA 市場逐步擴大，配電終端技術逐步完善和成熟。國產(chǎn)化的配電終端在功能和結(jié)構(gòu)上更適用，更符合國情。2.1硬件設計配電終端硬件設計從早期的單CPU結(jié)構(gòu)到多CPU結(jié)構(gòu)， 發(fā)展到現(xiàn)在的CPU + DSP + EPLD（可擦除的可編程邏輯器件）/FPGA(現(xiàn)場可變程邏輯陣列技術。CPU芯片從8 位到16位（80C188/196），甚至32位（68332）。為了保證配電終端硬件設計的高可靠性、故

11、障檢測的實時性以及諧波檢測分析的需要，數(shù)字信號處理器（DSP）的高速采樣和數(shù)據(jù)處理技術以及冗余設計、自診斷、自檢等是目前普遍采用的硬件設計技術。其終端硬件設計有3 種基本類型： a. 芯片級設計。以各種類型單片機為主CPU的多CPU 設計， 即CPU + DSP+ EPLD/FPGA 技術，CPU大多采用Intel 80C188/196系列16 位單片機。b. 嵌入式微機（PC104）。以PC104為主CPU ，存儲容量大，開發(fā)周期短， 程序可以用高級語言編寫，調(diào)試方便，但自啟動時間長，一般要幾秒，容易引起故障檢測信號丟失。c. 主板引進國外單板模件。國內(nèi)組裝，配上應用軟件。2.2功能設計目前

12、，配電終端的功能已由單一故障檢測與識別發(fā)展到功能多樣化和集成化， 主要有：a. 小電流接地故障信號檢測功能。小電流接地故障信號檢測3Uo、3Io、零序電流3 次/5 次諧波、3Io 突變量、I2 負序電流等信息，為系統(tǒng)診斷和定位小電流接地故障提供可靠判據(jù)。b. 數(shù)據(jù)記錄與處理功能。欠壓、過壓、開關跳/合次數(shù)、電量統(tǒng)計、故障錄波、故障電流信號、諧波、終端工況等數(shù)據(jù)在終端存儲，實現(xiàn)電能質(zhì)量分析、事故后故障分析、終端故障分析、一次設備開關壽命分析。c. 保護功能。常規(guī)功能： 過流、速斷、重合閘、電流越限告警、合閘后加速等；特殊保護： 故障狀態(tài)差動保護，比較相鄰開關故障狀態(tài)是否相同， 若不同，則差動保

13、護動作，兩側(cè)終端各自跳開自己的開關，實現(xiàn)故障自動隔離功能。這種保護要求相鄰開關之間具有專用信道。d. 終端就地DA功能。在具有站間通信、簡單雙電源環(huán)路網(wǎng)絡中，配電終端具有DA 就地處理功能，終端不僅可以自動檢測識別故障，同時能實現(xiàn)故障自動定位和隔離，并自動重構(gòu)。e. 集成功能。終端與開關在線監(jiān)測智能單元和站內(nèi)其他智能設備的集成。2.3通信接口2.3.1串行接口要求具有多個標準的RS-232和RS-485串行接口，用于與附近的TTU 通信， 或與站內(nèi)測控單元、站內(nèi)其他自動化裝置通信。2.3.2工業(yè)現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線是一種網(wǎng)絡通信模式，與常規(guī)串口通信相比較，在通信速率、系統(tǒng)開放性、不同廠家設備之間互

14、操作性、通信可靠性等方面都有優(yōu)勢。工業(yè)現(xiàn)場總線已成為配電終端的一種重要通信模式。常用的現(xiàn)場總線主要有CANBUS和Lonworks。CANBUS通信接口在配電終端的應用比Lonworks更普遍。其原因是：CANBUS支持ISO/OSI開放系統(tǒng)，通信協(xié)議標準化；通信可靠性高，當總線某一節(jié)點故障時自動關閉該節(jié)點通信功能，不影響總線其他節(jié)點的通信；速率高，最高達1M bit/s；總線連接通信節(jié)點可達110個；通信協(xié)議支持短幀結(jié)構(gòu)；支持多主方式，具有總線總裁功能。2.3.3以太網(wǎng)接口隨著計算機網(wǎng)絡通信技術的普及， 選用以太網(wǎng)方式構(gòu)成DA系統(tǒng)通信網(wǎng)， 引起廣大用戶的關注，尤其是光纖以太網(wǎng)模式，具有速率高

15、、通信可靠、網(wǎng)絡節(jié)點之間可以通信等特點，為配電終端就地實現(xiàn)DA 功能創(chuàng)造了條件。因此，要求配電終端必須具有以太網(wǎng)網(wǎng)絡通信接口。國內(nèi)配電終端以太網(wǎng)接口配置一般有以下兩種類型。a. 總線型以太網(wǎng)接口：網(wǎng)絡接口設備通過總線方式與終端交換數(shù)據(jù)，類似于計算機網(wǎng)卡。通信速率可達10Mbit/s。b. 串口變換型以太網(wǎng)接口：通過以太網(wǎng)/RS-232 接口轉(zhuǎn)換板完成通信接口轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)網(wǎng)絡通信功能，對外同樣具有以太網(wǎng)接口（實際對終端設備還是串口通信），通信速率和串口通信相同。2.4與一次設備開關接口多元化配電終端數(shù)據(jù)采集與控制是通過一次設備開關完成的， 配電終端與一次設備之間接口是DA工程中現(xiàn)場問題最多的環(huán)節(jié)之

16、一。尤其是加入WTO以后， 國外一次設備進入國內(nèi)市場，配電終端必須滿足不同類型開關設備不同接口的要求， 即配電終端與一次設備接口多元化。2.4.1不同類型測量回路接口a. 電壓測量：除常規(guī)電壓互感器100 V接口外，還具有電容分壓式或電阻分壓式測量電壓的接口電路。PT作為交流電源，容量要求為50W100W。b. 電流測量：電流互感器5A或1A接口電路都能適應。10kV饋線采用全線路采樣，要求三相均裝電流互感器。2.4.2遙信量接口開關位置信號有單位置和雙位置信號輸入，配電終端遙信容量和軟件設計要滿足現(xiàn)場要求。2.4.3開關操作電源接口開關操作電源是直流操作24 V 或48 V。配電終端提供的不

17、間斷電源要滿足現(xiàn)場開關操作電源的要求。交流輸入220V或電壓互感器100V都能適應。3配電終端技術的發(fā)展3.1配電終端與一次設備一體化設計配電終端與一次設備開關是分不開的，配電終端實時數(shù)據(jù)采集和控制要求與一次設備開關的接口相匹配。如果二次系統(tǒng)即配電終端和一次設備開關統(tǒng)一考慮，實現(xiàn)一體化設計，這將使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更緊湊、體積更小，并簡化內(nèi)部二次接線，節(jié)省控制和信號電纜，減少安裝調(diào)試工作量，提高系統(tǒng)性價比。智能化開關首先是功能智能化，除原有配電終端功能外，還要與開關本體在線監(jiān)測和開關本體的智能化模塊如開關導電性能監(jiān)測、操作機構(gòu)、機械性能監(jiān)測、絕緣性能監(jiān)測、漏電、溫度、壓力、非電量監(jiān)測等功能集成一體。

18、集成的通信方式可以是工業(yè)現(xiàn)場總線CANBUS、LonWorks或串口RS-485總線或以太網(wǎng)。此外，結(jié)構(gòu)設計也必須機電一體化統(tǒng)一考慮。智能化開關設備是配電終端今后發(fā)展的趨勢。3.2小電流接地信號檢測國內(nèi)10 kV 系統(tǒng)大多是小電流接地系統(tǒng)，當發(fā)生單相接地故障時，保護不跳閘，系統(tǒng)允許運行2h3h。配電網(wǎng)系統(tǒng)故障90%是由架空線引起的，而架空線單相接地故障概率最大，因此，小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位是DA 很重要的功能。DA 單相接地故障的定位是建立在變電站準確的接地選線基礎上的。作為配電終端，應盡可能提供更多的單相接地信號，例如3Uo、3Io、零序電流3 次/5 次諧波、3Io突變量、負序I2電流等相關信息，為系統(tǒng)單相接地選線和定位提供可靠的信息源。目前小電流接地選線裝置產(chǎn)品很多，判斷方法各異，經(jīng)實際應用其準確度并不理想，因此，提高DA 系統(tǒng)單相接地故障定位的準確性有待進一步研究。3.3終端不間斷電源目前配電終端電源均采用蓄電池組+ 浮充方式來解