配電自動化終端技術(shù)分析.doc

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配電自動化終端技術(shù)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(jìn)行改造和建設(shè)，對配電網(wǎng)10 kV 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)按N - 1 供電可靠性準(zhǔn)則，逐步由輻射型供電網(wǎng)絡(luò)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(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜等配電設(shè)備進(jìn)行改造更新，為實施城市配電自動化（DA ）打下了良好的基礎(chǔ)。 配電終端是DA 系統(tǒng)的重要組成部分，位于基礎(chǔ)層。DA系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)、故障自動處理的判據(jù)、開關(guān)設(shè)備的運行工況等數(shù)據(jù)都來源于配電終端，故障隔離、負(fù)荷轉(zhuǎn)移、恢復(fù)非故障區(qū)段的供電、對饋線上開關(guān)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(jìn)DA 的發(fā)展，本文將對配電終端的特點、分類、關(guān)鍵技術(shù)、用戶需求及發(fā)展現(xiàn)狀和前景進(jìn)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(jìn)行故障處理提供準(zhǔn)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Δt 要與首端開關(guān)保護(hù)時間相配合，為防止干擾，Δt 應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況而整定。要求準(zhǔn)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(yīng)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(dāng)饋線環(huán)路出現(xiàn)永久性故障時，環(huán)路出線開關(guān)保護(hù)動作跳閘，導(dǎo)致饋線全線停電，這時配電終端、通信設(shè)備、一次設(shè)備開關(guān)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(shè)計中首要考慮的問題。 1.1.3滿足戶外工作環(huán)境的要求 　　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(qiáng)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(shè)計、制作工藝， 都要適應(yīng)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(shè)備在一起，強(qiáng)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(shè)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(guān)設(shè)備動作時的干擾、開關(guān)設(shè)備操作時產(chǎn)生過電壓的干擾、開關(guān)電源和靜電放電等干擾源的電磁波影響， b. 防止終端設(shè)備本身產(chǎn)生的電磁波對其他設(shè)備和人體的影響。 配電終端設(shè)備必須通過專業(yè)的EMC 試驗室嚴(yán)格測試并符合相應(yīng)的EMC 國標(biāo)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(jìn)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(dá)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(shè)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(guān)設(shè)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較嚴(yán)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(shè)計要求終端具備多種類型的通信接口。①串行接口： RS-232， RS-485；②工業(yè)現(xiàn)場總線接口：CANBUS 或Lonworks；③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(yuǎn)程維護(hù)、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(hù)， 要求終端本身具有完備的自診斷、自恢復(fù)能力，同時具有遠(yuǎn)方維護(hù)功能，包括遠(yuǎn)方參數(shù)整定、遠(yuǎn)方下載、遠(yuǎn)方診斷。 1.2分類 1.2.1按應(yīng)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(guān)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(guān)設(shè)備為對象進(jìn)行設(shè)計，配電監(jiān)控單元可分散在線路開關(guān)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)場總線與通信管理單元連接，通信管理單元完成通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)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(jī)箱組成一個配電終端，根據(jù)客戶容量大小配置相應(yīng)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(yīng)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(shè)備開關(guān)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(dāng)饋線失壓時，分段開關(guān)依次斷開；當(dāng)饋線來電時，分段開關(guān)依次延時閉合。若開關(guān)閉合后，在故障探測時間Δt內(nèi)，饋線又失電，該分段開關(guān)就閉鎖。電壓型配電終端有相應(yīng)電壓型DA 軟件， 與電壓型分段開關(guān)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(shè)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(guān)，亦可用于電流型DA。 由于各個配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、一次設(shè)備開關(guān)、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(shù)的現(xiàn)狀 　　我國DA 技術(shù)發(fā)展歷史比較短，從20 世紀(jì)80年代末才開始探討和研究DA 領(lǐng)域的新技術(shù)，1996年，國內(nèi)第1套DA系統(tǒng)在上海浦東投運。早期的配電終端基本從國外引進(jìn)（例如法國的Talus-200FTU 和美國的DART）。隨著DA 技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)相關(guān)廠家和研究單位在消化國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)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(kuò)大，配電終端技術(shù)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(shè)計 配電終端硬件設(shè)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(shù)。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(shè)計的高可靠性、故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(shù)以及冗余設(shè)計、自診斷、自檢等是目前普遍采用的硬件設(shè)計技術(shù)。其終端硬件設(shè)計有3 種基本類型： a. 芯片級設(shè)計。以各種類型單片機(jī)為主CPU的多CPU 設(shè)計， 即CPU + DSP+ EPLD/FPGA 技術(shù)，CPU大多采用Intel 80C188/196系列16 位單片機(jī)。 b. 嵌入式微機(jī)（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(jìn)國外單板模件。國內(nèi)組裝，配上應(yīng)用軟件。 2.2功能設(shè)計 目前，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(fù)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(guān)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(shè)備開關(guān)壽命分析。 c. 保護(hù)功能。①常規(guī)功能： 過流、速斷、重合閘、電流越限告警、合閘后加速等；②特殊保護(hù)： 故障狀態(tài)差動保護(hù)，比較相鄰開關(guān)故障狀態(tài)是否相同， 若不同，則差動保護(hù)動作，兩側(cè)終端各自跳開自己的開關(guān)，實現(xiàn)故障自動隔離功能。這種保護(hù)要求相鄰開關(guān)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(luò)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(guān)在線監(jiān)測智能單元和站內(nèi)其他智能設(shè)備的集成。 2.3通信接口 2.3.1串行接口 要求具有多個標(biāo)準(zhǔn)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(luò)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(shè)備之間互操作性、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(yīng)用比Lonworks更普遍。其原因是：①CANBUS支持ISO/OSI開放系統(tǒng)，通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化；②通信可靠性高，當(dāng)總線某一節(jié)點故障時自動關(guān)閉該節(jié)點通信功能，不影響總線其他節(jié)點的通信；③速率高，最高達(dá)1M bit/s；④總線連接通信節(jié)點可達(dá)110個；⑤通信協(xié)議支持短幀結(jié)構(gòu)；⑥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(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)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(guān)注，尤其是光纖以太網(wǎng)模式，具有速率高、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)接口設(shè)備通過總線方式與終端交換數(shù)據(jù)，類似于計算機(jī)網(wǎng)卡。通信速率可達(dá)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(luò)通信功能，對外同樣具有以太網(wǎng)接口（實際對終端設(shè)備還是串口通信），通信速率和串口通信相同。 2.4與一次設(shè)備開關(guān)接口多元化 配電終端數(shù)據(jù)采集與控制是通過一次設(shè)備開關(guān)完成的， 配電終端與一次設(shè)備之間接口是DA工程中現(xiàn)場問題最多的環(huán)節(jié)之一。尤其是加入WTO以后， 國外一次設(shè)備進(jìn)入國內(nèi)市場，配電終端必須滿足不同類型開關(guān)設(shè)備不同接口的要求， 即配電終端與一次設(shè)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50W～100W。 b. 電流測量：電流互感器5A或1A接口電路都能適應(yīng)。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(guān)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(shè)計要滿足現(xiàn)場要求。 2.4.3開關(guān)操作電源接口 開關(guān)操作電源是直流操作24 V 或48 V。配電終端提供的不間斷電源要滿足現(xiàn)場開關(guān)操作電源的要求。交流輸入220V或電壓互感器100V都能適應(yīng)。 3配電終端技術(shù)的發(fā)展 3.1配電終端與一次設(shè)備一體化設(shè)計 　　配電終端與一次設(shè)備開關(guān)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(shè)備開關(guān)的接口相匹配。如果二次系統(tǒng)即配電終端和一次設(shè)備開關(guān)統(tǒng)一考慮，實現(xiàn)一體化設(shè)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(guān)首先是功能智能化，除原有配電終端功能外，還要與開關(guān)本體在線監(jiān)測和開關(guān)本體的智能化模塊如開關(guān)導(dǎo)電性能監(jiān)測、操作機(jī)構(gòu)、機(jī)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。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(shè)計也必須機(jī)電一體化統(tǒng)一考慮。智能化開關(guān)設(shè)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(dāng)發(fā)生單相接地故障時，保護(hù)不跳閘，系統(tǒng)允許運行2h～3h。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(zhǔn)確的接地選線基礎(chǔ)上的。作為配電終端，應(yīng)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(fù)序I2電流等相關(guān)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(yīng)用其準(zhǔn)確度并不理想，因此，提高DA 系統(tǒng)單相接地故障定位的準(zhǔn)確性有待進(jìn)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+ 浮充方式來解決。電源可靠性主要取決于蓄電池，最好的電池是德國陽光電池，最長壽命8年～10年。但現(xiàn)場戶外環(huán)境惡劣（-45℃～+85℃），高溫或低溫直接影響蓄電池壽命和可用容量。因此，尋求和探索長壽命、免維護(hù)的能源作為配電終端的不間斷電源，是一個重要課題。 4 結(jié)語 配電終端是DA 系統(tǒng)最基本的測控單元，由于配電現(xiàn)場應(yīng)用的特殊性，它與調(diào)度終端（RTU ）相比較，配電終端具有自己獨有的特點，絕不能簡單地用RTU 代替?？偨Y(jié)這幾年的發(fā)展，我國配電終端從無到有逐步完善。為適應(yīng)DA不斷發(fā)展的需求，配電終端將進(jìn)一步朝功能完善化、技術(shù)智能化、通信集成化、結(jié)構(gòu)模塊化、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、體積小型化、產(chǎn)品系列化的方向發(fā)展。