多通道分布式智能终端研究与设计
2014-04-19马颖朱新刚王莹成金海
马颖+朱新刚+王莹+成金海
摘 要：配电智能终端是智能配电网的重要组成部分，是实现配电网自动化的关键。文章针对集中式智能终端在处理时间、资源需求方面的缺点和传统分布式智能终端相邻保护配合困难的问题，利用最新电子通信技术的发展成果，进行智能控制终端数据传输机制和自适应、自组织、自管理方案的研究，采用分布式智能控制方式，开发设计了多通道分布式智能配电网终端，从而实现了电网保护的快速性和选择性的统一。
关键词：智能配电网；智能终端；多通道；分布式
中图法分类号：TM61 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）04-0066-03
0 引 言
配电智能终端是以计算机技术、通信技术、信息技术、管理、系统控制技术为基础的信息采集、处理和管理控制终端，是供电企业管理用户用电情况，提高需求侧管水平的新一代配电智能终端[1]。按照控制方式的不同，可以分为集中式和分布式两种控制方式[2]。集中式智能控制方式是依据主站（或子站）的SCADA系统提供的实时数据对已发生的故障予以处理。现场的FTU将故障信息通过一定的通道送到控制中心（主站或子站），控制中心根据开关状态、故障检测信息、网络拓扑分析，判断故障区段，下发遥控命令、跳开故障区域两侧的开关、重合变电站出线开关和闭合联络开关、恢复非故障线路的供电。此方式控制准确，适合各种复杂系统，但它需要有可靠的通信通道和控制中心的计算机软件、硬件系统，停电时间通常为分钟级[3]。随着智能馈线终端单元逐渐广泛应用于配电系统。这种智能终端单元根据预设在其微处理机上的程序，完成馈线自动化功能，故障处理中或完成后才将报警及开关状态通过SCADA系统上报控制中心，这种方式称为分布式智能控制方式[4]。传统的分布式智能控制方式可分为用重合器实现的自动网络重构和用分段器实现的网络重构，用分段器实现的网络重构方式有电压时间型和电流计数型[5]。分布智能式控制方式不依赖控制中心和通信系统，故障处理和恢复供电的速度有显著提高，时间可以提高到秒级。但它不适合处理较为复杂的系统，对智能终端也有较高的要求。在传统的分布式智能控制方式中，大多数的重合器和分段器只是根据线路电压或电流状态之一作为故障判别的判据，而我们研究的新型分布式智能控制方式则利用了电压和电流两个信号作为故障段的判据，故又称为U-I-T（电压-电流-时间）型智能配电终端。
1 智能配电终端
1.1 设计原理
传统配电系统电流保护的实质是一个独立的单元保护，它只检测流过自身的电流而决定保护的动作和延时动作，而不关心相邻开关的保护动作情况。这是造成相邻保护相互配合困难的主要原因。随着计算机技术和网络技术的发展，使借助于网络通信实现保护之间的协调成为可能。此时，不同地点的模拟量在当地检测完成，只是将检测结果的数据信息、保护判别结果的状态信息、开关状态信息等通过网络由不同保护进行共享，以达到不同地点保护之间协调和配合，真正实现保护的快速性和选择性的统一。
根据实施现场的实际情况，采用分布式智能控制方式，充分发挥分布式智能的实时性和可靠性，尽快完成故障隔离，恢复非故障区域供电，减少停电时间和范围。并且，在具备了配电SCADA的条件下，调度员可以监视和控制故障的处理过程。当通信网络或主站系统发生故障而不能正常运行时，也不会影响到分布式智能控制系统及时完成故障处理和非故障段恢复供电的功能。分布式智能终端不依赖主站，在没有通道的情况下就地实现智能控制式的馈线自动化，完成相间短路故障的定位、隔离及非故障区域的供电恢复；在具有通道的情况下自动升级为协作模式，通过智能终端之间的相互通信完成故障的定位、隔离及转供，能够有效提高故障处理的快速性和准确性；在架空线路中，智能终端能够与自组网故障指示器结合，实现故障分支和故障点的精确定位。
对于智能配电网中的保护装置，主要是基于系统故障时的局部信息快速、准确地切除故障元件。同时对于不断变化的系统网络结构，保护装置应具有自整定与自适应能力，多个保护装置之间也存在保护的再协调问题。因此在智能配电系统中，保护装置通过局部网络通信，实现相联保护装置之间的系统故障信息共享、网络拓扑信息共享，从而快速实现区内故障、区外故障的的判断，结合配电线路上的开关类型（负荷开关或断路器），可以使离故障区域两侧或多侧断路器快速动作而切断故障；而基于更大区域系统信息的网络重构控制策略对时间的要求将低于保护的要求，处于第二层次。基于局部信息的保护装置保护控制与基于全局信息的网络重构控制可以设备将统一为一个整体的功能模块，前者动作速度快所需信息较少在较低的层面上执行，而后者则需要进行网络的综合计算与智能分析，反映动作较慢但在较高的层面上执行，二者通过不同的优先级与控制逻辑一体化的控制策略加以组合从而实现自愈控制的各种功能需求。可以大幅度减小故障后的故障点排查时间，从而减少故障区域的停电检修时间，提高供电可靠性。
1.2 技术方案
本方案硬件上使用32位的工业级通讯处理器芯片作为通讯主控制器，使用32位高速数字信号处理器作为数据采样单元主控制器。通讯单元单机标准配置10路串口、2路以太网络口。使用总线扩展技术实现硬件可堆叠，最大可以扩展到40路串口、16路以太网口。单机支持1 GB的数据存储空间，可扩展至4 GB字节，满足智能配电网监视控制对历史数据存储的要求。针对低端应用场合，通讯单元可以缩减为4路串口、1路网口从而提高产品性价比。高速数据采集单元使用32位数字信号处理器，支持精度为16位、速度为6.4 Kb/s的AD采样。单机标准配置4路交流电流模拟量，6路交流电压模拟量，两路直流模拟量采集。模拟量采集路数针对不同应用场合可扩展或缩减。满足最严酷等级4级电磁兼容实验要求。
本方案的平台软件架构使用工业级实时嵌入式操作系统，支持DNP3.0协议，以及国家制定的关于智能配电网相关的各种标准（IEC870-5-101、IEC870-5-102、IEC870-5-103、IEC870-5-104、DLT645、QGDW125等）。使用多任务软件架构，分层设计。应用软件可以适用于多种不同的硬件，方便实现硬件升级后的软件继承。不同应用场合的内核软件相同，通过开发上层的应用软件，分别满足不同的需求。为实现对电网的综合监视与统计，终端软件实现对电网的电量数据统计，故障录波数据统计，功率负荷曲线统计，电能质量分析与统计（电压偏差、电压频率偏差、电压波动与闪变、电压谐波、电流谐波、间歇波等）。终端应用软件实现保护功能、远动控制、无功补偿控制、功率控制等功能。智能配电终端具备分布式智能功能，实现配电网的自愈控制。
本方案具有系统可维护性。对于长期在户外环境运行的智能终端设备，必须具备远程维护、远程升级程序的能力。智能装置本身具备自诊断、自维护功能，可以定期上报装置本身的运行工况，在硬件设备故障时可以向远方发送诊断信息。这样可大幅度降低产品的维护成本，提高产品的实用性。智能终端与远程维护软件通讯，支持使用web浏览器方式，允许特定用户在有网络连接的地方直接访问智能终端，这将大幅提高网络可视性。在硬件上，设计为模块化通用结构，方便未来的故障维修与产品升级。
智能配电终端侧重于网络式保护，电网的自愈控制。包括交流模拟量采集模块、遥信采集模块、本地显示模块、网络式保护算法模块、开关量输出模块。支持SOE记录，故障前中后波形录制。可以通过信息管理单元与主站或其他智能设备进行数据通信，支持多通讯协议、支持多个网络接口，多串口。各个通讯接口与通讯协议可配置。各个电压电流模拟量采集单元可以使用软件配置的方法，进行电能量、功率、电能质量数据的统计。
终端设备能广泛应用于户内户外的配电室、开闭站、环网柜、分支箱、柱上开关、架空线路等应用场合，因此终端应充分考虑箱体结构、密封、外形尺寸、固定方式、通讯条件、工作电源提供方式等因素。
智能终端通讯协议做到标准化，具备良好的接入性和可扩展性，规约设计和选择上应具有一定的前瞻性；同时也要充分考虑新老设备的兼容性。因此，智能终端必须支持基于串口通讯的IEC570-5-101规约及其适用于与配网自动化相适应的实现细则；同时要支持基于TCP/IP协议的IEC570-5-104规约及与配网自动化相适应的实现细则；而通信协议可根据需要灵活配置，并可实现未来对其他通信方式的扩展、兼容。
配电SCADA和配电GIS是一体化设计，即做到了数据设计一体化、功能分布一体化和界面一体化。图1所示是系统终端与调度、配调系统的关系图。
1.3 基本功能
本系统是基于嵌入式系统的智能终端平台，具备“四遥”功能，同时具备过流保护功能和数据处理功能，并具备大容量存储和通讯管理功能（支持多协议），还能支持多通讯方式，此外，还具备电源管理功能（电池免维护）和自诊断、自恢复功能以及维护和调试功能。
图1 终端与调度、配调系统关系图
此外，智能终端还具备就地分布式的逻辑功能，可通过电气配合实现故障查找、故障隔离、非故障区段自动转移供电的馈线自愈功能。通过电压-电流-时限的原理与变电站保护相配合，不依赖通信及主站即可识别馈线发生的故障，并能闭锁故障区段，使非故障区段快速恢复供电，可自动实现故障点的隔离和非故障区段的转移供电，可靠性更高。图2所示是其智能配电终端装置实物图。
图2 智能配电终端装置
2 技术指标
智能终端经过在有关示范工程中的应用，其主要指标，包括环境条件、电源、遥测、遥信、遥控、故障电流、过流保护、逻辑功能、通讯接口、装置功耗、绝缘性能等百余个参数指标均达到设计要求。其中主要指标如下：
2.1 遥测
（1）电压输入标称值：220 V/100 V，50 Hz；
（2）电流输入标称值：1 A/5 A ；
（3）电压、电流采样精度：0.5级；
（4）有功精度：1级；
（5）无功精度：1级；
（6）相角采集精度：<1°；
（7）直流电压输入标称值：0～100 V，采样精度：0.5级；
（8）直流采样精度：0.5级；
（9） 标称输入值时，每一回路的功率消耗小于0.25 VA；
（10）容量：根据需要可以扩展到9个电压，24个电流，9个直流。
2.2 遥信
（1）输入方式：单端输入；
（2）隔离：500 V DC 的光电隔离；
（3）接线方式：无源接点；
（4）回路电压：24 V DC；
（5）SOE分辨率小于2 ms；
（6）软件防抖动时间6～60 000 ms可设；
（7）容量：至少64个遥信。
2.3 遥控
（1）输出方式：继电器常开接点输出；
（2）触点容量：直流24 V、10 A；交流220 V、10 A。
（3）分合闸脉宽整定范围：0.1～99.9 s，整定级差0.01 s；
（4）容量：至少18个遥控量。
3 结 语
多通道智能终端采用分布式智能控制方式，充分发挥分布式智能的实时性和可靠性，尽快完成故障隔离，恢复非故障区域供电，减少停电时间和范围。并且，在具备了配电SCADA的条件下，调度员可以监视和控制故障的处理过程。当通信网络或主站系统发生故障而不能正常运行时，也不会影响到分布式智能控制系统及时的完成故障处理和非故障段恢复供电的功能。分布式智能功能在具有通道的情况下自动升级为协作模式，通过智能终端之间的相互通信完成故障的定位、隔离及转供，能够有效提高故障处理的快速性和准确性；在架空线路中，智能终端能够与自组网故障指示器结合，实现故障分支和故障点的精确定位。分布智能式控制方式不依赖控制中心和通信系统，故障处理和恢复供电的速度有显著提高，时间提高到秒级。
参 考 文 献
[1]郑楚锋.基于ADSP-BF533的运动目标检测及其在车载智能系统中的应用研究[D].西安：西安电子科技大学，2006.
[2]刘兆伟.浅谈负荷管理系统在新形势下的应用[J].电力需求侧管理，2007（4）：12-13.
[3]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[4]鲁春生.电力负荷管理系统的发展方向（二） [J].电力需求侧管理，2007（4）：8-9.
[5]刘兆伟，赵庆建.负荷管理系统中的并发通信设计与实现[J].电力需求侧管理，2006（1）：36-38.
本方案具有系统可维护性。对于长期在户外环境运行的智能终端设备，必须具备远程维护、远程升级程序的能力。智能装置本身具备自诊断、自维护功能，可以定期上报装置本身的运行工况，在硬件设备故障时可以向远方发送诊断信息。这样可大幅度降低产品的维护成本，提高产品的实用性。智能终端与远程维护软件通讯，支持使用web浏览器方式，允许特定用户在有网络连接的地方直接访问智能终端，这将大幅提高网络可视性。在硬件上，设计为模块化通用结构，方便未来的故障维修与产品升级。
智能配电终端侧重于网络式保护，电网的自愈控制。包括交流模拟量采集模块、遥信采集模块、本地显示模块、网络式保护算法模块、开关量输出模块。支持SOE记录，故障前中后波形录制。可以通过信息管理单元与主站或其他智能设备进行数据通信，支持多通讯协议、支持多个网络接口，多串口。各个通讯接口与通讯协议可配置。各个电压电流模拟量采集单元可以使用软件配置的方法，进行电能量、功率、电能质量数据的统计。
终端设备能广泛应用于户内户外的配电室、开闭站、环网柜、分支箱、柱上开关、架空线路等应用场合，因此终端应充分考虑箱体结构、密封、外形尺寸、固定方式、通讯条件、工作电源提供方式等因素。
智能终端通讯协议做到标准化，具备良好的接入性和可扩展性，规约设计和选择上应具有一定的前瞻性；同时也要充分考虑新老设备的兼容性。因此，智能终端必须支持基于串口通讯的IEC570-5-101规约及其适用于与配网自动化相适应的实现细则；同时要支持基于TCP/IP协议的IEC570-5-104规约及与配网自动化相适应的实现细则；而通信协议可根据需要灵活配置，并可实现未来对其他通信方式的扩展、兼容。
配电SCADA和配电GIS是一体化设计，即做到了数据设计一体化、功能分布一体化和界面一体化。图1所示是系统终端与调度、配调系统的关系图。
1.3 基本功能
本系统是基于嵌入式系统的智能终端平台，具备“四遥”功能，同时具备过流保护功能和数据处理功能，并具备大容量存储和通讯管理功能（支持多协议），还能支持多通讯方式，此外，还具备电源管理功能（电池免维护）和自诊断、自恢复功能以及维护和调试功能。
图1 终端与调度、配调系统关系图
此外，智能终端还具备就地分布式的逻辑功能，可通过电气配合实现故障查找、故障隔离、非故障区段自动转移供电的馈线自愈功能。通过电压-电流-时限的原理与变电站保护相配合，不依赖通信及主站即可识别馈线发生的故障，并能闭锁故障区段，使非故障区段快速恢复供电，可自动实现故障点的隔离和非故障区段的转移供电，可靠性更高。图2所示是其智能配电终端装置实物图。
图2 智能配电终端装置
2 技术指标
智能终端经过在有关示范工程中的应用，其主要指标，包括环境条件、电源、遥测、遥信、遥控、故障电流、过流保护、逻辑功能、通讯接口、装置功耗、绝缘性能等百余个参数指标均达到设计要求。其中主要指标如下：
2.1 遥测
（1）电压输入标称值：220 V/100 V，50 Hz；
（2）电流输入标称值：1 A/5 A ；
（3）电压、电流采样精度：0.5级；
（4）有功精度：1级；
（5）无功精度：1级；
（6）相角采集精度：<1°；
（7）直流电压输入标称值：0～100 V，采样精度：0.5级；
（8）直流采样精度：0.5级；
（9） 标称输入值时，每一回路的功率消耗小于0.25 VA；
（10）容量：根据需要可以扩展到9个电压，24个电流，9个直流。
2.2 遥信
（1）输入方式：单端输入；
（2）隔离：500 V DC 的光电隔离；
（3）接线方式：无源接点；
（4）回路电压：24 V DC；
（5）SOE分辨率小于2 ms；
（6）软件防抖动时间6～60 000 ms可设；
（7）容量：至少64个遥信。
2.3 遥控
（1）输出方式：继电器常开接点输出；
（2）触点容量：直流24 V、10 A；交流220 V、10 A。
（3）分合闸脉宽整定范围：0.1～99.9 s，整定级差0.01 s；
（4）容量：至少18个遥控量。
3 结 语
多通道智能终端采用分布式智能控制方式，充分发挥分布式智能的实时性和可靠性，尽快完成故障隔离，恢复非故障区域供电，减少停电时间和范围。并且，在具备了配电SCADA的条件下，调度员可以监视和控制故障的处理过程。当通信网络或主站系统发生故障而不能正常运行时，也不会影响到分布式智能控制系统及时的完成故障处理和非故障段恢复供电的功能。分布式智能功能在具有通道的情况下自动升级为协作模式，通过智能终端之间的相互通信完成故障的定位、隔离及转供，能够有效提高故障处理的快速性和准确性；在架空线路中，智能终端能够与自组网故障指示器结合，实现故障分支和故障点的精确定位。分布智能式控制方式不依赖控制中心和通信系统，故障处理和恢复供电的速度有显著提高，时间提高到秒级。
参 考 文 献
[1]郑楚锋.基于ADSP-BF533的运动目标检测及其在车载智能系统中的应用研究[D].西安：西安电子科技大学，2006.
[2]刘兆伟.浅谈负荷管理系统在新形势下的应用[J].电力需求侧管理，2007（4）：12-13.
[3]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[4]鲁春生.电力负荷管理系统的发展方向（二） [J].电力需求侧管理，2007（4）：8-9.
[5]刘兆伟，赵庆建.负荷管理系统中的并发通信设计与实现[J].电力需求侧管理，2006（1）：36-38.
本方案具有系统可维护性。对于长期在户外环境运行的智能终端设备，必须具备远程维护、远程升级程序的能力。智能装置本身具备自诊断、自维护功能，可以定期上报装置本身的运行工况，在硬件设备故障时可以向远方发送诊断信息。这样可大幅度降低产品的维护成本，提高产品的实用性。智能终端与远程维护软件通讯，支持使用web浏览器方式，允许特定用户在有网络连接的地方直接访问智能终端，这将大幅提高网络可视性。在硬件上，设计为模块化通用结构，方便未来的故障维修与产品升级。
智能配电终端侧重于网络式保护，电网的自愈控制。包括交流模拟量采集模块、遥信采集模块、本地显示模块、网络式保护算法模块、开关量输出模块。支持SOE记录，故障前中后波形录制。可以通过信息管理单元与主站或其他智能设备进行数据通信，支持多通讯协议、支持多个网络接口，多串口。各个通讯接口与通讯协议可配置。各个电压电流模拟量采集单元可以使用软件配置的方法，进行电能量、功率、电能质量数据的统计。
终端设备能广泛应用于户内户外的配电室、开闭站、环网柜、分支箱、柱上开关、架空线路等应用场合，因此终端应充分考虑箱体结构、密封、外形尺寸、固定方式、通讯条件、工作电源提供方式等因素。
智能终端通讯协议做到标准化，具备良好的接入性和可扩展性，规约设计和选择上应具有一定的前瞻性；同时也要充分考虑新老设备的兼容性。因此，智能终端必须支持基于串口通讯的IEC570-5-101规约及其适用于与配网自动化相适应的实现细则；同时要支持基于TCP/IP协议的IEC570-5-104规约及与配网自动化相适应的实现细则；而通信协议可根据需要灵活配置，并可实现未来对其他通信方式的扩展、兼容。
配电SCADA和配电GIS是一体化设计，即做到了数据设计一体化、功能分布一体化和界面一体化。图1所示是系统终端与调度、配调系统的关系图。
1.3 基本功能
本系统是基于嵌入式系统的智能终端平台，具备“四遥”功能，同时具备过流保护功能和数据处理功能，并具备大容量存储和通讯管理功能（支持多协议），还能支持多通讯方式，此外，还具备电源管理功能（电池免维护）和自诊断、自恢复功能以及维护和调试功能。
图1 终端与调度、配调系统关系图
此外，智能终端还具备就地分布式的逻辑功能，可通过电气配合实现故障查找、故障隔离、非故障区段自动转移供电的馈线自愈功能。通过电压-电流-时限的原理与变电站保护相配合，不依赖通信及主站即可识别馈线发生的故障，并能闭锁故障区段，使非故障区段快速恢复供电，可自动实现故障点的隔离和非故障区段的转移供电，可靠性更高。图2所示是其智能配电终端装置实物图。
图2 智能配电终端装置
2 技术指标
智能终端经过在有关示范工程中的应用，其主要指标，包括环境条件、电源、遥测、遥信、遥控、故障电流、过流保护、逻辑功能、通讯接口、装置功耗、绝缘性能等百余个参数指标均达到设计要求。其中主要指标如下：
2.1 遥测
（1）电压输入标称值：220 V/100 V，50 Hz；
（2）电流输入标称值：1 A/5 A ；
（3）电压、电流采样精度：0.5级；
（4）有功精度：1级；
（5）无功精度：1级；
（6）相角采集精度：<1°；
（7）直流电压输入标称值：0～100 V，采样精度：0.5级；
（8）直流采样精度：0.5级；
（9） 标称输入值时，每一回路的功率消耗小于0.25 VA；
（10）容量：根据需要可以扩展到9个电压，24个电流，9个直流。
2.2 遥信
（1）输入方式：单端输入；
（2）隔离：500 V DC 的光电隔离；
（3）接线方式：无源接点；
（4）回路电压：24 V DC；
（5）SOE分辨率小于2 ms；
（6）软件防抖动时间6～60 000 ms可设；
（7）容量：至少64个遥信。
2.3 遥控
（1）输出方式：继电器常开接点输出；
（2）触点容量：直流24 V、10 A；交流220 V、10 A。
（3）分合闸脉宽整定范围：0.1～99.9 s，整定级差0.01 s；
（4）容量：至少18个遥控量。
3 结 语
多通道智能终端采用分布式智能控制方式，充分发挥分布式智能的实时性和可靠性，尽快完成故障隔离，恢复非故障区域供电，减少停电时间和范围。并且，在具备了配电SCADA的条件下，调度员可以监视和控制故障的处理过程。当通信网络或主站系统发生故障而不能正常运行时，也不会影响到分布式智能控制系统及时的完成故障处理和非故障段恢复供电的功能。分布式智能功能在具有通道的情况下自动升级为协作模式，通过智能终端之间的相互通信完成故障的定位、隔离及转供，能够有效提高故障处理的快速性和准确性；在架空线路中，智能终端能够与自组网故障指示器结合，实现故障分支和故障点的精确定位。分布智能式控制方式不依赖控制中心和通信系统，故障处理和恢复供电的速度有显著提高，时间提高到秒级。
参 考 文 献
[1]郑楚锋.基于ADSP-BF533的运动目标检测及其在车载智能系统中的应用研究[D].西安：西安电子科技大学，2006.
[2]刘兆伟.浅谈负荷管理系统在新形势下的应用[J].电力需求侧管理，2007（4）：12-13.
[3]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[4]鲁春生.电力负荷管理系统的发展方向（二） [J].电力需求侧管理，2007（4）：8-9.
[5]刘兆伟，赵庆建.负荷管理系统中的并发通信设计与实现[J].电力需求侧管理，2006（1）：36-38.
