一款智能馈线终端的设计与开发

2020-06-30吴小军

科学技术创新 2020年17期

吴小军

（上海天洲电器集团有限公司，上海201901）

在智能电网的发展过程中，实现配网自动化有利于提高供电质量和改进配电管理效率。智能馈线终端对电网数据实时监测，实现故障线路的识别、定位、隔离以及非故障区恢复供电；与配电主站组成配电自动化系统，按照通信协议（101/104 规约）主动向配电主站上报故障事件和接受主站下达命令。目前，我国6～35kV中压配电网广泛采用小电流接地系统，其特点是当发生接地故障时，故障电流很小，允许设备短时间运行，提高供电可靠性。需要注意的是，相间电压升高会给设备绝缘带来危害，长时间运行对设备绝缘造成严重威胁，甚至引发相间短路故障。计算机与电子技术的发展，高精度高采样率的数据采集使基于暂态分析的故障定位技术达到了实用化水平。本文设计选用STM32F407 作为电量计算、保护逻辑判定、控制输出的主控制器，MAX11046 作为多通道高精度同步采样模数转换器，结合二者优势构建新型智能馈线终端。实际性能测试结果表明，该装置具有较高的交流采集精度，相关技术性能和功能指标满足基于暂态电量分析的故障定位技术要求。

1 设计背景与方案

配网自动化管理系统中，需要对电网进行实时精确监控和故障定位分析。智能馈线终端通常安装在配电网架空线路杆塔等处，是一款集四遥（遥测、遥信、遥控、遥调）、保护和通信于一体的配网自动化产品。它一般由交直流模拟量采集、开关量状态输入检测、无源控制出口以及多种通信接口等组成。就本文所设计的方案而言，交流信号经互感器电气隔离后，通过信号调理电路将其送入多通道同步采样器，微控制器读取转换结果进行电量计算；开关位置信号经电气隔离后由微控制器处理，根据保护逻辑实时判定并输出，包括事件记录，故障录波，状态指示和继电器出口等。综上所述，设计方案考虑如下：硬件构成上以STM32F407 微控制器为运算处理器、MAX11046 多通道同步采样转换器为高精度采集核心部件，结合图形化可编程保护逻辑，共同构建嵌入式测控一体化平台。其中，微控制器单元负责运行算法、执行逻辑和多种通信（RS232/RS485/以太网）功能，并运行FreeRTOS 实时多任务操作系统，功能软件模块化，提升了执行效率和扩展能力。

2 硬件设计

2.1 硬件结构。就智能馈线终端核心单元硬件构成而言，主要包括模拟量采集电路设计、开关量电路设计（含状态输入检测和无源控制输出）、多种通信接口以及数据存储等，模块之间通过高速并/串行总线相连，扩展简易方便。系统硬件构成如图1 所示。

图1 系统结构框图

2.2 模拟量采集电路。模拟量采集电路分为交流模拟量和直流模拟量两部分。前者对电网数据实时监测，实现对电压、电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等电量的计算，提供给保护逻辑判断；后者用于采集工作环境等数据，如后备电源电压、航空插头接口处温湿度等信息。

2.2.1 交流模拟量。由于配电网中存在感性或者容性负载引起相位偏移，同时又需要监测此相移，因此在设计上采用高精度多通道同步采样模数转换器MAX11046，为交流模拟量提供高效的数据采集。其具有8 个带有采样保持（T/H）独立输入通道，能够实现250kbps 采样速率，它具备以下特点：（1）极高的输入阻抗（1GΩ），减少了精密运放的使用；（2）真正的双极性信号，无需电位平移电路；（3）单电源供电，节省了电源模块和PCB 尺寸；（4）高信噪比和低温漂，保证了不同环境的测量稳定性。针对本文设计的智能馈线终端，电网信号是在继电保护测试源的持续激励下产生，装置通过内部电压/电流互感器实现电气隔离，将互感器次级传感信号送至信号调理电路变换成符合模数转换器的测量范围。因此，设计上需要考虑双极性±5V信号的输入量程。采集过程中会依次经过多个调理电路，具体如下：（1）Π 型低通滤波器，滤除互感器次级输出信号的高频部分；（2）双向限幅电路，保护精密测量电路不受损坏；（3）电压比较电路，提高电网在出现频率波动时的数据采集精度。2.2.2直流模拟量。不同于交流模拟量信号可以利用互感器实现电气隔离，设计上必须采用新的方式实现电气化隔离。具体方案：首先将外部直流量转换为跟信号幅度成正比例关系的脉冲信号，然后将其输至高速光电耦合器从而实现电气隔离。AD7740 作为低功耗同步幅频转换器，采用电荷平衡转换技术，具有工作范围宽，对外部元件要求小，输出频率准确，无需调整和校准的优点。

2.3 开关量电路。开关量电路设计包括开关量状态输入检测和无源控制输出。前者用于检测开关位置状态，后者用于保护跳闸（分/合闸控制）、遥控和告警等出口。2.3.1 开入量。开入量常用于检测断路器合、分位置以及储能等状态。遥信回路电压24VDC，输入为无源节点；采用软硬件相结合的防误措施，其中软件防抖可实现10～1000ms 设置（默认200ms），硬遥信分辨率小于2ms。2.3.2 开出量。根据保护逻辑执行结果，按照用户设置方式进行继电器输出，支持脉冲、电平和同步三种方式。遥控输出支持软压板闭锁和硬压板输出控制，双重保护设计保证其操作的准确性和可靠性。

2.4 通信接口。智能馈线终端通常会配置线损模块、4G模块和工业路由器等配件。因此，通信接口通常分为串口通信和网络通信。其中，串口通信主要接入线损模块和串口版4G模块，网络通信主要接入工业路由器（网口版4G模块）和配电主站。

3 软件设计

智能馈线终端的软件设计主要包括底层驱动程序，FreeRTOS实时多任务操作系统和用户功能软件等。与uC/OS-II 操作系统直接开关中断实现临界区保护不同，受ARM CM4F 内核支持，FreeRTOS 实时多任务操作系统可以设置中断阈值进行选择开关中断实现临界区保护。根据上述特性，将功能划分为独立于操作系统运行和接受操作系统管理两大类。前者适用于紧急时事务处理，特点是实时性高，处理时间短，涉及交流周期采样和测频功能；后者适用于操作系统管理提高实时性能，涉及测量计算、保护算法逻辑、通信收发规约、秒级任务和后台保存等功能。总体任务关联如图2 所示。

3.1 交直流采集任务设计

图2 总体任务关联图

图3 小电流接地流程图

交流采集任务采集电网实时数据，直流采集任务采集低速慢变信号。与传统前后台系统大循环设计相比，运行在FreeRTOS实时多任务操作系统上的软件依靠系统资源将中断服务程序和用户任务关联，实现高优先级中断和低优先级任务的翻转，提升软件执行效率。3.1.1 交流量采样。随着计算机控制技术和电子技术的发展，基于暂态分析的故障定位技术取得了突破性进展。依照《Q/GDW11815-2018 配电自动化终端技术规范》录波要求，同时结合暂态电量分析需要，本文设计的终端每周波采样80 点，能够很好的捕捉到暂态过程，从而保证有足够多的点反映暂态状态。为降低处理器运算负荷，每1/4 周波执行一次保护计算，每2 周波执行一次谐波计算。交流采样任务属于事件触发型任务，具体过程为采样定时器触发ADC 启动转换；转换完成时触发硬件中断，在中断服务程序（ISR）中只进行读取结果等少量操作，尽量减少中断服务程序占用处理器时间；通过信号量触发关联任务，在关联任务内执行保护算法，从而提高系统硬实时性响应。3.1.2 直流量采集。直流量采集利用秒中断控制脉冲采集时间窗口，同时秒也作为顺序事件记录时间戳的重要组成，因此秒中断优先级较高，然而对直流量的结果处理并不紧迫。在高优先级的秒中断服务程序中完成脉冲读取并保存，通过信号量触发低优先级的关联任务。操作系统将挂起低优先级任务，运行就绪的高优先级任务，从而提高系统软实时性响应。

3.2 小电流接地故障定位设计。小电流接地故障定位是基于暂态电量分析的故障定位技术。首先对电量数据实时采集并循环记录，同时对采样数据进行离散傅里叶变换（DFT）后计算出电量参数，保护逻辑实时判断零序电压，一旦零序电压大于保护整定值，则立即冻结记录数据，由小电流接地算法判定生成结果。程序流程如图3 所示。

3.3 图形化可编程保护逻辑。智能馈线终端的保护逻辑往往都是固化在装置软件上，不同现场不同保护功能对应着不同版本的装置固件，增加了生产难度和运维成本。本文所设计的图形化可视逻辑编程，其核心思想是将所有的输入/输出、保护算法等功能虚拟化、模块化、元件化，逻辑设计者仅需要简单的拖拽、连线和设置，即可完成特定的保护功能。生产备货时只需要固化基础软件；发货时按照订货要求下载不同的配置；现场调试时，部分输入输出不能正常工作，运维人员只需要简单修改即可切换至备用输入/输出口。

4 试验结果与分析

4.1 参数设置

智能馈线终端核心单元由交采板、主控板、遥信遥控板、电源板等组成。结合小电流接地故障逻辑，针对基本测量功能和主要技术指标进行了实际测试和分析。测试过程如下：4.1.1 用户设置：投入故障录波控制字（KLBU0），设定U0 整定值6.5V；4.1.2 外部接线：交流量接入电流Ia,Ib,Ic；电压Ua,Uc,U0,其中U0 作为启动条件；4.1.3 测试条件：电压额定值（Ue）：220.0V，电流额定值（Ie）：5.0A。

4.2 结果与分析。为了验证智能馈线终端的高精度交流采样，通过施加零序电压（22.0V）触发故障录波，然后利用模拟主站软件通过文件服务提取波形文件，最后用分析软件计算测试误差。结果如表1 所示。从表1 可以看出，测量精度实测值远低于要求值，表明开发的装置性能良好，满足期望的技术要求，同时其他功能的测试结果也完全符合配网自动化终端技术规范要求。