新型智能化配电网通信柜的研制

陈嘉，田志峰，吕为，高强，黄晓奇

（深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）

新型电力系统背景下的配电通信网建设工作中存在通信设备运行现场环境复杂、设备电源可靠性低、抗多点故障能力弱等业务痛点。（1）配网通信电源相关故障严重影响快速复电成功率。在出现线路跳闸后，无论是集中式线路自愈，还是需进行快速复电操作，都需要配网通信设备为配网自动化应用提供通道保障。在交流市电跳闸断电的情况下，目前无法采取有针对性地应急供电措施，从而不能有效保障线路自愈或快速复电。（2）配网通信电源相关故障长期挤占大量运维资源。按某地区供电局2021 年配网通信抢修工程量统计，约57%的抢修台班与设备电源有关，尤其是配电电停电检修引起的配电数据网交换机环跳工作消耗大量人力物力，成本效益很低却又不得不为之。（3）缺乏监控配网通信设备运行环境的有效技术手段。配电点通常运行环境恶劣，目前的技术手段无法对配网通信设备的运行环境进行有效的实时监控，不能感知设备用电状况，更谈不上落实事故预防措施，设备损耗率长期居高不下。为此项目组调研了大量的配网现场环境，采集了设备安装空间、电源配置等信息，针对柜体小型化、完备的供电系统、灵活的安装方式等开展了深入的技术论证，原创设计开发了一种应急能源智慧管理装置，主要解决配网通信设备应急供电和环境监控等一系列问题。

1 总体设计

柜体布局结构主要由应急储能组件、智慧电源管理组件、交换机放置区、ODF 配线单元区、绕纤单元区和光纤固定单元区等组成。柜门为防盗结构，装有门禁监测感应器，采用带限位器伸缩撑杆铰链。柜体外壳依照IP34 防护等级设计，并用金属层板隔离出独立的蓄电池系统区，以起到限制锂电池包热失控故障风险影响范围的作用。在柜体底部过线孔开槽并装有可拆卸式锁片，支持免ODF 割接的低施工成本改造方式。

其中智慧电源管理组件除具备基本的交流220V 转直流24V 供电功能外，具有宽范围输入、良好的输出调整率，具备输出过压保护、输出过流（短路）保护、输入过压、欠压保护、整机过温保护、浪涌电压保护以及EMI 滤波等功能；整合了电池管理模块，可实现对磷酸铁锂电池智能充放电管理功能；配置了基于ARM 架构的感知系统，可实现交直流电量参数、柜体环境温湿度和门禁状态信息的采集管理；内嵌了IEC61850 标准通信协议模块，可实现监测、控制信息在终端侧和监控平台侧之间的数据交互。

应急储能组件选用带电池管理系统管理25Ah 的磷酸铁锂电池，能满足主流配电数据网交换机18 小时以上的后备工作时间要求。在交流市电跳闸或停电检修情况下，仍能为环网内配网自动化业务提供可靠通道，可有效保障配网线路自愈或快速复电。

主站监控平台设计为B/S 架构。采集后台支持通过IEC61850 协议进行接收遥测、遥信数据，下发遥控、遥调配置。采集程序接收测量设备的原始信息，包括周期推送、实时变化数据等。具体通过kafka 实现信息数据的流转。

2 智慧电源管理组件工作原理

智慧电源管理组件（以下简称PDU）逻辑架构参照图1，其中各模块详细设计如下。

图1 逻辑架构图

（1）主程序。主程序主要功能：对IEC61850 通讯管理、RS485 通讯管理、LTC4162 充电管理、AC（220V）参数采集管理、DC 参数采集管理、温湿度采集管理、门禁管理、LED 显示、调试信息的信号采集、处理、控制以及信息数据打印，以到达对每个功能模块进行实时数据采集、处理、监控与时间片段轮训上传到监控后台服务器端，实现与无人看守的智能监控控制。

（2）通讯模块。IEC61850 通讯：通信电源系统提供以太网口（100Base-T）与监控主站之间通信。通信电源系统与监控主站之间采用TCP 方式进行通讯，通信电源系统作为TCP 服务端，监控系统作为TCP 客户端。通信电源系统同时支持不少于4 个监控系统同时访问。通信电源系统与监控系统通信之间采用DL/T860 标准（IEC61850）上报数据，具体遥测、遥信、遥调、遥控量参照技术规范的要求，使用统一的监控名称及逻辑名称。IEC61850 通信电源远程监控协议满足《电网通信电源监控系统技术规范》（Q/CSG1204027-2018）相关要求的设计，同时满足PDU 核心控制模块为从机，IEC61850 管理模块为主机，数据通讯协议进行数据的交互设计。

RS458 通讯：把MCU 出来的一条的TTL 信号经过芯片转换为两根线（线A、线B）上的信号。当MCU 给转换器输入低TTL 电平时，转换器会使得B 的电压比A 的电压高，反之，A 的电压比B 的电压高。RS485 协议规约两条电平线上差值为多少表示0 或者1，在通过自定义的主从机数据通讯协议进行数据的交互设计。

（3）LTC4162 充电管理。LTC4162 充电管理IC 通过IIC 硬件接口连接，在使用相应的IIC 通讯协议进行读取输入电压、电流、输出负载电流、电池电压、电流等参数，同时能设置输入电压、电流以及电池电压、电流的上下限值等参数的充电管理。实现PDU 核心控制模块为主机，LTC4162 充电管理模块为从机，实时监控遥测设置。

（4）温湿度采集管理。温湿度采集管理IC 通过IIC 硬件接口连接，在使用相应的IIC 通讯协议进行读取温度、湿度参数，实现PDU 核心控制模块为主机，温湿度采集管理模块为从机，实时监控遥测机柜环境温湿度。

（5）门禁管理。门禁管理通过PDU 核心控制模块的输入IO 进行电平高电位，低电位的检测，低电位开，高电位关，以及低电位持续多长时间的监测。

（6）BMS 管理设备。BMS 管理设备通过对电池包里的每节电池电压的过压、欠压；电流的过流的管理以及电池过充、过放、电池短路管理控制，实现PDU 核心控制模块为主机，BMS 管理设备为从机，实时监控遥测BMS管理设备情况通讯接口采用标准的RS485电气接口，采用自定义的数据通讯协议实现。

（7）LED 显示。实现对是否有AC（220V）；电池包是否在充电以及是否有DC 输出的指示提醒，AC220V接入时AC 红灯亮，电池充电指示灯亮，DC 供电指示灯灭；AC220V 停电时AC 红灯灭，电池充电指示灯灭，DC供电指示灯亮。

3 应急储能组件选型分析

通过调研分析发现，配网通信设备对应急储能的需求主要有3 点：一是续航时间要够长。交流市电中断后，设备续航时间必须能够覆盖绝大多数停电事件的持续事件，一般要保证12 小时备电。二是运行耐温要够高。在华南沿海城市地区，配电房设备运行现场环境温度通常都在40 ～50℃区间浮动。三是采购成本要够低。按照华南沿海超大城市电网2 万多个配电点的规模来全覆盖改造，采购成本控制得好不好将直接影响成果产品推广应用情况。

基于以上选型需求，参考目前应急储能市场主流技术方向，对以下几种储能技术进行了论证。

（1）耐高温铅酸蓄电池。耐高温铅酸蓄电池是基于节约运营商基站空调能耗而设计的，持续高温使用安全可靠。相比传统的铅酸蓄电池，其差异特性见表1。

表1 耐高温铅酸蓄电池差异特性表

虽然耐高温铅酸蓄电池运行温度特性符合需求，但是其体积大、循环寿命短、故障率高等缺点较难解决。

（2）超级电容器。超级电容器与传统电容器相比，有极高的储能密度，具有低内阻、高功率、宽工作温区、超长循环寿命等特性，且原材料天然无污染。超级电容器在-40 ～65℃主要性能指标几乎无差异，温度特性符合需求。但是，作为其主要优点的快速充电和瞬间大功率放电能力，对于配网通信场景而言并非关键因素。反而，目前超级电容器生产成本较高，不符合本场景需求。

（3）锂电池。锂电池按极片材料的不同又可细分为磷酸铁锂电池(LFP)、钴酸锂电池(LCO)、锰酸锂电池(LMO)、镍钴锰酸锂电池(NCM)等。相比于其他材料，LFP 电池耐高温，工作温度范围在-20 ～75℃，热峰值最高可达500℃。并且安全稳定性好，相对于其他材料的层状晶体结构，LiFePO4具有紧密堆积的橄榄石结构，难以分解，即便在高温或过充时也不会发生结构崩塌发热或形成强氧化物质。LFP 更适用于配电网运行场景，是本项目的优选方案。

4 主站监控平台

主站监控平台通过软件实现了61850 协议转换，充分挖掘了服务器的运算能力，节省了61850 协转设备的硬件投资。其采集后台定时通过61850 协议连通站点电源柜测量设备采集遥测、遥信到kafka，同时具备接收kafka 的遥控、遥调消息数据通过61850 协议进行下发。适配后台接收kafka 的遥测、遥信消息数据进行适配入库，同时兼具接收界面下发调用往kafka 遥控、遥调生产消息。数据库存储采集回来的遥测、遥信、遥调信息。界面提供了所有相关可操作的功能页面，包括监控管理、历史信息、统计报表、系统管理等等功能。在服务器云与配电数据网的互联方式上也特别部署了安全隔离防火墙，屏蔽可能来自各配电房、环网柜的网络攻击（图2）。

图2 监控平台联接拓扑

5 结语

本成果在配电网通信设备柜中实现了支持多维运行环境要素感知系统和对锂电池智慧管理系统的整合，并原生支持IEC61850 协议，以及实现可视化远程监控和便于施工、改造、运维的结构设计。本成果能在恶劣的环境下工作，同时具有交直流同时输出功能；具备应急供电功能，以及对磷酸铁锂电池智能充放电管理功能，确保配网交换机掉电不掉线；实现了对复杂运行条件下的多维环境要素感知，具有“可靠、可测、可控”独特优势。本成果产品的推广，可通过保障配网线路自愈或快速复电操作来减少间接经济损失，降低抢修及检修运维人工成本，降低设备运行损耗带来的直接经济损失，并通过在线监控设备用电状态，指导针对性的事故预防措施以节约投资。