配电自动化系统远程终端设计与实现

2023-12-29吴冬王欢

电气技术与经济 2023年10期

吴冬王欢

（1.国网内蒙古东部电力有限公司兴安供电公司2.国网内蒙古东部电力有限公司霍林郭勒市供电公司）

0 引言

远程终端单元（RTU）是SCADA 系统（监控和数据采集）或DA 系统（配电自动化）的一部分[1-2］。它基本上允许对计划/变电站进行远程监控。远程终端单元（RTU）的作用是允许网络控制中心的操作员管理和操作电力系统，为故障调查提供历史和事件序列（SOE）数据，为网络规划提供历史趋势数据，并监控可用于触发维护（基于状态的维护）的工厂参数，以及用于预测性维护的趋势数据。

1 规划方法分析

配电自动化系统在现代电力网络中的作用愈发重要。配电自动化系统的远程终端是实现对配电设备的远程监控和控制的关键设备之一。

其设计要求及功能包括：远程监控功能：配电自动化系统远程终端需要能够实时监测配电设备的运行状态，包括电流、电压、功率等参数。同时，它还应该能够监测设备的故障情况，并向操作人员发送警报。远程控制功能：配电自动化系统远程终端需要具备远程控制的能力，可以通过远程在线操作，对配电设备进行开关控制、调整参数等操作。数据采集与存储功能：配电自动化系统远程终端需要能够采集配电设备的各种参数数据，并将数据进行存储和管理。这样可以为后续的数据分析和故障诊断提供数据支持。通信功能：配电自动化系统远程终端必须能够与配电自动化系统的监控中心进行数据通信和交互。这样可以实现远程监控和控制的目的。安全性功能：配电自动化系统远程终端需要具备安全性功能，包括对数据传输的加密、用户身份验证等。这样可以有效保护数据的安全性和系统的稳定性。

其设计方案包括，硬件设计：配电自动化系统远程终端的硬件设计应包括适配不同配电设备的传感器和数据采集模块，以及具备远程控制功能的开关控制模块。同时，还需要选择适合的通信模块和存储模块，以实现与监控中心的数据通信和数据存储。软件设计：配电自动化系统远程终端的软件设计主要包括数据采集与存储软件、通信软件和控制软件。数据采集与存储软件负责采集配电设备的各种参数数据，并将数据进行存储和管理。通信软件负责与监控中心进行数据通信和交互。控制软件负责实现对配电设备的远程控制。安全设计：配电自动化系统远程终端的安全设计主要包括对数据传输的加密和用户身份验证。通过使用加密算法和安全认证协议，可以确保数据在传输过程中的安全性。同时，还可以通过用户身份验证等措施，限制非授权人员对系统的访问和操作权限。

性能需具备以下几个要素： 1）响应时间：配电自动化系统远程终端的响应时间应尽可能快，以满足实时监测和控制的需求。较短的响应时间可以有效降低故障和事故的发生。2）稳定性：配电自动化系统远程终端应具备较高的稳定性，可以长时间稳定运行，避免系统的崩溃和故障。3）数据准确性：配电自动化系统远程终端采集的数据应准确无误，以保证后续的数据分析和决策的准确性。同时，还需要具备数据纠错和异常处理的能力，确保数据的可靠性。4）扩展性：配电自动化系统远程终端应具备良好的扩展性，可以适应不同规模和复杂度的配电自动化系统。可以通过增加采集模块和控制模块等方式，满足不断变化的需求。总之，配电自动化系统远程终端是实现对配电设备远程监控和控制的关键设备。通过合理的硬件设计、软件设计和安全设计，可以实现配电设备的远程监控和控制。

2 硬件组件选择

RTU 架构包括一个主板，该主板具有带备用电池的电源、 CPU （微控制器-PⅠC16F877A）、用于处理和存储数据和程序的易失性和非易失性存储器。它还有一个实时时钟（RTC）和看门狗定时器，以确保在睡眠状态下工作时重新启动。RTU 通过通用异步收发器（UART）或串行通信端口与其他设备通信。图1显示了典型RTU配置的框图。

RTU 硬件的选择从识别主电路的所有部件开始。硬件由电源、主板本身（带有微控制器）、数字输入和数字输出、模拟输入、 UART和串行通信端口组成，实时时钟和附件部分由LED 指示灯、蜂鸣器和LCD 显示器组成。

2.1 电源及硬件

电源用于为电子电路提供电力。RTU 电源模块应能够在标称输入电压的+20%和-15%公差的输入变电站直流电源上运行，并在输入电源范围内保持完全正常运行。

PⅠC 16F877微控制器有40个引脚，可编程接受模拟或数字输入；其他输入输出引脚用于数字输入接口。实现所提出的以太网系统设计的第一步是将微控制器（16F877A）与传感器、配件和以太网控制器进行接口[3-5］。Ⅰ/O由8个带数字输入的光耦合器、 8个开集电极数字输出（用于驱动继电器等）和4 个10 位模拟输入组成。

2.2 数字及模拟输入

数字输入子系统应由模块和端接组件组成，通过感应状态触点来监测设备和报警器的状态。RTU 将以两种方式提供感应电压。为了感测数字输入，它们是通过感测跨数字输入点的电压来提供的，并且是公共的。其次，它是通过使数字输入点之间的接触和它的公共性来提供的。

RTU 必须能够检测任何事件的过程，持续时间至少为5ms。持续时间小于5ms 的任何事件应被视为接触反弹或虚假信号。RTU 应具有可编程反跳滤波器，该滤波器可配置为以1ms 的步长拒绝宽度为5ms 至25ms的脉冲。对于这种应用，数字滤波器是优选的。

模拟输入模块可以提供瞬时值。A/D 转换的最小分辨率应为10 位，加上双极转换的符号位，总范围为-1024至+1024。直流模拟输入子系统从输入端到数字值的整体精度应优于电流输入的±0.1%和电压输入的±0.05%。对于4-20mA 直流模拟输入， 4mA 将对应于计数0。20mA 将对应最大计数，而0mA 将给出相应的负计数。对于10 位ADC， 4mA 将对应0 计数，20mA至1024，而0mA将给出-1024计数的读数。

2.3 串行通信端口

选择PⅠC16F877A 通过带有MAX232 转换器的RS232 电缆与GSM 调制解调器之间的连接。该系统采用GSM 调制解调器，由AT 命令控制进行各种操作。为了将信号传输到GSM 调制解调器，它必须使用MAX232。它允许通过RS232 电缆进行传输。MAX232 设备是一个双驱动器/接收器，包括从单个5Ⅴ到EⅠA-232 电压电平的电容式电压发生器。MAX232 芯片用于接收器模块（Rx 模块）和GSM 调制解调器之间的接口电路。MAX232还可以作为缓冲驱动器，通过将数字逻辑0-5Ⅴ接收信号转换为RS232标准-12至12Ⅴ。它需要五个额外的1uF电容器，用于产生12Ⅴ和-12Ⅴ摆动。

2.4 软件电路设计

奥卡德是一款用于测试和设计模拟和数字电路以及设计印刷电路板的电子模拟器。具有以下功能，可实现高速精确的设计：

快速简便的原理图编辑；库可以从头开始编辑或设计；使用其他CAD 应用程序；用于设计不同设备的文件可以用于将信息上传到设备中；设计完整的印刷电路板（PCB），包括自动布线。

使用奥卡德的第一步是选择正确的组件，如果所需的组件没有包含在it 库中，则可以按照规范设计组件并保存它们。然后在双层板上打印之前，正确排列组件并布线组件。

3 实验分析

RTU 提供监测故障的操作、控制、功能和数据收集以供分析。RTU 将启动与数字和模拟输出模块的交易。该系统的主机是RTU，所有信息都可以在主站进行监控。RTU 在故障检测中发挥着重要作用，并被指派立即提供数据和信息。

图2显示了一个完整开发的RTU电路，设计的RTU已准备好进行测试。RTU 的功能是可以在实时操作中检测故障类型。当故障发生时， RTU 板上的LCD显示器将显示数据，继电器将断开， LED 亮起以指示故障。之后，数据/信息将被发送到主站。这样，操作员就可以知道哪个变电站发生了故障，并可以立即采取行动。主站的数据如图3所示。