開(kāi)閉所綜合智能終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張延輝 郭 立 朱 莉 付曉勇（國(guó)網(wǎng)鄭州供電公司，河南 鄭州 450000）

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開(kāi)閉所綜合智能終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張延輝 郭 立 朱 莉 付曉勇
（國(guó)網(wǎng)鄭州供電公司，河南 鄭州 450000）

摘 要：本文針對(duì)配電網(wǎng)級(jí)聯(lián)開(kāi)閉所供電關(guān)系特點(diǎn)，將線路光纖縱聯(lián)保護(hù)和方向保護(hù)的思想引入配電網(wǎng)的故障處理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種開(kāi)閉所綜合智能終端，除了具備常規(guī)站所終端（DTU）基本功能之外，還兼具功率方向保護(hù)功能、光纖縱聯(lián)保護(hù)功能、重合閘功能等，在不依賴主站及通信的情況下能就地快速隔離故障區(qū)域和恢復(fù)非故障區(qū)域供電，并將故障處理信息匯總上傳主站，廣泛適用于目前配電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀的要求。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)站所終端（DTU）和故障處理的功能，具有功能完善、運(yùn)行可靠、測(cè)量精度高、硬件通用性強(qiáng)、可擴(kuò)展性高的優(yōu)點(diǎn)，并具有串口和網(wǎng)口多種類型通訊接口接入系統(tǒng)主站，有著廣闊的應(yīng)用前景和較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；級(jí)聯(lián)開(kāi)閉所；站所終端（DTU）；光纖縱聯(lián)；STM32

1　前言

配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)能夠迅速實(shí)現(xiàn)對(duì)故障區(qū)域的隔離和非故障區(qū)域的供電自動(dòng)恢復(fù)，減少停電面積，縮短停電時(shí)間，提高配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。隨著科技的發(fā)展，配電自動(dòng)化展現(xiàn)出配電系統(tǒng)的多樣化、集成化、智能化的新特征。在我國(guó)的電力系統(tǒng)中，35kV及以下電壓等級(jí)的開(kāi)閉所約占變配電所總數(shù)的70%左右。因此站所終端（DTU）的研究是實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化的關(guān)鍵問(wèn)題之一，對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)提高供電安全性、可靠性，提升綜合優(yōu)化控制和管理水平等方面都具有重要的意義。

本文針對(duì)配電網(wǎng)級(jí)聯(lián)開(kāi)閉所供電關(guān)系特點(diǎn)，將線路光纖縱聯(lián)保護(hù)和方向保護(hù)的思想引入配電網(wǎng)的故障處理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種開(kāi)閉所綜合智能終端，除了具備常規(guī)站所終端（DTU）基本功能之外，還兼具功率方向保護(hù)功能、光纖縱聯(lián)保護(hù)功能、重合閘等功能，在不依賴主站及通信的情況下能就地快速隔離故障區(qū)域和恢復(fù)非故障區(qū)域供電，并將故障處理信息匯總上傳主站。

2　終端設(shè)計(jì)要求

2.1總的要求

針對(duì)目前配電自動(dòng)化故障處理模式的不足，開(kāi)閉所綜合智能終端的設(shè)計(jì)應(yīng)具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）縮小停電范圍，加快故障處理和供電恢復(fù)，利用光纖通信速度；

圖1　終端裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

（2）減小故障處理對(duì)主站依賴，避免故障處理集中在主站；

（3）無(wú)通信或者通信故障時(shí)配置后備保護(hù)以及失靈保護(hù)，提高可靠性；

（4）集成“三遙”功能，隨時(shí)能夠配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)，便于維護(hù)和管理。

2.2功能要求

2.2.1滿足《DLT 721-2013配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端》標(biāo)準(zhǔn)中的配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端的總體要求、基本功能要求和站所終端必備功能要求以及技術(shù)要求。

2.2.2故障處理保護(hù)功能設(shè)計(jì)要求

（1）自主協(xié)商式縱聯(lián)保護(hù)

結(jié)合配網(wǎng)的特點(diǎn)，利用光纖傳遞狀態(tài)信息，自主協(xié)商，實(shí)現(xiàn)站所間光纖縱聯(lián)保護(hù)，相互級(jí)聯(lián)的開(kāi)閉所占用一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)；

（2）方向過(guò)流保護(hù)

具有帶方向判別的過(guò)流Ⅰ段，過(guò)流Ⅱ段保護(hù)，而且保護(hù)定值具有自適應(yīng)功能，能根據(jù)電源點(diǎn)變化時(shí)使用不同的保護(hù)定值。針對(duì)不同的開(kāi)閉所結(jié)構(gòu)，裝置可配置不同的保護(hù)類型：如線路出線保護(hù)、聯(lián)絡(luò)進(jìn)線保護(hù)、聯(lián)絡(luò)出線保護(hù)、母聯(lián)開(kāi)關(guān)保護(hù)等；同時(shí)作為通訊故障時(shí)，縱聯(lián)保護(hù)失效時(shí)，過(guò)流保護(hù)進(jìn)行延時(shí)跳閘；

（3）智能失靈保護(hù)

在開(kāi)關(guān)拒動(dòng)情況下，實(shí)現(xiàn)拒動(dòng)開(kāi)關(guān)的上一級(jí)開(kāi)關(guān)跳閘，保證在開(kāi)關(guān)故障條件下，停電范圍最?。?/p>

（4）重合閘功能

根據(jù)當(dāng)前電壓及開(kāi)關(guān)狀態(tài)邏輯關(guān)系自動(dòng)判別進(jìn)行重合，達(dá)到供電恢復(fù)的目的。

2.2.3控制回路功能設(shè)計(jì)要求

具備遠(yuǎn)方/就地切換開(kāi)關(guān)及合、分操作按鈕、復(fù)位按鈕。配合一次控制設(shè)備可由遠(yuǎn)方或當(dāng)?shù)乜刂崎_(kāi)關(guān)合、分閘操作。每個(gè)回路具備完善的斷路器操作回路功能，具備防跳功能和控制回路監(jiān)視功能。

3　整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開(kāi)閉所綜合智能終端裝置采用4U19英寸后插拔式鋁合金機(jī)箱。站所終端裝置各功能模塊通過(guò)總線處理模塊與CPU主控板進(jìn)行信息交互，由CPU主控板完成信息處理、采樣計(jì)算、邏輯判別等，最終實(shí)現(xiàn)保護(hù)、測(cè)量、通訊等功能。具體硬件構(gòu)成如圖1所示。

4　硬件設(shè)計(jì)

4.1人機(jī)接口模塊

人機(jī)接口模塊主要完成信號(hào)燈指示、液晶顯示和按鍵輸入等功能。

4.1.1信號(hào)燈設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)24個(gè)高亮LED信號(hào)燈，主要完成終端運(yùn)行狀態(tài)指示、告警狀態(tài)指示、終端故障指示、通訊狀態(tài)指示和6個(gè)回路的跳合閘指示和保護(hù)動(dòng)作指示。

4.1.2按鍵設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)6個(gè)按鍵，采用帶LED背光按鍵，具體功能分為“△”、“▽”、“”、“”、“確認(rèn)”、“取消”。

表1　電源配置說(shuō)明

4.1.3液晶設(shè)計(jì)

終端設(shè)計(jì)采用圖形化中文菜單顯示的320×240點(diǎn)陣液晶屏，藍(lán)底白字，顯示內(nèi)容明了清晰。

4.2電源模塊設(shè)計(jì)

采用經(jīng)EMC檢測(cè)合格的開(kāi)關(guān)電源，為裝置各功能模塊提供不同類型的電源，經(jīng)總線處理模塊與其他模塊進(jìn)行接口，具體內(nèi)容見(jiàn)表1。

4.3 交流電流輸入板硬件設(shè)計(jì)

交流電流輸入板上采用12個(gè)精密電流變換器，用于將二次交流信號(hào)進(jìn)行隔離變換為0～5V小電壓信號(hào)，經(jīng)總線處理模塊輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD）。

4.4交流電壓輸入板硬件設(shè)計(jì)

交流電壓輸入板上采用6個(gè)精密電壓變換器，用于將二次交流信號(hào)進(jìn)行隔離變換為0～5V小電壓信號(hào)，經(jīng)總線處理模塊輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD）。

4.5開(kāi)入開(kāi)出板硬件設(shè)計(jì)

4.5.1開(kāi)入部分硬件設(shè)計(jì)

故障處理終端的開(kāi)入量主要有開(kāi)關(guān)位置、遠(yuǎn)方操作允許、事故跳閘、彈簧未儲(chǔ)能、上隔離工作位、下隔離工作位和閉鎖輸入信號(hào)等，送入主芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4.5.2控制回路開(kāi)出硬件設(shè)計(jì)

與斷路器控制回路配合，完成手動(dòng)跳合閘，保護(hù)跳合閘，遙控跳合閘，斷路器位置狀態(tài)監(jiān)視，跳合閘線圈狀態(tài)監(jiān)視，防跳功能，控制回路狀態(tài)監(jiān)視等功能。

4.6CPU主控模塊設(shè)計(jì)

整個(gè)裝置的核心處理單元，采用STM32F103ZE作為主控芯片，利用其豐富外設(shè)實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換和計(jì)算、開(kāi)入開(kāi)出控制、定值及故障存儲(chǔ)、時(shí)鐘處理、串口通訊和網(wǎng)口通訊等功能。

4.6.1STM32F103ZE主控芯片

STM32F103ZE是一款由意法半導(dǎo)體S T公司生產(chǎn)的高性能的A R M?CortexTM-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM），并具有豐富的增強(qiáng)I/O端口和外設(shè)。包含4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C接口、3個(gè)SPI接口、1個(gè)SDIO接口、5個(gè)USART接口、一個(gè)USB接口和一個(gè)CAN接口。豐富的外設(shè)和優(yōu)化的處理性能使STM32F103ZE芯片可完全兼顧快速邏輯控制和數(shù)據(jù)運(yùn)算的功能。

4.6.2AD采樣處理

AD采樣處理部分采用兩片AD7606轉(zhuǎn)換芯片，通過(guò)SPI接口與STM32進(jìn)行通信，由主芯片控制AD采樣過(guò)程，每周波采集64點(diǎn)。AD7606是由ADI公司生產(chǎn)的16位逐次逼近型8通道同步采樣ADC，單5V供電并可處理雙極性輸入信號(hào)，內(nèi)置模擬輸入鉗位保護(hù)、二階抗混疊濾波器，所有通道的采樣吞吐率均可達(dá)到200KSPS。由交流采樣模塊輸入的信號(hào)經(jīng)簡(jiǎn)單的阻容濾波即可直接接入AD芯片，實(shí)現(xiàn)16路模擬信號(hào)的快速轉(zhuǎn)換。

4.6.3開(kāi)入開(kāi)出控制

STM32F103ZE具有112個(gè)增強(qiáng)型通用IO端口，且所有IO端口均兼容CMOS和TTL電平。每個(gè)IO可隨意配置為輸入或輸出，輸出電流高達(dá)8mA且可吸收20mA以上輸入電流。所以由STM32F103ZE的通用IO端口輔以光耦構(gòu)成開(kāi)入開(kāi)出控制電路。

4.6.4定值及時(shí)鐘處理

利用STM32F103ZE的I2C接口擴(kuò)展1 片F(xiàn)M24CL16和時(shí)鐘芯片SD2405完成定值存儲(chǔ)和時(shí)鐘處理。FM24CL16為鐵電存儲(chǔ)器，存取數(shù)據(jù)速度快且操作簡(jiǎn)單，2K字節(jié)的容量可方便設(shè)置多套定值；SD2405集成了實(shí)時(shí)時(shí)鐘、晶振和可充電電池，供電電源自動(dòng)切換，年誤差小于2.5分鐘。

4.6.5故障存儲(chǔ)

利用STM32F103ZE的I2C接口和SDIO接口外擴(kuò)1片F(xiàn)M24CL64和MicroSD卡用于故障記錄存儲(chǔ)和故障錄波存儲(chǔ)。FM24CL64為鐵電存儲(chǔ)器，存取數(shù)據(jù)速度快且操作簡(jiǎn)單，8K字節(jié)的容量可記錄多大300條故障記錄。

4.6.6 通訊功能

采用STM32F103ZE的2路USART接口輔以串口轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成2路RS485通信通道實(shí)現(xiàn)串口通訊功能；利用SPI接口擴(kuò)展以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60，輔以HR901170A實(shí)現(xiàn)1路以太網(wǎng)通訊功能。

4.7光纖通訊模塊硬件設(shè)計(jì)

終端裝置所要求光纖通信模塊至少要2個(gè)光纖通信接口（環(huán)進(jìn)環(huán)出）、具備百兆網(wǎng)口、并兼容232/485串口通信，通信運(yùn)行穩(wěn)定，適合電力行業(yè)應(yīng)用環(huán)境。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，最終決定采用武漢邁威光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MIEN3105C低功耗工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。

5　軟件設(shè)計(jì)

裝置整體軟件程序采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編程，程序執(zhí)行效率高，可讀性和可移植性高。軟件主要由初始化程序、采樣中斷服務(wù)程序、保護(hù)測(cè)量計(jì)算程序、保護(hù)功能處理程序、面板通訊中斷服務(wù)程序、裝置通訊中斷服務(wù)程序、光纖串口通訊中斷服務(wù)程序等組成。

5.1初始化程序

完成裝置功能所需要的硬件外設(shè)初始化和軟件數(shù)據(jù)的初始化，主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、IO端口初始化、I2C/ USART/SPI接口初始化、中斷配置、定值及重要變量初始化等。

5.2采樣中斷服務(wù)程序

通過(guò)STM32F103ZE內(nèi)部定時(shí)器中斷啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，設(shè)定初始采樣頻率3.2kHz，即312.5us啟動(dòng)一次A/D。AD7606的A/D轉(zhuǎn)換完成后，由SPI接口經(jīng)DMA通道讀取采樣數(shù)據(jù)。采樣中斷服務(wù)程序主要完成AD采樣控制和采樣數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)。

5.3保護(hù)測(cè)量計(jì)算程序

采交流采樣算法有多種多樣，裝置采用快速傅氏變換（FFT）。傅氏算法對(duì)諧波具有良好的濾波作用，基波的計(jì)算精度也相當(dāng)高，并且在STM32中集成了硬件乘法器，相乘累加在重復(fù)命令下都是單周期指令，因此，本設(shè)計(jì)采用快速傅里葉變換（FFT）對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，算出各通道電量的實(shí)部虛部，然后開(kāi)方得出當(dāng)前實(shí)時(shí)電量信息，作為保護(hù)處理的依據(jù)。

5.4保護(hù)功能處理程序

根據(jù)當(dāng)前實(shí)時(shí)電量和狀態(tài)信息，按預(yù)定邏輯實(shí)現(xiàn)不同類型的保護(hù)功能處理，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行狀態(tài)更新和故障信息處理。其中主要的邏輯判別和保護(hù)功能判別為方向判別、站內(nèi)站間閉鎖信號(hào)判別、智能縱聯(lián)保護(hù)判別和過(guò)流保護(hù)判別。

5.5面板通訊中斷服務(wù)程序

按照預(yù)定通訊協(xié)議（內(nèi)部規(guī)約）處理與面板通訊信息，主要上傳電量和狀態(tài)實(shí)時(shí)信息、接收面板下發(fā)定值和時(shí)鐘。

5.6裝置通訊中斷服務(wù)程序

按照預(yù)定通訊協(xié)議（Modbus/101/104）處理與主站后臺(tái)系統(tǒng)通訊信息，完成與后臺(tái)系統(tǒng)信息交互。

5.7光纖串口通訊中斷服務(wù)程序

光纖串口通訊中斷服務(wù)程序主要完成與光纖通信模塊間的信息傳輸，利用自定協(xié)議進(jìn)行通信，串口通信中斷服務(wù)程序嚴(yán)格按照協(xié)議幀格式進(jìn)行信息組織，完成信息體的接收和發(fā)送，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光纖快速傳輸信號(hào)的功能。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)對(duì)配電自動(dòng)化主流發(fā)展模式的研究，結(jié)合目前配電自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)配電網(wǎng)級(jí)聯(lián)開(kāi)閉所的供電特性提出設(shè)計(jì)一套開(kāi)閉所綜合智能終端。該終端兼具常規(guī)站所終端（DTU）的功能和完善的保護(hù)功能，即可與配電主站配合實(shí)現(xiàn)饋線自動(dòng)化功能，也能就地實(shí)現(xiàn)故障隔離和供電恢復(fù)，對(duì)配電自動(dòng)化的發(fā)展具有重要意義。本文中的設(shè)計(jì)方案和終端軟硬件設(shè)計(jì)均已投入到了實(shí)際產(chǎn)品和應(yīng)用當(dāng)中。終端產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)了國(guó)家繼電保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的型式試驗(yàn)；新型的故障處理方案已經(jīng)在鄭州市近200個(gè)開(kāi)關(guān)站（開(kāi)閉所）驗(yàn)證并運(yùn)行，運(yùn)行情況良好，達(dá)到了預(yù)期設(shè)想和要求。

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中圖分類號(hào)：TM727

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A