新型配電自動(dòng)化終端DTU模塊化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

孫健琦，倪威中，陳 敏

（1.浙江中新電力發(fā)展集團(tuán)有限公司蕭山科技分公司，杭州 311200；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州大江東供電公司，杭州 311200；3.浙江中新電力發(fā)展集團(tuán)有限公司蕭山科技分公司，杭州 311200）

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的過(guò)程中，電力需求也越來(lái)越旺盛，并且對(duì)于電能質(zhì)量及供電可靠性需求也越來(lái)越高。配電自動(dòng)化為配電網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展方向，配電自動(dòng)化系統(tǒng)可靠運(yùn)行為配電網(wǎng)健康發(fā)展的基礎(chǔ)。DTU一般在常規(guī)開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、戶外小型開閉所等地方設(shè)置，實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備位置電壓、信號(hào)、有功功率、電流等數(shù)據(jù)的收集和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)開關(guān)分合閘操作，并且實(shí)現(xiàn)饋線開關(guān)故障識(shí)別、非故障區(qū)間供電恢復(fù)及隔離?；诖?，本文對(duì)配電自動(dòng)化終端DTU模塊化系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 配電自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成和特點(diǎn)

1.1 配電自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)

配電自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括主站系統(tǒng)、子站系統(tǒng)及自動(dòng)化終端。自動(dòng)化終端為配電自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集及監(jiān)控的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障分析及處理和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)及優(yōu)化。在目前配電網(wǎng)改造的過(guò)程中，同個(gè)配電線路及輸電區(qū)域具有多種配電終端，不同信號(hào)、廠家配電終端和相同配電網(wǎng)絡(luò)接入的時(shí)候，彼此之間的通信和設(shè)備自身運(yùn)行情況都會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，比如彼此通信問(wèn)題。配電自動(dòng)化系統(tǒng)的主要特點(diǎn)就是分工明確，具有較高的綜合性及配合緊密，以配電自動(dòng)化承擔(dān)任務(wù)、使用條件及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等需求，配電自動(dòng)化終端的特點(diǎn)為：

（1）較高可靠性。配電自動(dòng)化終端設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)及收集數(shù)據(jù)可靠性較高，要對(duì)故障快速反饋、隔離及定位進(jìn)行保證，要求設(shè)備具有良好數(shù)據(jù)收集精度、電磁特性及通信穩(wěn)定性。

（2）較高實(shí)時(shí)性。對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸具有較高實(shí)時(shí)性，比如要優(yōu)先傳輸重要數(shù)據(jù)，保證第一時(shí)間傳送到主站中。

（3）較高安全性。對(duì)于設(shè)備及數(shù)據(jù)都具有較高的安全性需求，比如在失電的時(shí)候，要求備用電源能夠可靠的工作。如果通信通道出現(xiàn)故障，迅速切換備用通道，以此使通信能夠正常。

（4）良好操作性。系統(tǒng)操作方法較為簡(jiǎn)單，并且調(diào)試及維護(hù)方式較為靈活，能夠有效實(shí)現(xiàn)就地、遠(yuǎn)方操作、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)維護(hù)等維護(hù)及調(diào)試工作[1]。

1.2 配電終端DTU的功能

配電終端是以配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端技術(shù)為基礎(chǔ)研發(fā)的全新配單終端，繼承原本DAF終端技術(shù)特點(diǎn)，還添加了靈活組態(tài)配置功能、獨(dú)立保護(hù)插件功能、web發(fā)布功能，為線路保護(hù)、集成DTU、通信設(shè)備管理為一體的全新配電網(wǎng)自動(dòng)化終端。配電終端DTU功能狀態(tài)軟件組態(tài)配置能夠靈活組合，其功能能夠?qū)崿F(xiàn)10kv線路電壓、電流、設(shè)備狀態(tài)的有效檢測(cè)，還能夠?qū)崿F(xiàn)遙信、遙測(cè)及遙控的功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控配網(wǎng)自動(dòng)化。其中通信管理功能的通信接口、方式及規(guī)模較多，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)終端內(nèi)部數(shù)據(jù)管理，還能夠?qū)崿F(xiàn)配電室電能表、PLC及直流屏數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一接口及主站系統(tǒng)通信對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。配電終端的設(shè)計(jì)通過(guò)集散式進(jìn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)硬件及軟件的組態(tài)配置，使DTU實(shí)時(shí)性需求得到滿足，并且還能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和記錄，使測(cè)控、保護(hù)和通訊監(jiān)控的問(wèn)題進(jìn)行有效解決，實(shí)現(xiàn)站端設(shè)備種類的簡(jiǎn)化。保護(hù)功能能夠?qū)€路故障切除、就地檢測(cè)的功能。

2 配電自動(dòng)化終端DTU模塊化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 電源選型

在DTU系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分考慮不間斷供電的情況，那么要實(shí)現(xiàn)雙電源供電方式，主流供電方式包括兩部分，其中一部分為300W或500W的AC/DC充電電源構(gòu)成，通過(guò)兩路實(shí)現(xiàn)輸出，分別為后級(jí)板卡供電及蓄電池充電、超級(jí)電容充電，另外一部分就是超級(jí)電容和蓄電池，此方面能夠使斷電之后的系統(tǒng)還能夠維持正常運(yùn)行。另外，電網(wǎng)對(duì)于EMC的要求也非常高，尤其是浪涌，要能夠有效滿足4級(jí)要求。在蓄電池及電源都掉電時(shí)，要求系統(tǒng)的掉電保持時(shí)間超過(guò)500mS。

根據(jù)以上需求，本文使用MBP500接線式電源，其主要功能就是電池充電，并且產(chǎn)對(duì)48V鉛酸電池進(jìn)行充電。工作級(jí)在進(jìn)行工作過(guò)程中的溫度為-40℃-70℃，接線式安裝，具有良好的EMC性能。主控板電源也需要能夠滿足兼容24V和48V輸入電壓范圍，要求24V為通信模板供電，還要5V為主板供電，那么使用URB4824和URB2405兩端DC/DC電源模塊。遙測(cè)系統(tǒng)供電要求高隔離電源實(shí)現(xiàn)供電，充分考慮端口浪涌問(wèn)題。其次，此電源要能夠使24V和48V輸入供電需求得到滿足，所以使用URF產(chǎn)品。此產(chǎn)品具備3000VDC高隔離電壓，工作溫度為-40℃-85℃，空載功耗低壓為0.12W。圖1為充電電源的外觀。

圖1 充電電源的外觀

2.2 電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)為電路主要包括外部RAM、存放系統(tǒng)及輔助存儲(chǔ)器，因?yàn)榭紤]外部RAM為IP2022自身的RAM有限，無(wú)法有效滿足實(shí)際需求。所以本文設(shè)計(jì)充分考慮成本、性能及可靠性需求，使用IS63L設(shè)計(jì)外部RAM。其具有八位帶有三態(tài)輸出透明閉鎖器件，也是針對(duì)驅(qū)動(dòng)高電容及低阻抗負(fù)載設(shè)計(jì)的，尤其實(shí)現(xiàn)緩沖寄存器、雙向總線驅(qū)動(dòng)器、I/O口及工作寄存器。硬件看門狗的復(fù)位電路較為簡(jiǎn)單，IP2022引腳能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)試及在線編程引腳，之后與外部元件相互配合，以此有效實(shí)現(xiàn)看門狗功能。

此系統(tǒng)要求具有靈活調(diào)試、維護(hù)目的，系統(tǒng)中的RS-232串口實(shí)現(xiàn)專用調(diào)試口，并且還具有強(qiáng)大功能的BDM接口，此接口能夠?qū)崿F(xiàn)下載、調(diào)試程序。因?yàn)槭褂瞄W速存儲(chǔ)器，鞥能夠直接利用BDM口及RS232串口的調(diào)試實(shí)現(xiàn)在線編程，不需要編程器，其快速且方便。為了避免誤操作，還實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)跳線的色劑，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)及編程調(diào)試進(jìn)行區(qū)分。調(diào)試狗電路使用ST主要元件，其屬于高速CMOS方型2輸入，不僅能夠在高速度場(chǎng)合中使用，還能夠在低功耗場(chǎng)合中使用。內(nèi)部電路主要包括緩沖輸出兩級(jí)構(gòu)成，其具有靜態(tài)輸出功能，并且能偶免疫噪聲，全部的輸入輸出都具備防靜態(tài)及電路泄露的功能。

2.3 串口數(shù)據(jù)流的設(shè)計(jì)

圖2為系統(tǒng)模塊的串口數(shù)據(jù)流，使用RS232及RS485通信接口。不同串口都具有多種配置，比如上行規(guī)約口、透明口、無(wú)用口及下行設(shè)備口。定義某串口為透明口的時(shí)候，其他串口接收此串口的傳輸報(bào)文。定義某串口上行規(guī)約口的時(shí)候，其就成為遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約口。定義串口下行設(shè)備口的時(shí)候，此串口為輪詢此串口中的設(shè)備。定義某串口無(wú)用口的時(shí)候，此串口并沒有作用。

圖2 系統(tǒng)模塊的串口數(shù)據(jù)流

在方案中利用74HC244芯片，以此使驅(qū)動(dòng)能力得到提高，并且還具有鎖存功能及抗干擾功能。MAX芯片能夠傳輸232數(shù)據(jù)，SN65LBC能夠傳輸458數(shù)據(jù)。因?yàn)镽S232缺乏良好的抗干擾能力，所以為其配置光電隔離，以此使抗干擾能力得到提高。

其中的串口1利用232實(shí)現(xiàn)各個(gè)板塊之間數(shù)據(jù)傳輸，串口4實(shí)現(xiàn)232傳輸。串口2與串口3使用232及485實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，假如其協(xié)議為透明傳輸，這個(gè)時(shí)候串口2與串口3會(huì)使串口1或者通過(guò)以太網(wǎng)所接受的數(shù)據(jù)傳輸。假如不為透明傳輸，就要在數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，之后傳輸數(shù)據(jù)。

最多選擇四個(gè)232通信接口，其中的波特率設(shè)置在300-57600b/s之間；最多選擇兩個(gè)485通信接口，設(shè)置波特率在300-57600b/s之間。

在選擇串口波特率的過(guò)程中，因?yàn)楝F(xiàn)代程序?qū)崿F(xiàn)無(wú)校驗(yàn)方式，缺少9600b/s波特率。選擇波特率的過(guò)程較為復(fù)雜，比9600b/s波特率小的能夠利用配置工具實(shí)現(xiàn)串口波特率的修改，不改變其他。在比9600b/s波特率大的時(shí)候，根據(jù)以下類推實(shí)現(xiàn)設(shè)置：假如19200波特率，使TMR0中斷頻率改變?yōu)?53600，分頻4；假如38400波特率，使中斷頻率改變?yōu)?07200，分頻2；假如57600波特率，使中斷頻率改變?yōu)?60500，分頻2。

2.4 遙控?cái)U(kuò)展模塊

遙控?cái)U(kuò)展模塊主要實(shí)現(xiàn)外部開關(guān)的操作，實(shí)現(xiàn)控制指令的執(zhí)行，每個(gè)模塊都具有八路220V/5A繼電器常開輸出節(jié)點(diǎn)，圖3為遙控?cái)U(kuò)展模塊的結(jié)構(gòu)。為了使遙控動(dòng)作出口可靠性及安全性得到提高，配置全局繼電器電源，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行繼電器、預(yù)遙控繼電器及控制繼電器。在智能模塊電源上電自檢之后，電源使能繼電器閉合，以此將控制電源提供給繼電器。出口控制動(dòng)作執(zhí)行的時(shí)候，首先控制預(yù)遙控繼電器，繼電器動(dòng)作正確之后，對(duì)執(zhí)行繼電器出口動(dòng)作進(jìn)行控制。遙控輸出為重合器、斷路器及繼電器重要裝置的控制，所以要對(duì)遙控輸出的精準(zhǔn)性保證。針對(duì)遙控自身保護(hù)需求，如果輸出電流較大，實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中設(shè)置電源板電路，使動(dòng)作精準(zhǔn)性得到提高。

圖3 遙控?cái)U(kuò)展模塊的結(jié)構(gòu)

2.5 遙信擴(kuò)展模塊

數(shù)字量模塊通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)控制，圖4為遙信擴(kuò)展模塊的結(jié)構(gòu)。遙信擴(kuò)展模塊的主要目的就是實(shí)現(xiàn)遙信信息的檢測(cè)，每個(gè)模塊中具備16路無(wú)源輸入節(jié)點(diǎn)，因?yàn)榇四K時(shí)鐘信息獲得利用時(shí)鐘單元實(shí)現(xiàn)，所以使記錄開關(guān)動(dòng)作時(shí)間精準(zhǔn)到微妙，精準(zhǔn)記錄開關(guān)動(dòng)作順序，全面分析故障。遙信數(shù)據(jù)利用IEC104規(guī)約到信息平臺(tái)中上傳，裝置對(duì)于高速遙信信息利用本地GOOSE接口提供給外界，以此使遙信數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的時(shí)效性得到保證。遙信通道主要目的為實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)信號(hào)的檢測(cè)，在控制過(guò)程中具有重要的作用，所以此部分電路的主要特點(diǎn)就是可靠、精準(zhǔn)及快速。此裝置工作環(huán)境為強(qiáng)磁場(chǎng)及強(qiáng)電場(chǎng)，為了能夠避免在干擾設(shè)計(jì)過(guò)程中使用光電耦合電路隔離干擾信號(hào)。為了避免出現(xiàn)信號(hào)抖動(dòng)干擾，在輸出光耦過(guò)程中設(shè)置密特觸發(fā)器，以此提高信號(hào)可靠性及精準(zhǔn)性。在進(jìn)行抖動(dòng)處理過(guò)程中不僅通過(guò)硬件防止措施，還能夠利用設(shè)置程序消抖參數(shù)對(duì)遙信通道可靠性及安全性得到保證。

圖4 遙信擴(kuò)展模塊的結(jié)構(gòu)

2.6 抗干擾設(shè)計(jì)

因?yàn)榕渚W(wǎng)終端裝置都在戶外安裝，比如變電站、桿塔中，會(huì)受到自然環(huán)境的影響，尤其是抗高溫、抗低溫、抗強(qiáng)電磁干擾、防腐等都具有較為嚴(yán)格的要求，要求設(shè)備整體水平免維護(hù)。雖然使用集成電路器件損壞率較低，但是因?yàn)榕潆娊K端設(shè)備在強(qiáng)電磁環(huán)境中長(zhǎng)期工作。要想對(duì)抗干擾問(wèn)題進(jìn)行解決，就要將干擾源消除。在本裝置硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要針對(duì)以下幾點(diǎn)實(shí)現(xiàn)抗干擾：

（1）防雷接地保護(hù)。裝置金屬機(jī)殼要和大地連接，裝置地線的接地電阻要＜10Ω。RTU裝置內(nèi)部中的模塊的保護(hù)接地端子要獨(dú)立，并且和大地、外殼相互連接，裝置遙信輸入回路使用光電隔離，并且設(shè)置軟件、硬件濾波措施，從而避免輸入接點(diǎn)抖動(dòng)。

（2）布置的印制板能夠使電磁兼容水平得到有效提高，也是設(shè)計(jì)產(chǎn)品基礎(chǔ)。印刷版中的上元器件布線、布置、旁路、接地處理都能夠提高板子性能。在設(shè)計(jì)SDC通信板的過(guò)程中要注意：其一：此SDC通信板使用四層印刷電路板，表面使用貼裝工藝，使用良好散熱性的垂直安裝方式，板子安裝位置要避開機(jī)箱中的通風(fēng)孔。其二，設(shè)置合適板子，避免板子較大導(dǎo)致印刷線條較長(zhǎng)，提高阻抗，也使成本提高，使抗噪聲能力得到降低，還避免過(guò)小的時(shí)候元器件較為密集。各個(gè)線條和器件相互干擾，降低散熱效果。其三，為了使外部線路干擾降低，使用隔離用變壓器、光電隔離器和濾波器，使其在線端子地方放置。其三，在印制板中實(shí)現(xiàn)邏輯電路布置過(guò)程中，將高速器件布置出線端子，在遠(yuǎn)地方設(shè)置存儲(chǔ)器及低速電路，以此使公共阻抗耦合、竄擾及輻射得到降低。大電流電路及容易發(fā)生噪聲的器件要在邏輯電路較遠(yuǎn)的地方進(jìn)行設(shè)置。和其他邏輯電路相比，盡量靠近相關(guān)器件，從而使抗噪聲效果得到進(jìn)一步提高。

使用上述措施能夠有效提高通信板運(yùn)行的可靠性得到提高，并且提高抗干擾能力，抗抗電磁干擾水平滿足IEC255標(biāo)準(zhǔn)。使用環(huán)境條件及機(jī)械性能也滿足國(guó)家及電力行業(yè)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)表示完全能夠在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中使用。

3 DTU模塊化配置及自描述實(shí)現(xiàn)

以上述為基礎(chǔ)，創(chuàng)建變電站，之后創(chuàng)建一個(gè)電壓等級(jí)及多個(gè)間隔bay，將所有開閉所作為bay，每個(gè)bay創(chuàng)建一個(gè)IED，IED中具有設(shè)備監(jiān)測(cè)功能相應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)，比如開關(guān)邏輯節(jié)點(diǎn)CSW1、保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)及測(cè)量邏輯節(jié)點(diǎn)等。

通信服務(wù)模型使用C/S結(jié)構(gòu)，IED作為服務(wù)器，主站作為客戶端，利用映射進(jìn)行通信。服務(wù)器主要目的就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受、發(fā)送，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)請(qǐng)求的響應(yīng)，對(duì)客戶機(jī)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息?？蛻魴C(jī)主要目的就是提供用戶界面，信息模型中數(shù)據(jù)利用抽象通信服務(wù)接口及特殊通信服務(wù)映射實(shí)現(xiàn)服務(wù)提供，客戶端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)的調(diào)用。

每個(gè)IED具有一個(gè)服務(wù)器，服務(wù)器中具有邏輯節(jié)點(diǎn)、設(shè)備、數(shù)據(jù)屬性及數(shù)據(jù)對(duì)象等。使電氣單線圖描述邏輯節(jié)點(diǎn)及LED中邏輯節(jié)點(diǎn)相互連接，從而有效實(shí)現(xiàn)服務(wù)器發(fā)現(xiàn)和即插即用。

通信描述中包括網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)及訪問(wèn)點(diǎn)，通信SCL文檔的代碼詳見以下，表示此文檔中有一個(gè)NODE1子網(wǎng)，利用P1訪問(wèn)點(diǎn)和子網(wǎng)相互連接。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)配電自動(dòng)化的發(fā)展情況和特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了分析，并且設(shè)計(jì)了新型配電自動(dòng)化終端DTU模塊化系統(tǒng)，有效提高了配電自動(dòng)化終端設(shè)備通信能力。

和傳統(tǒng)配電方式對(duì)比，優(yōu)化的配電自動(dòng)化終端DTU模塊化系統(tǒng)能夠提高可靠性、通信速度及開放性、互聯(lián)網(wǎng)性，并且還支持多種傳輸介質(zhì)，降低成本。