分布式饋線終端的開發(fā)與應用

李昕

摘 要：隨著智能配電網(wǎng)的快速發(fā)展對于終端設備集成化、智能化和綜合化的要求不斷提高，本項目所設計的分布式饋線終端提出了一種分布式軟件結(jié)構(gòu)與分置式硬件安裝結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了系統(tǒng)功能的高度集成，使設備組態(tài)更加靈活。該分布式饋線終端對于減少電力工程成本投入、節(jié)約現(xiàn)場空間資源、減少維護成本都有著顯著的效果，對于提高配電網(wǎng)自動化程度，提升供電可靠性及供電質(zhì)量有著重要作用。

關鍵詞：分布式饋線終端；組合式饋線遙控；分置式設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.223

1 項目背景

智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的關鍵環(huán)節(jié)之一，是整個電力系統(tǒng)與分散的用戶直接相連的部分。智能配電網(wǎng)系統(tǒng)是利用現(xiàn)代電子、通訊、計算機及網(wǎng)絡技術(shù)，將配電網(wǎng)在線數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)、配電網(wǎng)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和地理圖形進行信息集成，實現(xiàn)配電系統(tǒng)正常運行及事故情況下的監(jiān)測、保護、控制、用電和配電管理的智能化。

智能配電網(wǎng)由主站系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、自動化終端設備三大部分構(gòu)成，形成一個完整的信息傳輸與處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對配電網(wǎng)運行的遠程管理。FTU（饋線終端）作為智能配電網(wǎng)自動化終端設備的核心設備，實現(xiàn)了對一次設備進行監(jiān)視和控制，為配電自動化主站提供配電系統(tǒng)運行情況和各種參數(shù)。

目前，F(xiàn)TU（饋線終端）在配電網(wǎng)自動化中的應用存在以下問題：一、當現(xiàn)場實現(xiàn)升級改造時，需要更換整臺的終端設備，造成了電網(wǎng)建設的重復投資與資源浪費；二、CT線與控制線經(jīng)常出現(xiàn)被盜的情況，直接影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行；三、隨著配電網(wǎng)自動化程度的不斷提高，現(xiàn)場終端設備越來越多（如微機保護、光纖測溫、電能表計等），終端設備的增加意味著要需要增加相應通信管理設備（如通信管理機、工業(yè)以太網(wǎng)交換機），造成了現(xiàn)場安裝、調(diào)試與維護的工作量不斷增加。

針對上述問題，我們設計一款滿足10kV 配電線路自動化饋線終端技術(shù)規(guī)范要求的饋線終端并將其應用于配電自動化網(wǎng)絡，對于提高現(xiàn)場升級改造與故障處理的效率、實現(xiàn)多種配電終端接入、減少電網(wǎng)建設投入、節(jié)省站房設備空間資源、保證配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有著重要意義。

2 研究內(nèi)容及目標

（1）基于配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)遠方終端技術(shù)規(guī)范要求，實現(xiàn)終端設備的三遙、故障判斷及事項記錄等功能。

（2）軟件的分布式設計研究，實現(xiàn)軟件的分布式安裝與管理。

（3）硬件的分置式設計研究，實現(xiàn)硬件的分置式安裝。

（4）電力通信規(guī)約IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、ModBus研究，實現(xiàn)與終端設備、主站的通信功能。

（5）工業(yè)以太網(wǎng)交換機通信技術(shù)研究，實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)交換機功能。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設計及主要關鍵技術(shù)研究

該終端系統(tǒng)架構(gòu)由軟件和硬件組成，軟件上采用以數(shù)據(jù)總線為通信核心的分布式系統(tǒng)架構(gòu)，硬件上采用分置式安裝架構(gòu)。通過采用該系統(tǒng)架構(gòu)，使用本項目研發(fā)的分布式饋線終端具有靈活的可擴展性和適用性。

（1）分布式軟件系統(tǒng)架構(gòu)。軟件系統(tǒng)架構(gòu)采用快速SOA（面向服務架構(gòu)）思想，將各種應用功能服務化，內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)總線接口，各功能模塊可集中安裝于一臺分布式饋線終端也可實現(xiàn)多臺分布式饋線終端共享一套軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)資源共享、負載均衡。該設計架構(gòu)可獨立于實現(xiàn)的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言，保證了系統(tǒng)部署和功能擴展，做到模塊的即插即用，無縫集成。

實時數(shù)據(jù)服務模塊（提供實時數(shù)據(jù)處理）、數(shù)據(jù)輸出服務模塊（與主站通信）、人機交互模塊（與人機接口軟件進行通信）、數(shù)據(jù)輸入服務模塊（與終端設備如測控模塊、微機保護、直流屏等進行通信）之間的數(shù)據(jù)通信均通過總線完成。數(shù)據(jù)總線提供三種角色：服務使用者、服務提供者和業(yè)務注冊中心，遵循服務注冊->服務查找->服務使用的流程。

實時數(shù)據(jù)服務模塊（提供實時數(shù)據(jù)處理）、數(shù)據(jù)輸出服務模塊（與主站通信）、人機交互模塊（與人機接口軟件進行通信）、數(shù)據(jù)輸入服務模塊（與終端設備如測控模塊、微機保護、直流屏進行通信）安裝于同一臺分布式饋線終端。

（2）分置式硬件系統(tǒng)架構(gòu)。分置式硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由通信模塊、測控模塊及電源模塊三部分組成，各模塊可安裝于同箱體內(nèi)，也可將測控模塊集成于高壓開關柜內(nèi)。

通信模塊：實現(xiàn)了具備18個串口擴展能力和7個以太網(wǎng)口，采用內(nèi)嵌式通信管理機與光纖通信一體化設計，負責與測控模塊、現(xiàn)場終端設備及主站通信。

測控模塊：用于采集饋線電流、電壓、開關狀態(tài)；檢測相間故障、接地故障；執(zhí)行控制命令。

電源模塊：支持雙回路AC220V輸入、DC48V（DC24V）電池輸入，DC48V（DC24V）、DC12V 輸出，用于管理電池充放電，具有輸出短路、過熱、過壓、防止電池過放電等保護功能。

4 主要技術(shù)特點

本項研發(fā)的分布式饋線終端從軟件、硬件、結(jié)構(gòu)及性能上具有以下特點：

4.1 軟件特點

（1）以數(shù)據(jù)總線為通信核心，采用面向服務的架構(gòu)思想，支持軟件功能服務的分布式安裝與管理，實現(xiàn)服務模塊間的資源共享與負載均衡，使用系統(tǒng)部署和功能擴展更加靈活。

（2）采用一種基于設備模型的設計方式，將終端接入設備（如微機保護、測控裝置、光纖測溫、計量表等終端）模型化，相同類型的模型可實現(xiàn)繼承、接口重定義等，實現(xiàn)設備模型的復用，提高配置的靈活性，減少了二次開發(fā)成本與代碼冗余。

（3）提供跨平臺的管理軟件，管理軟件采用QT平臺開發(fā)，支持Windows、Linux平臺。

4.2 硬件特點

（1）測控模塊采用ARM32位M4處理器STM32F407IGT6為中央處理器，頻率高達168MHZ。采用兩片8通道16位同步采樣A/D芯片AD7606進行A/D轉(zhuǎn)換，該芯片為真正可支持雙極性模擬量采樣，具有模擬輸入鉗位保護功能，同時具有過采樣保護及數(shù)字濾波功能，保證采樣的可靠性及精確性。

（2）采用的電解電容、熱敏電阻、壓敏電阻、貼片電容、貼片電阻、晶振、網(wǎng)絡芯片、存儲芯片、光耦、繼電器、DC/DC隔離電源等關鍵器件均為高可靠性的工業(yè)級產(chǎn)品。

（3）具備靈活的系統(tǒng)部署和擴展性能，可擴展18 個串口，支持RS232、RS485 接口，配備7 個10/100Base-TX 以太網(wǎng)接口。

4.3 結(jié)構(gòu)特點

（1）測控模塊采用分置式設計，即可集中安裝于專用箱體內(nèi)（機箱或立柜），也可集成于高壓開關柜上。

（2）CT回路自動短路設計，CT接頭未與測控模塊完全接觸時CT接頭自動短路。當測量板出現(xiàn)故障或更換設備時，現(xiàn)場無需停電即可實現(xiàn)設備的維修與更換。endprint