用于FTU饋線終端遙控功能試驗的便攜式模擬斷路器的設計與實現

國網山東省電力公司萊州市供電公司 鹿百興 劉建偉 徐 凱 李林宇

國網山東省電力公司煙臺供電公司 廖烽然

1 引言

用于FTU 饋線終端遙控功能試驗的便攜式模擬斷路器體積小，重量輕，便于攜帶，可單人獨帶進行登桿作業，適合現場各種復雜地形使用。該裝置直接從被測試的饋線終端取電，無須配備發電機或蓄電池，參數靈活可調，遠程監測設備工作狀態，能夠模擬多種斷路器故障狀態并對設備故障進行消除。除了能實現FTU 饋線終端基本的遙控試驗功能外，還具備以太網通信、4G無線通信和北斗/GPS 定位功能，能實現裝置定位與對時，自動生成、歸類各種試驗歷史記錄，并將試驗數據上傳至計算機或服務器進行處理，便于數據的收集、統計和分析。

2 用于FTU 饋線終端遙控試驗的模擬斷路器應用背景

隨著配電自動化技術的廣泛應用，配電線路柱上開關數量有快速增加的趨勢。運行當中存在開關遠方遙控不成功的情況，影響故障自愈。同時需設備管理單位趕往現場進行操作，延長停電操作時間。

遙控不成功的主要原因為FTU 饋線終端遙控功能異常，因此對饋線終端遙控功能的檢測和驗證尤為重要。但在設備投入現場運行后，出于供電可靠性壓力，不能隨意對運行設備進行實際分閘操作。此時需將開關控制器拆回倉庫做試驗，試驗過后裝回現場，控制器重量較重不便拆卸，需至少三人配合才能完成，拆裝往返耗費時間很長，造成運維人員勞動強度大且工作效率低。

市場現有的模擬斷路器體積和重量較大，攜帶不便，需要220V 電源，現場試驗需要配備發電機等設備，山地、叢林、農田等車輛無法直接到達的工作地點使用不便，接線復雜，使用門檻高，不適用于現場工作。現有模擬斷路器功能固定，參數不可調，不能用于模擬誤動、拒動、延遲等各類斷路器機械故障。現有模擬斷路器不具備試驗數據記錄和通信功能，不便于后期故障數據的收集、統計和分析。

基于此，本文設計了一種用于FTU 饋線終端遙控功能試驗的便攜式模擬斷路器，實現在無須設備停電的方式下進行饋線終端遙控功能的試驗，降低了停電造成的損失。攜帶方便，無須外部供電，提升了運維工作效率。采用單片機作為控制器，內部參數自定義，實現模擬斷路器動作參數的靈活調整，同時可模擬各類斷路器故障。具備試驗數據自動記錄和通信功能，提高了試驗數據收集、統計和分析的效率。

3 用于FTU 饋線終端遙控試驗的模擬斷路器結構組成及工作原理

3.1 該模擬斷路器結構組成

模擬斷路器整體結構如圖1所示。包括以太網接口、輸入信號端子排、輸出信號端子排、合閘按鍵復合指示燈、分閘按鍵復合指示燈、儲能按鍵復合指示燈以及電源切換開關等組成[1]。該斷路器類似于遙控器，質量輕便、體積小巧、便于攜帶。

圖1 模擬斷路器整體結構

模擬斷路器機殼內剖如圖2所示[2]。主要包括1—繼電器輸入模塊、2—繼電器輸出模塊、3—開關控制器航空插頭、4—遙信電源、5—儲能電源、6—24V 電源切換開關、7—裝置前面板、8—核心控制單元、9—手動操作按鍵、10—狀態指示燈、11—裝置后面板、12—計算機、13—以太網調試、14—升級接口、15—協處理器、16—外部供電、17—電源管理模塊、18—時鐘模塊、19—MQTT 服務器及用戶手機、20—4G 通信模塊、21—5V 電源切換開關（二）、22—5V 電源切換開關（一）、23—降壓電源模塊等。

圖2 模擬斷路器機殼內剖

3.2 工作原理

進行遙控功能試驗的流程如下，開關控制器對裝置發出分閘、合閘及儲能信號，輸入模塊對應繼電器動作，核心控制單元檢測到輸入繼電器動作信號滿足設定時間及判定邏輯，判定為接收到有效的控制信號。接著核心控制單元向輸出模塊發出信號，控制繼電器吸合，對應繼電器吸合，通過端子排及航空電纜向開關控制器反饋分閘位、合閘位和儲能位信號。

通過操作按鍵進行手動操作時，信號檢測流程為：按鍵分、合、儲能鍵后，直接向核心控制單元輸入信號，信號處理及輸出過程與通過控制器自動操作一致。模擬斷路器前面板有端子排與饋線終端的航空電纜連接[3]。后面板有紅綠黃三個帶指示燈的按鍵，用于進行手動操作和狀態指示，另有1個網口用于網絡通信，內部有4G 通信模塊用于無線通信。信號輸入輸出的過程中，核心控制單元通過4G模塊和以太網接口對外進行通信，將數據記錄通過以太網發送至計算機，可通過計算機查看實時運行信息和歷史記錄，或通過4G 通信模塊將信息上傳至服務器。同時接收控制信號對模擬斷路器內部參數進行調整。

4 該模擬斷路器試驗數據匹配算法流程

模擬斷路器試驗數據匹配算法流程如圖3所示，其內部預存現有所有設備臺賬信息，包含設備名稱，定位坐標，歷史記錄等信息。開機工作時，每完成一次現場測試后，連續獲取當前定位坐標，當獲取到連續穩定的位置坐標時，開始進入設備匹配過程，抽取臺賬內第一臺設備信息，通過測試地坐標與臺賬設備坐標對比，計算出兩點的距離。現場實際斷路器安裝于不同桿塔，相互距離基本在40m 以上，而北斗/GPS 定位精度在2.5m 以下[4]。因此設定條件為兩點距離小于10m 時為匹配成功，自動將該條試驗記錄歸類于此設備。若匹配不成功，則提取臺賬內下一臺設備信息，重復計算匹配過程，直到匹配成功為止。若在臺賬中未找到能匹配的設備，則在臺賬中創建一條未命名設備。最后將試驗記錄進行本地存儲和遠程上傳本文所述算法，實現了被試驗饋線終端在現有臺賬中的自動匹配，減少數據收集和統計分析工作量。

圖3 模擬斷路器試驗數據匹配算法流程

5 該模擬斷路器使用優勢

該模擬斷路器包括核心控制單元，輸入、輸出繼電器，輸入輸出端子排，操作按鍵及狀態指示燈，電源切換開關及電源模塊并帶有定位通信功能和以太網接口，一般用于FTU 饋線終端遙控功能試驗，主要優點如下[5]。

一是該模擬斷路器體積小，重量輕，僅有手掌大小，攜帶方便，可以登上電力桿塔手持使用。

二是該模擬斷路器核心控制單元使用單片機作為控制芯片，內部的分、合閘和儲能時長合開關狀態變化延時可通過內部程序自定義，也可模擬真實斷路器無法分閘、合閘、儲能的故障狀態。

三是該模擬斷路器操作面板上有合閘、分閘、儲能三個操作按鍵。按下合閘、分閘、儲能按鍵后，內部電路直接通過繼電器向饋線終端反饋合閘位、分閘位和儲能位信號，從而模擬真實斷路器的手動操作。

四是該模擬斷路器信號輸入、輸出均使用繼電器進行驅動，在傳輸信號的同時實現模擬斷路器和饋線終端的電隔離，避免現場設備對使用人員造成傷害。

五是該模擬斷路器無須接入220V 市電，也無須外接發電機、蓄電池等外部電源，直接從端子排取得24V 直流電并通過降壓穩壓模塊轉換為5V 電源，為核心控制單元、繼電器、驅動電路、定位及通信模塊提供電源。并且針對不同廠家型號的饋線終端信號輸出方式不同，可以通過電源切換開關自主選擇遙信電源或者儲能電源給模擬斷路器供電。

六是該模擬斷路器用于現場測試時，通過核心控制單元內采用的智能匹配與記錄算法，將試驗現場所在位置的北斗/GPS 定位坐標，與核心控制單元內部預先存儲的饋線終端臺賬信息進行智能匹配，準確識別出被檢測饋線終端的身份信息，并通過北斗/GPS 授時獲取時間，生成帶時標的事件記錄，自動將本次測試結果歸并入該終端的歷史試驗記錄中。

七是該模擬斷路器通過4G 通信模塊接收無線信號或通過以太網接口接收網絡信號，將操作人員發來的參數寫入核心控制單元，并對發來的指令作出相應的合閘、分閘、儲能操作，實現遠程參數調整和遠程控制。

該便攜式模擬斷路器接收到饋線終端發出的合閘、分閘及儲能信號后會判斷輸入信號是否滿足設定時間及判定邏輯，若判定為接收到有效的控制信號，經延時后控制繼電器動作，通過端子排向饋線終端反饋合閘位、分閘位和儲能位信號，并通過所述模擬斷路器面板上的指示燈進行合閘位、分閘位和儲能位的指示，具備FTU 饋線終端遙控試驗所需的全部功能，可以完全模擬斷路器的機械結構和邏輯功能。

6 結語

本文設計了一種用于FTU 饋線終端遙控功能試驗的便攜式模擬斷路器，采用單片機作為控制器，可以在線路不停電的情況下，進行饋線終端的現場遙控功能試驗，實現模擬斷路器動作參數的靈活調整的同時還可模擬各類斷路器故障。解決現有模擬斷路器攜帶不便，動作特性不可調，不具備數據記錄及通信功能等問題。此外，該裝置攜帶方便，無須外部供電，具備試驗數據自動記錄和通信功能，提高了試驗數據收集、統計和分析的效率，大幅度改善了作業質量。