孫健琦，倪威中，陳 敏

（1.浙江中新電力發(fā)展集團有限公司蕭山科技分公司，杭州 311200；2.國網(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)展集團有限公司蕭山科技分公司，杭州 311200）

在國民經(jīng)濟不斷發(fā)展的過程中，電力需求也越來越旺盛，并且對于電能質(zhì)量及供電可靠性需求也越來越高。配電自動化為配電網(wǎng)未來的發(fā)展方向，配電自動化系統(tǒng)可靠運行為配電網(wǎng)健康發(fā)展的基礎。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置，實現(xiàn)開關設備位置電壓、信號、有功功率、電流等數(shù)據(jù)的收集和計算，實現(xiàn)開關分合閘操作，并且實現(xiàn)饋線開關故障識別、非故障區(qū)間供電恢復及隔離。基于此，本文對配電自動化終端DTU模塊化系統(tǒng)優(yōu)化的設計進行分析。

1 配電自動化系統(tǒng)的構成和特點

1.1 配電自動化系統(tǒng)的特點

配電自動化系統(tǒng)主要包括主站系統(tǒng)、子站系統(tǒng)及自動化終端。自動化終端為配電自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集及監(jiān)控的基礎，實現(xiàn)配電網(wǎng)故障分析及處理和網(wǎng)絡重構及優(yōu)化。在目前配電網(wǎng)改造的過程中，同個配電線路及輸電區(qū)域具有多種配電終端，不同信號、廠家配電終端和相同配電網(wǎng)絡接入的時候，彼此之間的通信和設備自身運行情況都會出現(xiàn)問題，比如彼此通信問題。配電自動化系統(tǒng)的主要特點就是分工明確，具有較高的綜合性及配合緊密，以配電自動化承擔任務、使用條件及現(xiàn)場環(huán)境等需求，配電自動化終端的特點為：

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

（2）較高實時性。對于數(shù)據(jù)傳輸具有較高實時性，比如要優(yōu)先傳輸重要數(shù)據(jù)，保證第一時間傳送到主站中。

（3）較高安全性。對于設備及數(shù)據(jù)都具有較高的安全性需求，比如在失電的時候，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)操作方法較為簡單，并且調(diào)試及維護方式較為靈活，能夠有效實現(xiàn)就地、遠方操作、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)維護等維護及調(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化遠方終端技術為基礎研發(fā)的全新配單終端，繼承原本DAF終端技術特點，還添加了靈活組態(tài)配置功能、獨立保護插件功能、web發(fā)布功能，為線路保護、集成DTU、通信設備管理為一體的全新配電網(wǎng)自動化終端。配電終端DTU功能狀態(tài)軟件組態(tài)配置能夠靈活組合，其功能能夠實現(xiàn)10kv線路電壓、電流、設備狀態(tài)的有效檢測，還能夠實現(xiàn)遙信、遙測及遙控的功能，實時監(jiān)控配網(wǎng)自動化。其中通信管理功能的通信接口、方式及規(guī)模較多，不僅能夠實現(xiàn)終端內(nèi)部數(shù)據(jù)管理，還能夠實現(xiàn)配電室電能表、PLC及直流屏數(shù)據(jù)的轉發(fā)，通過標準的統(tǒng)一接口及主站系統(tǒng)通信對數(shù)據(jù)進行傳輸。配電終端的設計通過集散式進行，能夠實現(xiàn)硬件及軟件的組態(tài)配置，使DTU實時性需求得到滿足，并且還能夠對數(shù)據(jù)進行存儲和記錄，使測控、保護和通訊監(jiān)控的問題進行有效解決，實現(xiàn)站端設備種類的簡化。保護功能能夠對線路故障切除、就地檢測的功能。

2 配電自動化終端DTU模塊化系統(tǒng)的設計

2.1 電源選型

在DTU系統(tǒng)電源設計過程中，要充分考慮不間斷供電的情況，那么要實現(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充電電源構成，通過兩路實現(xiàn)輸出，分別為后級板卡供電及蓄電池充電、超級電容充電，另外一部分就是超級電容和蓄電池，此方面能夠使斷電之后的系統(tǒng)還能夠維持正常運行。另外，電網(wǎng)對于EMC的要求也非常高，尤其是浪涌，要能夠有效滿足4級要求。在蓄電池及電源都掉電時，要求系統(tǒng)的掉電保持時間超過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48V鉛酸電池進行充電。工作級在進行工作過程中的溫度為-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。遙測系統(tǒng)供電要求高隔離電源實現(xiàn)供電，充分考慮端口浪涌問題。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 電路設計

系統(tǒng)為電路主要包括外部RAM、存放系統(tǒng)及輔助存儲器，因為考慮外部RAM為IP2022自身的RAM有限，無法有效滿足實際需求。所以本文設計充分考慮成本、性能及可靠性需求，使用IS63L設計外部RAM。其具有八位帶有三態(tài)輸出透明閉鎖器件，也是針對驅動高電容及低阻抗負載設計的，尤其實現(xiàn)緩沖寄存器、雙向總線驅動器、I/O口及工作寄存器。硬件看門狗的復位電路較為簡單，IP2022引腳能夠實現(xiàn)調(diào)試及在線編程引腳，之后與外部元件相互配合，以此有效實現(xiàn)看門狗功能。

此系統(tǒng)要求具有靈活調(diào)試、維護目的，系統(tǒng)中的RS-232串口實現(xiàn)專用調(diào)試口，并且還具有強大功能的BDM接口，此接口能夠實現(xiàn)下載、調(diào)試程序。因為使用閃速存儲器，鞥能夠直接利用BDM口及RS232串口的調(diào)試實現(xiàn)在線編程，不需要編程器，其快速且方便。為了避免誤操作，還實現(xiàn)標識跳線的色劑，對運行狀態(tài)及編程調(diào)試進行區(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合中使用，還能夠在低功耗場合中使用。內(nèi)部電路主要包括緩沖輸出兩級構成，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)流的設計

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、無用口及下行設備口。定義某串口為透明口的時候，其他串口接收此串口的傳輸報文。定義某串口上行規(guī)約口的時候，其就成為遠動規(guī)約口。定義串口下行設備口的時候，此串口為輪詢此串口中的設備。定義某串口無用口的時候，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，以此使驅動能力得到提高，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)。因為RS232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實現(xiàn)各個板塊之間數(shù)據(jù)傳輸，串口4實現(xiàn)232傳輸。串口2與串口3使用232及485實現(xiàn)與其他設備的數(shù)據(jù)傳輸，假如其協(xié)議為透明傳輸，這個時候串口2與串口3會使串口1或者通過以太網(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)庫中實現(xiàn)協(xié)議轉換，之后傳輸數(shù)據(jù)。

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

在選擇串口波特率的過程中，因為現(xiàn)代程序實現(xiàn)無校驗方式，缺少9600b/s波特率。選擇波特率的過程較為復雜，比9600b/s波特率小的能夠利用配置工具實現(xiàn)串口波特率的修改，不改變其他。在比9600b/s波特率大的時候，根據(jù)以下類推實現(xiàn)設置：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 遙控擴展模塊

遙控擴展模塊主要實現(xiàn)外部開關的操作，實現(xiàn)控制指令的執(zhí)行，每個模塊都具有八路220V/5A繼電器常開輸出節(jié)點，圖3為遙控擴展模塊的結構。為了使遙控動作出口可靠性及安全性得到提高，配置全局繼電器電源，從而實現(xiàn)執(zhí)行繼電器、預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。出口控制動作執(zhí)行的時候，首先控制預遙控繼電器，繼電器動作正確之后，對執(zhí)行繼電器出口動作進行控制。遙控輸出為重合器、斷路器及繼電器重要裝置的控制，所以要對遙控輸出的精準性保證。針對遙控自身保護需求，如果輸出電流較大，實現(xiàn)自我保護，在設計的過程中設置電源板電路，使動作精準性得到提高。

圖3 遙控擴展模塊的結構

2.5 遙信擴展模塊

數(shù)字量模塊通過FPGA實現(xiàn)控制，圖4為遙信擴展模塊的結構。遙信擴展模塊的主要目的就是實現(xiàn)遙信信息的檢測，每個模塊中具備16路無源輸入節(jié)點，因為此模塊時鐘信息獲得利用時鐘單元實現(xiàn)，所以使記錄開關動作時間精準到微妙，精準記錄開關動作順序，全面分析故障。遙信數(shù)據(jù)利用IEC104規(guī)約到信息平臺中上傳，裝置對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)傳輸過程中的時效性得到保證。遙信通道主要目的為實現(xiàn)開關狀態(tài)信號的檢測，在控制過程中具有重要的作用，所以此部分電路的主要特點就是可靠、精準及快速。此裝置工作環(huán)境為強磁場及強電場，為了能夠避免在干擾設計過程中使用光電耦合電路隔離干擾信號。為了避免出現(xiàn)信號抖動干擾，在輸出光耦過程中設置密特觸發(fā)器，以此提高信號可靠性及精準性。在進行抖動處理過程中不僅通過硬件防止措施，還能夠利用設置程序消抖參數(shù)對遙信通道可靠性及安全性得到保證。

圖4 遙信擴展模塊的結構

2.6 抗干擾設計

因為配網(wǎng)終端裝置都在戶外安裝，比如變電站、桿塔中，會受到自然環(huán)境的影響，尤其是抗高溫、抗低溫、抗強電磁干擾、防腐等都具有較為嚴格的要求，要求設備整體水平免維護。雖然使用集成電路器件損壞率較低，但是因為配電終端設備在強電磁環(huán)境中長期工作。要想對抗干擾問題進行解決，就要將干擾源消除。在本裝置硬件設計過程中，主要針對以下幾點實現(xiàn)抗干擾：

（1）防雷接地保護。裝置金屬機殼要和大地連接，裝置地線的接地電阻要＜10Ω。RTU裝置內(nèi)部中的模塊的保護接地端子要獨立，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，并且設置軟件、硬件濾波措施，從而避免輸入接點抖動。

（2）布置的印制板能夠使電磁兼容水平得到有效提高，也是設計產(chǎn)品基礎。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。在設計SDC通信板的過程中要注意：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箱中的通風孔。其二，設置合適板子，避免板子較大導致印刷線條較長，提高阻抗，也使成本提高，使抗噪聲能力得到降低，還避免過小的時候元器件較為密集。各個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，在印制板中實現(xiàn)邏輯電路布置過程中，將高速器件布置出線端子，在遠地方設置存儲器及低速電路，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的地方進行設置。和其他邏輯電路相比，盡量靠近相關器件，從而使抗噪聲效果得到進一步提高。

使用上述措施能夠有效提高通信板運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標準。使用環(huán)境條件及機械性能也滿足國家及電力行業(yè)規(guī)定標準，試驗表示完全能夠在現(xiàn)場實際中使用。

3 DTU模塊化配置及自描述實現(xiàn)

以上述為基礎，創(chuàng)建變電站，之后創(chuàng)建一個電壓等級及多個間隔bay，將所有開閉所作為bay，每個bay創(chuàng)建一個IED，IED中具有設備監(jiān)測功能相應邏輯節(jié)點，比如開關邏輯節(jié)點CSW1、保護邏輯節(jié)點及測量邏輯節(jié)點等。

通信服務模型使用C/S結構，IED作為服務器，主站作為客戶端，利用映射進行通信。服務器主要目的就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受、發(fā)送，并且對數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)客戶機請求的響應，對客戶機傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。客戶機主要目的就是提供用戶界面，信息模型中數(shù)據(jù)利用抽象通信服務接口及特殊通信服務映射實現(xiàn)服務提供，客戶端實現(xiàn)數(shù)據(jù)服務的調(diào)用。

每個IED具有一個服務器，服務器中具有邏輯節(jié)點、設備、數(shù)據(jù)屬性及數(shù)據(jù)對象等。使電氣單線圖描述邏輯節(jié)點及LED中邏輯節(jié)點相互連接，從而有效實現(xiàn)服務器發(fā)現(xiàn)和即插即用。

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

4 結束語

本文根據(jù)配電自動化的發(fā)展情況和特點實現(xiàn)了分析，并且設計了新型配電自動化終端DTU模塊化系統(tǒng)，有效提高了配電自動化終端設備通信能力。

和傳統(tǒng)配電方式對比，優(yōu)化的配電自動化終端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。