新型配電自動化遠(yuǎn)方終端設(shè)計方案

1 引言
配電系統(tǒng)具有元件多。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點。據(jù)統(tǒng)計約80％的用戶停電事故均由配電系統(tǒng)障礙引起。因此配電系統(tǒng)供電可靠性對提高供電質(zhì)量非常重要，而配電自動化系統(tǒng)的持續(xù)改造和升級是提高配電系統(tǒng)可靠性的重要手段。
傳統(tǒng)的遠(yuǎn)方終端單元RTU(remote terminal unit)僅是一個完成“上傳數(shù)據(jù)，下達(dá)命令”任務(wù)的現(xiàn)場終端單元。在配電自動化系統(tǒng)中，為提高故障切除的快速性、準(zhǔn)確性，以及配電網(wǎng)供電可靠性，需使用微機化自動裝置完成除RTU所具有的數(shù)據(jù)采集和控制功能外，還能實現(xiàn)不依賴于主站的本地自動控制功能，如低周減載、備用電源自投等。由于這些裝置既要完成配電自動化主站服務(wù)功能，又要獨立完成本地保護(hù)、控制功能，即現(xiàn)場自動化單元FAU(field automation unit)。因此，提出一種無保護(hù)功能的現(xiàn)場自動化單元，將這種裝置稱為配電自動化遠(yuǎn)方終端DA-RTU(distribution automation-remote terminal unit)。

2 DA-RTU基本功能
由于被監(jiān)控的設(shè)備不同，應(yīng)用要求也不同，故對實際工程DA-RTU來說，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用情況，選擇以下功能：
(1)常規(guī)的“四遙”功能DA-RTU首先應(yīng)具有常規(guī)的調(diào)度自動化RTU的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)功能。除正常負(fù)荷狀態(tài)下的電壓、電流、有功、無功、視在功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、頻率外，DA-RTU還要能夠測量零序、負(fù)序電壓及電流等反映系統(tǒng)不平衡程度的電氣量。
(2)配電網(wǎng)故障信息采集與處理功能配電自動化系統(tǒng)是一個綜合的配電網(wǎng)及設(shè)備運行管理系統(tǒng)，具有故障定位、自動隔離故障及恢復(fù)供電以及其他故障管理功能。因此，DA-RTU能夠采集、處理故障數(shù)據(jù)及信息，這是區(qū)別于常規(guī)調(diào)度自動化RTU的一個重要特點。DA-RTU采集的故障信息包括：故障電流、電壓值；故障發(fā)生時間及故障歷時；故障方向；小電流接地故障檢測。
(3)電能質(zhì)量測量功能DA-RTU應(yīng)能測量電能質(zhì)量。測量的內(nèi)容包括：供電電壓中的諧波、電壓波動、電壓閃變等參數(shù)。
(4)斷路器在線監(jiān)視功能通過測量、記錄斷路器累計切斷故障電流的水平、動作時間、斷路器動作次數(shù)，監(jiān)視斷路器觸頭受電腐蝕的程度以及斷路器的機械性能，為斷路器狀態(tài)檢修提供依據(jù)。DA-RTU測量記錄的參數(shù)及數(shù)據(jù)有：累計切斷電流的水平、斷路器動作時間以及斷路器動作次數(shù)。累計切斷電流的水平，即： ∑I2△t。其中，I為斷路器切斷故障電流有效值，△t為斷路器觸頭拉弧時間，近似于斷路器合位輔助觸頭變位和線路電流消失之間的時間差；斷路器動作時間一般是近似于跳閘繼電器動作和斷路器合位輔助觸頭變位完畢之間的時間差；斷路器動作次數(shù)是指分／合操作斷路器的次數(shù)。
(5)PLC功能 PLC應(yīng)用于DA-RTU實現(xiàn)低周減載、備用電源自投、無功補償電容器自動投切、線路自動故障分段等本地自動控制功能。通過編寫響應(yīng)的軟件程序設(shè)置RTU的模擬輸入量、開關(guān)輸入量及開關(guān)輸出量裝置，設(shè)定所完成的邏輯控制功能。

3 DA-RTU故障檢測功能
3．1 短路故障檢測
配電網(wǎng)系統(tǒng)故障區(qū)段檢測是由主站通過比較DA-RTU的故障檢測結(jié)果確定的，不要求它像保護(hù)繼電器那樣具有選擇性，以及輸出跳閘信號，只要能檢測出有故障電流出現(xiàn)即可，要求時間相對較長，裝置有充分的時間對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷以可靠地檢測出故障。
DA-RTU使用保護(hù)電流互感器(TA)檢測短路故障，不采取同時接入保護(hù)與測量TA的方法，為同時滿足故障檢測和測量需求，采用飽和型TA。飽和型TA 的特性在負(fù)荷電流區(qū)間接近測量TA的特性，額定電流2倍以上時故障快速飽和。DA-RTU故障檢測整定值按照躲過最大負(fù)荷電流的整定原則，通過檢測電流互感器二次電流輸出是否出現(xiàn)飽和現(xiàn)象判斷線路出現(xiàn)故障，利用每一周期TA飽和前這段時間的輸出，估算出一次工頻電流的幅值，以及檢測故障電流的方向。
3．2 小電流系統(tǒng)單相接地故障檢測
我國配電網(wǎng)采用小電流接地方式。由于接地電流小，單相接地故障檢測是一難題。單相接地故障時，暫態(tài)零序電流值遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)值，因此，利用暫態(tài)零序電流值檢測有較高的靈敏度。另一方面，相當(dāng)一部分單相接地故障是間歇式電弧接地故障，即故障點電弧不穩(wěn)定，間歇性地在電壓達(dá)到或接近峰值時故障點擊穿拉弧，而在電流過零點時電弧熄滅。間隙性接地現(xiàn)象引起持續(xù)的暫態(tài)過程，影響基于穩(wěn)態(tài)工頻或諧波分量的檢測方法的正確判斷，而應(yīng)用故障暫態(tài)高頻電流的方法可充分利用故障暫態(tài)電流信號的能量。為滿足基于暫態(tài)分量的單相接地故障檢測要求，DA-RTU設(shè)計了具有數(shù)百千赫茲的采樣頻率記錄及實時處理能力，經(jīng)計算可檢測到暫態(tài)零序電流有效值。主站通過比較在同一時刻不同的DA-RTU檢測到的暫態(tài)零序電流有效值，可確定故障線路及故障區(qū)段。

4 DA-RTU通信技術(shù)
以DA-RTU為現(xiàn)場單元構(gòu)成的配電網(wǎng)系統(tǒng)中(見圖1)通信技術(shù)非常重要。具體通信分為與主站的通信和局域通信兩部分。

4．1 與主站的通信技術(shù)
DA-RTU的通信數(shù)據(jù)量比先前的調(diào)度自動化系統(tǒng)RTU要小得多。DA-RTU能主動向控制主站報告遙信量變位、遙測量越限及故障信息等，主站間隔一定的時間(如0．5 h)訪問各個DA-RTU，以確認(rèn)DA-RTU是否工作正常。與傳統(tǒng)的調(diào)度自動化系統(tǒng)相比，配電自動化系統(tǒng)規(guī)模大，涉及到的現(xiàn)場自動化裝置數(shù)量大、種類多。有關(guān)制造商較多，為了做到不同廠商生產(chǎn)的裝置、系統(tǒng)能夠方便地互聯(lián)，采用開放的標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約。目前，國際電工委員會制定的IEC 870-5及在北美地區(qū)較流行的DNP 3．0規(guī)約是兩個比較合適的配電自動化系統(tǒng)的通信規(guī)約，支持RTU主動報告方式，能及時報告故障信息。DNP 3．0是符合OSI系統(tǒng)模型的開放式規(guī)約，與IEC 870-5基本兼容，并根據(jù)實際需要進(jìn)行修改，已被IEEE推薦為在RTU與主站間通信的規(guī)約。
4．2 局域通信技術(shù)
DA-RTU設(shè)計有局域網(wǎng)通信接口，可以是RS-232／485接口，也可以是CAN，LonWorks等現(xiàn)場總線接口。主要有3個用途：(1)通過該接口多個同類型的DA-RTU裝置互聯(lián)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)；(2)DA-RTU作為數(shù)據(jù)集中器，例如用于柱上開關(guān)或環(huán)網(wǎng)柜的 FTU可利用該接口與附近小區(qū)的其他電子智能裝置(如自動抄表裝置)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，以優(yōu)化通信通道配置，減少通信通道投資；(3)DA-RTU能夠接人由其他裝置構(gòu)成的局域網(wǎng)，其上、下行數(shù)據(jù)由其他數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器或具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能的自動裝置轉(zhuǎn)發(fā)。

5 DA-RTU交流采樣技術(shù)
現(xiàn)在的RTU一般使用交流采樣技術(shù)。即直接利用輸入的電壓、電流信號計算所需的各種電氣量，并進(jìn)行故障檢測，計算量很大，普通的CPU很難勝任。因此，一般采用專用的數(shù)字信號處理器(DSP)計算所需的各種模擬量，計算結(jié)果通過其接口送普通的主(host)CPU，主CPU仍像在常規(guī)RTU那樣實現(xiàn)通信、開關(guān)量的處理等功能。DA-RTU使用交流采樣技術(shù)的優(yōu)點是：省去直流變送器，降低造價，簡化裝置構(gòu)成，測量功能強，可測量故障電流等用直流采樣方法不易測量的參數(shù)，計算各種電氣量更靈活、方便；調(diào)試、校正方便，測量精度高。交流采樣RTU把交流輸入通道、傳感器等誤差校正系數(shù)儲存在不揮發(fā)內(nèi)存里，對 A／D轉(zhuǎn)換后的原始數(shù)據(jù)及校正參數(shù)進(jìn)行數(shù)字運算后，得到所需的電氣量，因此具有很高的測量精度。給RTU輸入標(biāo)準(zhǔn)信號，運行校正程序，輸入標(biāo)準(zhǔn)值，RTU 能夠自動計算，生成誤差校正系數(shù)，寫入不揮發(fā)內(nèi)存中。

6 DA-RTU分布式設(shè)計技術(shù)
DA-RTU應(yīng)用的場合從只監(jiān)控一條線路的柱上開關(guān)到幾條線路的環(huán)網(wǎng)柜，甚至到十幾條線路的開閉所、變電站，對輸入輸出量的個數(shù)要求從幾個到上百個不等，傳統(tǒng)的集中式結(jié)構(gòu)很難適應(yīng)不同的應(yīng)用要求。因此，DA-RTU應(yīng)采用分布式設(shè)計技術(shù)。
分布式設(shè)計技術(shù)實質(zhì)是一個DA-RTU，具有一定量輸入輸出配置。完成一個或多個配電設(shè)備的監(jiān)控功能，DA-RTU設(shè)計有局域網(wǎng)接口。通過該局域網(wǎng)接口將多個DA-RTU連接在一起，完成更多配電設(shè)備的監(jiān)控工作。DA-RTU具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，其中任何一個DA-RTU均可作為主RTU與主站通信。一個普通的DSP能夠處理的交流輸入量為十幾個，監(jiān)視1~4條線路，所以一個DA-RTU的輸入輸出配置一般不超過監(jiān)控4條線路所需的數(shù)量。

7 DA-RTU配置及維護(hù)
現(xiàn)代DA-RTU正朝著一個開放的電力自動化裝置平臺方向發(fā)展，其硬件本身采用模塊化設(shè)計，可擴(kuò)展性好，而軟件采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以很容易地植入新的功能模塊。RTU實際所完成的功能由裝置不揮發(fā)內(nèi)存的配置方式字所確定，用戶可通過修改配置方式字改變裝置的功能，減少了工程應(yīng)用開發(fā)工作量，提高了裝置性價比。
DA-RTU設(shè)有專用維護(hù)通信口，把該口與PC機相連，運行專用程序，用戶可在PC機上在線檢查、修改裝置的配置方式字，監(jiān)視裝置的測量數(shù)據(jù)及運行狀態(tài)。有些。DA-RTU甚至可做到通過該口下載應(yīng)用程序模塊，以更改有錯誤的程序，增加新的功能。通過DA-RTU的主站通信口，操作人員應(yīng)該能夠在主站通過通信通道上裝或下載裝置的配置方式字。

8 結(jié)束語
隨著計算機軟硬件技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，配電網(wǎng)自動化技術(shù)會不斷發(fā)展，逐步實現(xiàn)配電網(wǎng)的監(jiān)控、饋線自動化及就地保護(hù)、控制功能，配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)運行將更加穩(wěn)定，電網(wǎng)供電更加可靠，電網(wǎng)供電質(zhì)量將進(jìn)一步得到提高。