新型配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端設(shè)計(jì)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(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)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(duì)提高供電質(zhì)量非常重要，而配電自動(dòng)化系統(tǒng)的持續(xù)改造和升級(jí)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(gè)完成“上傳數(shù)據(jù)，下達(dá)命令”任務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)終端單元。在配電自動(dòng)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(jī)化自動(dòng)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(shí)現(xiàn)不依賴于主站的本地自動(dòng)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(dòng)化主站服務(wù)功能，又要獨(dú)立完成本地保護(hù)、控制功能，即現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化單元FAU(field automation unit)。因此，提出一種無保護(hù)功能的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化單元，將這種裝置稱為配電自動(dòng)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(duì)實(shí)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(dòng)化RTU的遙測(cè)、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(cè)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(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)綜合的配電網(wǎng)及設(shè)備運(yùn)行管理系統(tǒng)，具有故障定位、自動(dòng)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(dòng)化RTU的一個(gè)重要特點(diǎn)。DA-RTU采集的故障信息包括：故障電流、電壓值；故障發(fā)生時(shí)間及故障歷時(shí)；故障方向；小電流接地故障檢測(cè)。
(3)電能質(zhì)量測(cè)量功能DA-RTU應(yīng)能測(cè)量電能質(zhì)量。測(cè)量的內(nèi)容包括：供電電壓中的諧波、電壓波動(dòng)、電壓閃變等參數(shù)。
(4)斷路器在線監(jiān)視功能通過測(cè)量、記錄斷路器累計(jì)切斷故障電流的水平、動(dòng)作時(shí)間、斷路器動(dòng)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(jī)械性能，為斷路器狀態(tài)檢修提供依據(jù)。DA-RTU測(cè)量記錄的參數(shù)及數(shù)據(jù)有：累計(jì)切斷電流的水平、斷路器動(dòng)作時(shí)間以及斷路器動(dòng)作次數(shù)。累計(jì)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(shí)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(shí)間差；斷路器動(dòng)作時(shí)間一般是近似于跳閘繼電器動(dòng)作和斷路器合位輔助觸頭變位完畢之間的時(shí)間差；斷路器動(dòng)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(shí)現(xiàn)低周減載、備用電源自投、無功補(bǔ)償電容器自動(dòng)投切、線路自動(dòng)故障分段等本地自動(dòng)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(cè)功能
3．1 短路故障檢測(cè)
配電網(wǎng)系統(tǒng)故障區(qū)段檢測(cè)是由主站通過比較DA-RTU的故障檢測(cè)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(hào)，只要能檢測(cè)出有故障電流出現(xiàn)即可，要求時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，裝置有充分的時(shí)間對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷以可靠地檢測(cè)出故障。
DA-RTU使用保護(hù)電流互感器(TA)檢測(cè)短路故障，不采取同時(shí)接入保護(hù)與測(cè)量TA的方法，為同時(shí)滿足故障檢測(cè)和測(cè)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(cè)量TA的特性，額定電流2倍以上時(shí)故障快速飽和。DA-RTU故障檢測(cè)整定值按照躲過最大負(fù)荷電流的整定原則，通過檢測(cè)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(shí)間的輸出，估算出一次工頻電流的幅值，以及檢測(cè)故障電流的方向。
3．2 小電流系統(tǒng)單相接地故障檢測(cè)
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(cè)是一難題。單相接地故障時(shí)，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(cè)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(diǎn)電弧不穩(wěn)定，間歇性地在電壓達(dá)到或接近峰值時(shí)故障點(diǎn)擊穿拉弧，而在電流過零點(diǎn)時(shí)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(cè)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(hào)的能量。為滿足基于暫態(tài)分量的單相接地故障檢測(cè)要求，DA-RTU設(shè)計(jì)了具有數(shù)百千赫茲的采樣頻率記錄及實(shí)時(shí)處理能力，經(jīng)計(jì)算可檢測(cè)到暫態(tài)零序電流有效值。主站通過比較在同一時(shí)刻不同的DA-RTU檢測(cè)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(chǎng)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(dòng)化系統(tǒng)RTU要小得多。DA-RTU能主動(dòng)向控制主站報(bào)告遙信量變位、遙測(cè)量越限及故障信息等，主站間隔一定的時(shí)間(如0．5 h)訪問各個(gè)DA-RTU，以確認(rèn)DA-RTU是否工作正常。與傳統(tǒng)的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)相比，配電自動(dòng)化系統(tǒng)規(guī)模大，涉及到的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)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(huì)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(gè)比較合適的配電自動(dòng)化系統(tǒng)的通信規(guī)約，支持RTU主動(dòng)報(bào)告方式，能及時(shí)報(bào)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(shí)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(jì)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(chǎng)總線接口。主要有3個(gè)用途：(1)通過該接口多個(gè)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(dòng)抄表裝置)連接，實(shí)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(dòng)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(hào)計(jì)算所需的各種電氣量，并進(jìn)行故障檢測(cè)，計(jì)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(hào)處理器(DSP)計(jì)算所需的各種模擬量，計(jì)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(shí)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(diǎn)是：省去直流變送器，降低造價(jià)，簡(jiǎn)化裝置構(gòu)成，測(cè)量功能強(qiáng)，可測(cè)量故障電流等用直流采樣方法不易測(cè)量的參數(shù)，計(jì)算各種電氣量更靈活、方便；調(diào)試、校正方便，測(cè)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(chǔ)存在不揮發(fā)內(nèi)存里，對(duì) 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(yùn)算后，得到所需的電氣量，因此具有很高的測(cè)量精度。給RTU輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，運(yùn)行校正程序，輸入標(biāo)準(zhǔn)值，RTU 能夠自動(dòng)計(jì)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(jì)技術(shù)
DA-RTU應(yīng)用的場(chǎng)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(duì)輸入輸出量的個(gè)數(shù)要求從幾個(gè)到上百個(gè)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(jì)技術(shù)。
分布式設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)質(zhì)是一個(gè)DA-RTU，具有一定量輸入輸出配置。完成一個(gè)或多個(gè)配電設(shè)備的監(jiān)控功能，DA-RTU設(shè)計(jì)有局域網(wǎng)接口。通過該局域網(wǎng)接口將多個(gè)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(gè)DA-RTU均可作為主RTU與主站通信。一個(gè)普通的DSP能夠處理的交流輸入量為十幾個(gè)，監(jiān)視1~4條線路，所以一個(gè)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(gè)開放的電力自動(dòng)化裝置平臺(tái)方向發(fā)展，其硬件本身采用模塊化設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展性好，而軟件采用實(shí)時(shí)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(shí)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(jià)比。
DA-RTU設(shè)有專用維護(hù)通信口，把該口與PC機(jī)相連，運(yùn)行專用程序，用戶可在PC機(jī)上在線檢查、修改裝置的配置方式字，監(jiān)視裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)及運(yùn)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(cuò)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(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)會(huì)不斷發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的監(jiān)控、饋線自動(dòng)化及就地保護(hù)、控制功能，配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)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。