新型配電自動(dòng)化遠方終端設計方案

1 引言
配電系統具有元件多。結構復雜的特點(diǎn)。據統計約80％的用戶(hù)停電事故均由配電系統障礙引起。因此配電系統供電可靠性對提高供電質(zhì)量非常重要，而配電自動(dòng)化系統的持續改造和升級是提高配電系統可靠性的重要手段。
傳統的遠方終端單元RTU(remote terminal unit)僅是一個(gè)完成“上傳數據，下達命令”任務(wù)的現場(chǎng)終端單元。在配電自動(dòng)化系統中，為提高故障切除的快速性、準確性，以及配電網(wǎng)供電可靠性，需使用微機化自動(dòng)裝置完成除RTU所具有的數據采集和控制功能外，還能實(shí)現不依賴(lài)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，又要獨立完成本地保護、控制功能，即現場(chǎng)自動(dòng)化單元FAU(field automation unit)。因此，提出一種無(wú)保護功能的現場(chǎng)自動(dòng)化單元，將這種裝置稱(chēng)為配電自動(dòng)化遠方終端DA-RTU(distribution automation-remote terminal unit)。

2 DA-RTU基本功能
由于被監控的設備不同，應用要求也不同，故對實(shí)際工程DA-RTU來(lái)說(shuō)，應根據具體的應用情況，選擇以下功能：
(1)常規的“四遙”功能DA-RTU首先應具有常規的調度自動(dòng)化RTU的遙測、遙信、遙控、遙調功能。除正常負荷狀態(tài)下的電壓、電流、有功、無(wú)功、視在功率、功率因數、有功電能、無(wú)功電能、頻率外，DA-RTU還要能夠測量零序、負序電壓及電流等反映系統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)化系統是一個(gè)綜合的配電網(wǎng)及設備運行管理系統，具有故障定位、自動(dòng)隔離故障及恢復供電以及其他故障管理功能。因此，DA-RTU能夠采集、處理故障數據及信息，這是區別于常規調度自動(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。
(3)電能質(zhì)量測量功能DA-RTU應能測量電能質(zhì)量。測量的內容包括：供電電壓中的諧波、電壓波動(dòng)、電壓閃變等參數。
(4)斷路器在線(xiàn)監視功能通過(guò)測量、記錄斷路器累計切斷故障電流的水平、動(dòng)作時(shí)間、斷路器動(dòng)作次數，監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。DA-RTU測量記錄的參數及數據有：累計切斷電流的水平、斷路器動(dòng)作時(shí)間以及斷路器動(dòng)作次數。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(shí)間，近似于斷路器合位輔助觸頭變位和線(xiàn)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)作次數是指分／合操作斷路器的次數。
(5)PLC功能 PLC應用于DA-RTU實(shí)現低周減載、備用電源自投、無(wú)功補償電容器自動(dòng)投切、線(xiàn)路自動(dòng)故障分段等本地自動(dòng)控制功能。通過(guò)編寫(xiě)響應的軟件程序設置RTU的模擬輸入量、開(kāi)關(guān)輸入量及開(kāi)關(guān)輸出量裝置，設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)系統故障區段檢測是由主站通過(guò)比較DA-RTU的故障檢測結果確定的，不要求它像保護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即可，要求時(shí)間相對較長(cháng)，裝置有充分的時(shí)間對采樣數據進(jìn)行分析判斷以可靠地檢測出故障。
DA-RTU使用保護電流互感器(TA)檢測短路故障，不采取同時(shí)接入保護與測量TA的方法，為同時(shí)滿(mǎn)足故障檢測和測量需求，采用飽和型TA。飽和型TA 的特性在負荷電流區間接近測量TA的特性，額定電流2倍以上時(shí)故障快速飽和。DA-RTU故障檢測整定值按照躲過(guò)最大負荷電流的整定原則，通過(guò)檢測電流互感器二次電流輸出是否出現飽和現象判斷線(xiàn)路出現故障，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，以及檢測故障電流的方向。
3．2 小電流系統單相接地故障檢測
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(shí)，暫態(tài)零序電流值遠大于穩態(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)電弧不穩定，間歇性地在電壓達到或接近峰值時(shí)故障點(diǎn)擊穿拉弧，而在電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)電弧熄滅。間隙性接地現象引起持續的暫態(tài)過(guò)程，影響基于穩態(tài)工頻或諧波分量的檢測方法的正確判斷，而應用故障暫態(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(mǎn)足基于暫態(tài)分量的單相接地故障檢測要求，DA-RTU設計了具有數百千赫茲的采樣頻率記錄及實(shí)時(shí)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(guò)比較在同一時(shí)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(xiàn)路及故障區段。

4 DA-RTU通信技術(shù)
以DA-RTU為現場(chǎng)單元構成的配電網(wǎng)系統中(見(jiàn)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的通信數據量比先前的調度自動(dòng)化系統RTU要小得多。DA-RTU能主動(dòng)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(shí)間(如0．5 h)訪(fǎng)問(wèn)各個(gè)DA-RTU，以確認DA-RTU是否工作正常。與傳統的調度自動(dòng)化系統相比，配電自動(dòng)化系統規模大，涉及到的現場(chǎng)自動(dòng)化裝置數量大、種類(lèi)多。有關(guān)制造商較多，為了做到不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的裝置、系統能夠方便地互聯(lián)，采用開(kāi)放的標準通信規約。目前，國際電工委員會(huì )制定的IEC 870-5及在北美地區較流行的DNP 3．0規約是兩個(gè)比較合適的配電自動(dòng)化系統的通信規約，支持RTU主動(dòng)報告方式，能及時(shí)報告故障信息。DNP 3．0是符合OSI系統模型的開(kāi)放式規約，與IEC 870-5基本兼容，并根據實(shí)際需要進(jìn)行修改，已被IEEE推薦為在RTU與主站間通信的規約。
4．2 局域通信技術(shù)
DA-RTU設計有局域網(wǎng)通信接口，可以是RS-232／485接口，也可以是CAN，LonWorks等現場(chǎng)總線(xiàn)接口。主要有3個(gè)用途：(1)通過(guò)該接口多個(gè)同類(lèi)型的DA-RTU裝置互聯(lián)，構成分布式系統；(2)DA-RTU作為數據集中器，例如用于柱上開(kāi)關(guān)或環(huán)網(wǎng)柜的 FTU可利用該接口與附近小區的其他電子智能裝置(如自動(dòng)抄表裝置)連接，實(shí)現數據轉發(fā)，以?xún)?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成的局域網(wǎng)，其上、下行數據由其他數據轉發(fā)器或具有數據轉發(fā)功能的自動(dòng)裝置轉發(fā)。

5 DA-RTU交流采樣技術(shù)
現在的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(zhuān)用的數字信號處理器(DSP)計算所需的各種模擬量，計算結果通過(guò)其接口送普通的主(host)CPU，主CPU仍像在常規RTU那樣實(shí)現通信、開(kāi)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，計算各種電氣量更靈活、方便；調試、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儲存在不揮發(fā)內存里，對 A／D轉換后的原始數據及校正參數進(jìn)行數字運算后，得到所需的電氣量，因此具有很高的測量精度。給RTU輸入標準信號，運行校正程序，輸入標準值，RTU 能夠自動(dòng)計算，生成誤差校正系數，寫(xiě)入不揮發(fā)內存中。

6 DA-RTU分布式設計技術(shù)
DA-RTU應用的場(chǎng)合從只監控一條線(xiàn)路的柱上開(kāi)關(guān)到幾條線(xiàn)路的環(huán)網(wǎng)柜，甚至到十幾條線(xiàn)路的開(kāi)閉所、變電站，對輸入輸出量的個(gè)數要求從幾個(gè)到上百個(gè)不等，傳統的集中式結構很難適應不同的應用要求。因此，DA-RTU應采用分布式設計技術(shù)。
分布式設計技術(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)配電設備的監控功能，DA-RTU設計有局域網(wǎng)接口。通過(guò)該局域網(wǎng)接口將多個(gè)DA-RTU連接在一起，完成更多配電設備的監控工作。DA-RTU具有數據轉發(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)，監視1~4條線(xiàn)路，所以一個(gè)DA-RTU的輸入輸出配置一般不超過(guò)監控4條線(xiàn)路所需的數量。

7 DA-RTU配置及維護
現代DA-RTU正朝著(zhù)一個(gè)開(kāi)放的電力自動(dòng)化裝置平臺方向發(fā)展，其硬件本身采用模塊化設計，可擴展性好，而軟件采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，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)內存的配置方式字所確定，用戶(hù)可通過(guò)修改配置方式字改變裝置的功能，減少了工程應用開(kāi)發(fā)工作量，提高了裝置性?xún)r(jià)比。
DA-RTU設有專(zhuān)用維護通信口，把該口與PC機相連，運行專(zhuān)用程序，用戶(hù)可在PC機上在線(xiàn)檢查、修改裝置的配置方式字，監視裝置的測量數據及運行狀態(tài)。有些。DA-RTU甚至可做到通過(guò)該口下載應用程序模塊，以更改有錯誤的程序，增加新的功能。通過(guò)DA-RTU的主站通信口，操作人員應該能夠在主站通過(guò)通信通道上裝或下載裝置的配置方式字。

8 結束語(yǔ)
隨著(zhù)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(dòng)化技術(shù)會(huì )不斷發(fā)展，逐步實(shí)現配電網(wǎng)的監控、饋線(xiàn)自動(dòng)化及就地保護、控制功能，配電網(wǎng)自動(dòng)化系統運行將更加穩定，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。