變電站智能化箱式探索

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箱式變電站(簡稱箱變)自動化是城市配電網(wǎng)改造的重要環(huán)節(jié)，本文從具體的產(chǎn)品出發(fā)，以北京科銳公司生產(chǎn)的RDCU-3A為例，介紹適用于箱變自動化的配網(wǎng)終端系統(tǒng)、功能特點及設(shè)計原理。

一、引言

箱式變電站(簡稱箱變)適用于住宅小區(qū)、城市公用變、繁華鬧市、施工電源等。其自問世以來，發(fā)展極為迅速，在國外已普遍使用，在國內(nèi)已興起，在歐洲發(fā)達國家箱變已占配電變壓器的70%，美國已占90%。在國內(nèi)，城市現(xiàn)代化建設(shè)正在飛速發(fā)展，城市配電網(wǎng)不斷更新改造，箱變得到了廣泛的應(yīng)用。同時，隨著國內(nèi)配網(wǎng)自動化技術(shù)的日益成熟以及智能小區(qū)不斷崛起，電力用戶對供電質(zhì)量提出了更高的要求，以前的站前操作、監(jiān)測、讀表等傳統(tǒng)功能已不能滿足現(xiàn)代電力設(shè)備管理和運行管理的要求，廣大用電部門迫切需要箱式變電站能滿足當(dāng)今市場的需求，智能型箱式變電站應(yīng)勢而生。

作為箱式變電站、開閉所RTU等電力系統(tǒng)裝置，要做到無人值守，首先要做到四遙(遙測，遙信，遙控，遙調(diào))，而在智能化的處理上，主要是內(nèi)部某個功能模塊依據(jù)各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過特定算法完成某種操作的判斷和執(zhí)行。

二、箱變自動化功能需求

1、具有四遙和在線統(tǒng)計功能

柜箱變自動化設(shè)備應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對箱變進、出線及變壓器的電流、電壓、有功、無功、有功電度、無功電度、頻率、相位等參數(shù)的檢測；對配電變壓器的運行情況進行統(tǒng)計，如電壓合格率、各個電參數(shù)出現(xiàn)的峰值及時間；實現(xiàn)對開關(guān)分合位、有載調(diào)壓檔位等狀態(tài)量的監(jiān)視；實現(xiàn)對開關(guān)的遠方控制；實現(xiàn)對變壓器的油溫檢測及遠方遙調(diào)。

2、具有FA功能

對于接在環(huán)網(wǎng)中的箱變，自動化設(shè)備應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)進出線的故障識別、故障隔離及非故障區(qū)自動送電功能。能夠靈活配置三段式電流保護、一次重合閘及多次重合閘等保護功能，能夠捕捉過流脈沖，能夠?qū)崿F(xiàn)電流型或電壓型分段器功能。能夠通過其他設(shè)備(如手機、筆記本、掌抄器)或裝置操作界面靈活配置各種保護功能和查看實時數(shù)據(jù)。

3、具有微功耗特點

自動化設(shè)備應(yīng)具有微功耗設(shè)計，這樣可以減少對后備電源的要求，甚至取消后備電源，減少日常工作的維護量。

4、具有備自投功能

箱變自動化設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)雙電或多電源進線的備自投功能，可靠保證供電質(zhì)量。備自投功能應(yīng)根據(jù)接線方式可以進行多種備投方案的選擇，以實現(xiàn)只要進線有電，則保證負(fù)荷有電為原則。

5、具有故障定位和及時報告功能

能夠根據(jù)現(xiàn)場故障電流的流經(jīng)通道，判斷故障點，并通過手機短消息等渠道將故障信息發(fā)送給相關(guān)運行人員，便于運行人員及時趕到故障現(xiàn)場，對故障進行處理，減少了運行人員的尋線工作量，提高了工作效率。

6、具有無功補償功能

在電力持續(xù)緊缺，節(jié)能要求日益迫切的今天，無功補償功能具有非常現(xiàn)實的意義。箱變自動化設(shè)備應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器出線的無功補償功能，控制安裝在配變低壓側(cè)的電容器進行動態(tài)無功補償，減少通過配電變壓器的無功電流，可以改善低壓電壓質(zhì)量和降低功率損耗。

7、具有箱變安全防護功能(可選)

箱變自動化設(shè)備應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、濕度、煙霧、盜警等信號的檢測，實現(xiàn)就地報警及遠方傳送，根據(jù)檢測到的信息，自動啟動溫控、濕控、滅火等功能。實現(xiàn)防盜、防火、防凝露等功能，確保箱變的安全運行，提高箱變的使用壽命

8、具有視頻監(jiān)控功能(可選)

箱變實時視頻信息通過攝像頭接入到自動化設(shè)備并遠傳到調(diào)度中心，實現(xiàn)對箱變實時的圖像監(jiān)控，從而實現(xiàn)對箱變的實時運行的監(jiān)視。

三、智能箱變自動控制功能介紹

本節(jié)介紹根據(jù)箱變的不同結(jié)構(gòu)和不同的開關(guān)類型，實現(xiàn)故障的智能處理和其他自動化功能的方案。智能箱變系統(tǒng)采用智能化的配電終端控制器，不僅實現(xiàn)了傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)中的遠方“四遙”功能，并且由分布式智能配電終端實現(xiàn)了配電網(wǎng)故障自動檢測、自動清除、自動隔離和自動轉(zhuǎn)移供電等FA功能。

該系統(tǒng)采用分布式配電網(wǎng)保護和環(huán)網(wǎng)控制方案，由配電終端智能化地實現(xiàn)配電網(wǎng)保護和實時故障處理功能，故障處理過程不依賴主站，其故障處理速度也提高了數(shù)倍。

智能箱變系統(tǒng)的主要自動控制功能包括：

1、負(fù)荷開關(guān)的故障自動檢測、指示和記錄功能

當(dāng)箱變的進、出線采用負(fù)荷開關(guān)時，控制器可以自動檢測開關(guān)的電流、電壓狀況，記錄故障電流脈沖并做出指示和告警。

2、斷路器的繼電保護和重合閘功能

對于箱變中的斷路器開關(guān)，控制器配置有繼電保護和重合閘功能(可投退)，并可通過內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)箱變內(nèi)斷路器之間的保護快速配合，以及箱變之間的網(wǎng)絡(luò)式保護配合，使距故障點最近的開關(guān)快速跳閘。

3、在終端用戶時的備自投功能

多數(shù)時候，箱變是為終端用戶供電，為提高供電的可靠性，采用雙電源備用的方式。智能箱變控制器具有電源備自投功能，當(dāng)一側(cè)電源失電或發(fā)生故障時，自動隔離故障并投入備用電源。

假設(shè)S1常開，為備用電源一側(cè)，S2側(cè)外部故障或電源失壓時，S2會自動斷開，S1自動合閘，投入備用電源。

4、在SCADA系統(tǒng)中的遠方四遙功能、由主站實現(xiàn)的配電自動化功能

除以上自動化功能外，智能箱變系統(tǒng)的監(jiān)控裝置完全按照FTU功能設(shè)計，因此可以完成SCADA系統(tǒng)中的四遙功能，即遙測、遙信、遙控、遙調(diào)(遠方調(diào)整參數(shù))。控制終端將本地測量數(shù)據(jù)、開關(guān)狀態(tài)、故障信息等數(shù)據(jù)通過GSM或其他通信方式發(fā)送給主站，主站將綜合分析和監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，并在線路發(fā)生故障時，綜合整個系統(tǒng)狀況，可以給出更加精準(zhǔn)的故障處理方案。智能箱變的網(wǎng)絡(luò)自動重構(gòu)功能可以由用戶選擇投入或退出，或僅作為主站的故障處理方案的后備。

四、智能箱變的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能箱變的控制系統(tǒng)利用現(xiàn)代高性能微處理器技術(shù)、交流采樣技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)等，對現(xiàn)場的電流、電壓和開關(guān)狀態(tài)進行采集、計算、判斷，執(zhí)行相應(yīng)的自動控制功能，同時，通過適當(dāng)通信通道，可與上級控制中心通信。系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮哪K化結(jié)構(gòu)設(shè)計，每個開關(guān)、裝置或功能對應(yīng)配置一個監(jiān)控模塊，模塊的功能可以根據(jù)用戶的不同需求進行靈活配置和擴展，從而減小用戶的初期投資和定貨風(fēng)險。

在該系統(tǒng)中，通信管理單元屬于系統(tǒng)核心處理部分，它通過內(nèi)部通信總線收集每個開關(guān)控制器/控制模塊采集到的電流、電壓、開關(guān)狀態(tài)及過流信息等，對這些信息進行分析處理，將處理結(jié)果通過遠動口(101協(xié)議或104協(xié)議)送給上級主站，上級主站下發(fā)的遙控命令經(jīng)通信管理機處理后下發(fā)給相應(yīng)開關(guān)控制器/控制模塊，由這些模塊控制相應(yīng)的開關(guān)動作，從而完成SCADA功能。同時，通信管理單元可以與遠方保護子站通過高速信息交換口進行通信，交換系統(tǒng)故障信息，判斷故障類型和故障位置，從而實現(xiàn)故障的快速清除和隔離。總的來看，該控制系統(tǒng)具有以下特點：

1、模塊化結(jié)構(gòu)

每個控制模塊對應(yīng)于一個開關(guān)、設(shè)備或功能對象，不同的對象可以配置不同的功能模塊，但采用的是相同的硬件平臺，便于維護。所有模塊通過系統(tǒng)內(nèi)部通信總線交換信息，簡化了系統(tǒng)的構(gòu)成邏輯，便于系統(tǒng)將來的升級和擴展，減小單元間的相互影響。

2、可以根據(jù)應(yīng)用場合自動配置功能

根據(jù)開關(guān)類型和進出線的不同，可以通過軟件配置不同的功能。

3、靈活的電源和通信系統(tǒng)

系統(tǒng)可以利用直流屏供電，也可以直接利用現(xiàn)場交流供電，并可自配后備電源。系統(tǒng)提供多種內(nèi)部和外部通信方式。內(nèi)部通信總線主要采用RS-485或CAN總線，可以根據(jù)模塊的多少、類型及系統(tǒng)對數(shù)據(jù)實時性要求的高低，確定內(nèi)部通信總線的個數(shù)，通常選用2組通信總線，特殊要求時可以選用2組以上內(nèi)部通信總線。外部通信提供多種通信接口方式(RS232和以太網(wǎng)接口)，支持多種通信協(xié)議(IEC870-5-101和104等)和多種通信媒介(光纖、GSM、有線等)。

4、適合各種使用環(huán)境

系統(tǒng)可以在戶內(nèi)使用，也可以全戶外運行。與全戶外箱變配套時，采用箱式、插拔式模塊化結(jié)構(gòu)。箱體采取了防雨、防潮等各種措施，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。在戶內(nèi)使用時，可以將各單元模塊分散、就地安裝在不同的開關(guān)柜上，通過通信總線互聯(lián)。也可以集中組屏，或直接采用柜式的插拔式結(jié)構(gòu)。

5、智能箱變控制器的具體實現(xiàn)

多功能測控模塊主要負(fù)責(zé)采集所管轄的電力對象運行狀態(tài)的模擬量和狀態(tài)量，監(jiān)視并向調(diào)度中心傳送這些模擬量和狀態(tài)量，執(zhí)行調(diào)度中心下發(fā)的控制和調(diào)度命令。

硬件上采用現(xiàn)場總線技術(shù)，支持模塊熱插拔。采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計，由各自獨立的CPU處理模塊組成，系統(tǒng)內(nèi)模塊間使用CAN網(wǎng)通信，摒棄傳統(tǒng)的并行總線結(jié)構(gòu)，從根本上解決了插件接觸不良的問題。所有板與板之間進行了完全的電氣隔離，沒有任何電的聯(lián)系，從而使得任何插件故障時保證不會影響其他插件的正常運行，在維護故障插件時，可以任意帶電插拔插件而無須關(guān)掉整機電源，這樣就克服了由于開關(guān)整機電源所造成的一些錯誤信息。

軟件方面主控模塊采用了嵌入式實時操作系統(tǒng)，同時在此操作系統(tǒng)上構(gòu)建了針對電力系統(tǒng)裝置的二次平臺，所有的應(yīng)用程序?qū)⒒谠摱纹脚_上開發(fā)，使得項目開發(fā)人員可以不需要了解較深的軟硬件知識，便可以開發(fā)出專業(yè)的功能軟件，嵌入到該系統(tǒng)中，從而使得該系統(tǒng)的可靠性和快速開發(fā)性能得到很大的提高。

(1)模塊的硬件設(shè)計

主控模塊采用了高性能的32位單片機模塊，1M的SRAM，512KFLASH，并能提供4個RS422/485/232接口，1個以太網(wǎng)接口，1個CAN口，支持在線直接更新FLASH，主控模塊主要完成和調(diào)度通訊，以及和下面智能儀表的通訊，存儲所有的現(xiàn)場數(shù)據(jù)供各個智能模塊使用。

智能模塊則根據(jù)功能的不同的分別采用了INTEL的80C196KC和TI的DSPTMS320F206。每個智能模塊主要完成遙信，遙測數(shù)據(jù)的采集，遙控的執(zhí)行，無功補償電容的投切，同樣適用于保護，故障診斷等多種功能的運行。

主控模塊以及各個智能模塊的通訊采用了現(xiàn)場總線CANBUS，該現(xiàn)場總線的主要特點是：

CAN總線屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設(shè)計，CAN總線越來越受到人們的重視。全球很多大的汽車公司都采用了CAN總線來實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。同時，由于CAN總線本身的特點，其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。

CAN總線采用了CSMA/CD的載波偵聽多路訪問沖突檢測機制，同時CAN本身提供了循環(huán)冗余校驗，加之CAN協(xié)議本身使得每個報文幀非常短小，又有出錯重發(fā)機制，使得CAN具有非常好的健壯性。比較適合于電力系統(tǒng)這種需要高可靠性和數(shù)據(jù)量小的場合。另外CAN具有非常優(yōu)秀的廣播和組播機制，對于數(shù)據(jù)的共享帶來很大的便利。甚至當(dāng)主控單元失控的時候依然可以保證功能模塊得到正常的執(zhí)行。

由于以現(xiàn)場總線方式通訊，所以各個模塊可能實現(xiàn)熱插拔，當(dāng)某個智能模塊需要維修的時候，可以直接拔下來而不會影響其他模塊的正常運行。由于采用雙絞線的介質(zhì)，使得系統(tǒng)的電磁兼容性大大增強。同時由于模塊之間完全通過CAN來完成所有的聯(lián)系，每個智能模塊的獨立性增強，可能很容易的完成單個模塊的升級。另外可以很容易的掛接新的功能模塊。只要每個功能模塊遵守CAN網(wǎng)通訊規(guī)約即可。

(2)模塊的軟件設(shè)計

①主控模塊的軟件設(shè)計

裝置的軟件設(shè)計中，主控單元采用了嵌入式實時操作系統(tǒng)，其他智能模塊根據(jù)實際情況決定是否使用操作系統(tǒng)，因為智能模塊往往功能單一，無需使用操作系統(tǒng)，同時可以節(jié)約很多資源。本文介紹的軟件設(shè)計主要針對于最為復(fù)雜的主控單元的軟件設(shè)計。

裝置中采用原碼公開的uC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)是全球十大嵌入式實時操作系統(tǒng)之一。該操作系統(tǒng)需要大約20KB的FLASH和1.5KB的RAM。對系統(tǒng)資源需求較少。和正常的商業(yè)實時操作系統(tǒng)一樣，該系統(tǒng)采用了搶占式的調(diào)度方式。根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級的不同來決定哪個任務(wù)可以優(yōu)先得到執(zhí)行權(quán)。相比于以前的循環(huán)過程控制方式，系統(tǒng)的實時性得到了很大的提高。該操作系統(tǒng)是多任務(wù)操作系統(tǒng)，支持多線程的調(diào)度方式。在我們的設(shè)計中，可以讓每個功能的執(zhí)行為一個單獨的線程加以執(zhí)行。由于各個線程都是獨立執(zhí)行的，這使得項目的組織規(guī)劃比較容易，項目組成員的目標(biāo)明確，而且可以不受相互進度的干擾。

uC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)有一個很重要的特點就是它是開放源碼的，同時是不收取版權(quán)費的，使得這款操作系統(tǒng)的性價比比較高。

②力裝置的二次平臺

由于電力系統(tǒng)裝置的很多共性，我們開發(fā)了電力裝置的二次平臺，使得整個系統(tǒng)更加富有層次感，程序更加模塊化，同時使得編程更加簡單，錯誤更容易排查，開發(fā)人員可以更加專注于自身專業(yè)軟件的開發(fā)。該二次平臺由內(nèi)存實時數(shù)據(jù)庫和通信協(xié)議函數(shù)庫構(gòu)成：

內(nèi)存實時數(shù)據(jù)庫

我們設(shè)計的內(nèi)存實時數(shù)據(jù)庫就是數(shù)據(jù)以一個規(guī)定的方式常駐在內(nèi)存中并能實時更新的內(nèi)存區(qū)。同時它能夠?qū)?shù)據(jù)根據(jù)它的重要性進行分類，并能根據(jù)內(nèi)存實時數(shù)據(jù)庫的配置文件及時通知需要這些數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序。這樣應(yīng)用程序可以無需去不停的查詢它所需要的數(shù)據(jù)，而只需要等待內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的通知即可。使得系統(tǒng)資源的利用率得到大大的提高。內(nèi)存實時數(shù)據(jù)庫由一個具有特殊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的緩沖區(qū)，一個配置文件，和數(shù)據(jù)接口三塊構(gòu)成，其中緩沖區(qū)的大小是根據(jù)配置文件來確定的。配置文件中則決定該內(nèi)存數(shù)據(jù)庫應(yīng)該包含哪些數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的優(yōu)先級別。從而使得該內(nèi)存實時數(shù)據(jù)庫具有相當(dāng)?shù)闹鲃有裕箤崟r性能得到更好的體現(xiàn)。由于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中緩沖區(qū)的開辟是根據(jù)配置文件得出的，不需要在使用是時進行內(nèi)存分配，既可以使整個系統(tǒng)的運行更加穩(wěn)定，而且使得內(nèi)存的使用能夠得到量化。

通信協(xié)議函數(shù)庫

通信協(xié)議函數(shù)庫一直處于一種動態(tài)變化的過程，每一個具有通用性的經(jīng)過長期驗證過的協(xié)議函數(shù)都會被隨時加入該函數(shù)庫。目前該通用函數(shù)庫中主要包含一些常用協(xié)議及其他公司的協(xié)議，如IEC8705-101，104，DNP3.0，DL645等。

總的來看，箱變目前正在向體積小型化、結(jié)構(gòu)簡單化、運行環(huán)保化、絕緣無油化和智能化發(fā)展，智能型箱變就是設(shè)備二次均采用微機自動化保護裝置，具備遙控、遙信、遙測、遙調(diào)和故障識別、隔離及恢復(fù)供電功能，并可對變壓器出線實現(xiàn)自動無功補償?shù)裙δ堋Ｊ棺冸娬具\行水平達到較高的智能化程度，操作簡單，適用性強。■