分布式馈线终端的开发与应用

李昕

摘 要：随着智能配电网的快速发展对于终端设备集成化、智能化和综合化的要求不断提高，本项目所设计的分布式馈线终端提出了一种分布式软件结构与分置式硬件安装结构，实现了系统功能的高度集成，使设备组态更加灵活。该分布式馈线终端对于减少电力工程成本投入、节约现场空间资源、减少维护成本都有着显著的效果，对于提高配电网自动化程度，提升供电可靠性及供电质量有着重要作用。

关键词：分布式馈线终端；组合式馈线遥控；分置式设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.223

1 项目背景

智能配电网是智能电网的关键环节之一，是整个电力系统与分散的用户直接相连的部分。智能配电网系统是利用现代电子、通讯、计算机及网络技术，将配电网在线数据和离线数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成，实现配电系统正常运行及事故情况下的监测、保护、控制、用电和配电管理的智能化。

智能配电网由主站系统、通信系统、自动化终端设备三大部分构成，形成一个完整的信息传输与处理系统，实现对配电网运行的远程管理。FTU（馈线终端）作为智能配电网自动化终端设备的核心设备，实现了对一次设备进行监视和控制，为配电自动化主站提供配电系统运行情况和各种参数。

目前，FTU（馈线终端）在配电网自动化中的应用存在以下问题：一、当现场实现升级改造时，需要更换整台的终端设备，造成了电网建设的重复投资与资源浪费；二、CT线与控制线经常出现被盗的情况，直接影响了电网的安全稳定运行；三、随着配电网自动化程度的不断提高，现场终端设备越来越多（如微机保护、光纤测温、电能表计等），终端设备的增加意味着要需要增加相应通信管理设备（如通信管理机、工业以太网交换机），造成了现场安装、调试与维护的工作量不断增加。

针对上述问题，我们设计一款满足10kV 配电线路自动化馈线终端技术规范要求的馈线终端并将其应用于配电自动化网络，对于提高现场升级改造与故障处理的效率、实现多种配电终端接入、减少电网建设投入、节省站房设备空间资源、保证配电网的安全稳定运行有着重要意义。

2 研究内容及目标

（1）基于配电网自动化系统远方终端技术规范要求，实现终端设备的三遥、故障判断及事项记录等功能。

（2）软件的分布式设计研究，实现软件的分布式安装与管理。

（3）硬件的分置式设计研究，实现硬件的分置式安装。

（4）电力通信规约IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、ModBus研究，实现与终端设备、主站的通信功能。

（5）工业以太网交换机通信技术研究，实现工业以太网交换机功能。

3 系统架构设计及主要关键技术研究

该终端系统架构由软件和硬件组成，软件上采用以数据总线为通信核心的分布式系统架构，硬件上采用分置式安装架构。通过采用该系统架构，使用本项目研发的分布式馈线终端具有灵活的可扩展性和适用性。

（1）分布式软件系统架构。软件系统架构采用快速SOA（面向服务架构）思想，将各种应用功能服务化，内部数据传输通过统一的数据总线接口，各功能模块可集中安装于一台分布式馈线终端也可实现多台分布式馈线终端共享一套软件系统，实现资源共享、负载均衡。该设计架构可独立于实现的硬件平台、操作系统和编程语言，保证了系统部署和功能扩展，做到模块的即插即用，无缝集成。

实时数据服务模块（提供实时数据处理）、数据输出服务模块（与主站通信）、人机交互模块（与人机接口软件进行通信）、数据输入服务模块（与终端设备如测控模块、微机保护、直流屏等进行通信）之间的数据通信均通过总线完成。数据总线提供三种角色：服务使用者、服务提供者和业务注册中心，遵循服务注册->服务查找->服务使用的流程。

实时数据服务模块（提供实时数据处理）、数据输出服务模块（与主站通信）、人机交互模块（与人机接口软件进行通信）、数据输入服务模块（与终端设备如测控模块、微机保护、直流屏进行通信）安装于同一台分布式馈线终端。

（2）分置式硬件系统架构。分置式硬件系统结构由通信模块、测控模块及电源模块三部分组成，各模块可安装于同箱体内，也可将测控模块集成于高压开关柜内。

通信模块：实现了具备18个串口扩展能力和7个以太网口，采用内嵌式通信管理机与光纤通信一体化设计，负责与测控模块、现场终端设备及主站通信。

测控模块：用于采集馈线电流、电压、开关状态；检测相间故障、接地故障；执行控制命令。

电源模块：支持双回路AC220V输入、DC48V（DC24V）电池输入，DC48V（DC24V）、DC12V 输出，用于管理电池充放电，具有输出短路、过热、过压、防止电池过放电等保护功能。

4 主要技术特点

本项研发的分布式馈线终端从软件、硬件、结构及性能上具有以下特点：

4.1 软件特点

（1）以数据总线为通信核心，采用面向服务的架构思想，支持软件功能服务的分布式安装与管理，实现服务模块间的资源共享与负载均衡，使用系统部署和功能扩展更加灵活。

（2）采用一种基于设备模型的设计方式，将终端接入设备（如微机保护、测控装置、光纤测温、计量表等终端）模型化，相同类型的模型可实现继承、接口重定义等，实现设备模型的复用，提高配置的灵活性，减少了二次开发成本与代码冗余。

（3）提供跨平台的管理软件，管理软件采用QT平台开发，支持Windows、Linux平台。

4.2 硬件特点

（1）测控模块采用ARM32位M4处理器STM32F407IGT6为中央处理器，频率高达168MHZ。采用两片8通道16位同步采样A/D芯片AD7606进行A/D转换，该芯片为真正可支持双极性模拟量采样，具有模拟输入钳位保护功能，同时具有过采样保护及数字滤波功能，保证采样的可靠性及精确性。

（2）采用的电解电容、热敏电阻、压敏电阻、贴片电容、贴片电阻、晶振、网络芯片、存储芯片、光耦、继电器、DC/DC隔离电源等关键器件均为高可靠性的工业级产品。

（3）具备灵活的系统部署和扩展性能，可扩展18 个串口，支持RS232、RS485 接口，配备7 个10/100Base-TX 以太网接口。

4.3 结构特点

（1）测控模块采用分置式设计，即可集中安装于专用箱体内（机箱或立柜），也可集成于高压开关柜上。

（2）CT回路自动短路设计，CT接头未与测控模块完全接触时CT接头自动短路。当测量板出现故障或更换设备时，现场无需停电即可实现设备的维修与更换。endprint