开闭所综合智能终端的设计与实现

张延辉 郭 立 朱 莉 付晓勇（国网郑州供电公司，河南 郑州 450000）



开闭所综合智能终端的设计与实现

张延辉 郭 立 朱 莉 付晓勇
（国网郑州供电公司，河南 郑州 450000）

摘 要：本文针对配电网级联开闭所供电关系特点，将线路光纤纵联保护和方向保护的思想引入配电网的故障处理，设计并实现了一种开闭所综合智能终端，除了具备常规站所终端（DTU）基本功能之外，还兼具功率方向保护功能、光纤纵联保护功能、重合闸功能等，在不依赖主站及通信的情况下能就地快速隔离故障区域和恢复非故障区域供电，并将故障处理信息汇总上传主站，广泛适用于目前配电网发展现状的要求。该设计实现站所终端（DTU）和故障处理的功能，具有功能完善、运行可靠、测量精度高、硬件通用性强、可扩展性高的优点，并具有串口和网口多种类型通讯接口接入系统主站，有着广阔的应用前景和较强的市场竞争力。

关键词：配电网；级联开闭所；站所终端（DTU）；光纤纵联；STM32

1　前言

配电网自动化系统能够迅速实现对故障区域的隔离和非故障区域的供电自动恢复，减少停电面积，缩短停电时间，提高配电网运行的可靠性。随着科技的发展，配电自动化展现出配电系统的多样化、集成化、智能化的新特征。在我国的电力系统中，35kV及以下电压等级的开闭所约占变配电所总数的70%左右。因此站所终端（DTU）的研究是实现配电自动化的关键问题之一，对整个配电系统提高供电安全性、可靠性，提升综合优化控制和管理水平等方面都具有重要的意义。

本文针对配电网级联开闭所供电关系特点，将线路光纤纵联保护和方向保护的思想引入配电网的故障处理，设计并实现了一种开闭所综合智能终端，除了具备常规站所终端（DTU）基本功能之外，还兼具功率方向保护功能、光纤纵联保护功能、重合闸等功能，在不依赖主站及通信的情况下能就地快速隔离故障区域和恢复非故障区域供电，并将故障处理信息汇总上传主站。

2　终端设计要求

2.1总的要求

针对目前配电自动化故障处理模式的不足，开闭所综合智能终端的设计应具备以下几个特点：

（1）缩小停电范围，加快故障处理和供电恢复，利用光纤通信速度；

图1　终端装置硬件结构图

（2）减小故障处理对主站依赖，避免故障处理集中在主站；

（3）无通信或者通信故障时配置后备保护以及失灵保护，提高可靠性；

（4）集成“三遥”功能，随时能够配电自动化主站系统，便于维护和管理。

2.2功能要求

2.2.1满足《DLT 721-2013配电自动化远方终端》标准中的配电自动化远方终端的总体要求、基本功能要求和站所终端必备功能要求以及技术要求。

2.2.2故障处理保护功能设计要求

（1）自主协商式纵联保护

结合配网的特点，利用光纤传递状态信息，自主协商，实现站所间光纤纵联保护，相互级联的开闭所占用一个时间节点；

（2）方向过流保护

具有带方向判别的过流Ⅰ段，过流Ⅱ段保护，而且保护定值具有自适应功能，能根据电源点变化时使用不同的保护定值。针对不同的开闭所结构，装置可配置不同的保护类型：如线路出线保护、联络进线保护、联络出线保护、母联开关保护等；同时作为通讯故障时，纵联保护失效时，过流保护进行延时跳闸；

（3）智能失灵保护

在开关拒动情况下，实现拒动开关的上一级开关跳闸，保证在开关故障条件下，停电范围最小；

（4）重合闸功能

根据当前电压及开关状态逻辑关系自动判别进行重合，达到供电恢复的目的。

2.2.3控制回路功能设计要求

具备远方/就地切换开关及合、分操作按钮、复位按钮。配合一次控制设备可由远方或当地控制开关合、分闸操作。每个回路具备完善的断路器操作回路功能，具备防跳功能和控制回路监视功能。

3　整体结构设计

开闭所综合智能终端装置采用4U19英寸后插拔式铝合金机箱。站所终端装置各功能模块通过总线处理模块与CPU主控板进行信息交互，由CPU主控板完成信息处理、采样计算、逻辑判别等，最终实现保护、测量、通讯等功能。具体硬件构成如图1所示。

4　硬件设计

4.1人机接口模块

人机接口模块主要完成信号灯指示、液晶显示和按键输入等功能。

4.1.1信号灯设计

共设计24个高亮LED信号灯，主要完成终端运行状态指示、告警状态指示、终端故障指示、通讯状态指示和6个回路的跳合闸指示和保护动作指示。

4.1.2按键设计

共设计6个按键，采用带LED背光按键，具体功能分为“△”、“▽”、“”、“”、“确认”、“取消”。

表1　电源配置说明

4.1.3液晶设计

终端设计采用图形化中文菜单显示的320×240点阵液晶屏，蓝底白字，显示内容明了清晰。

4.2电源模块设计

采用经EMC检测合格的开关电源，为装置各功能模块提供不同类型的电源，经总线处理模块与其他模块进行接口，具体内容见表1。

4.3 交流电流输入板硬件设计

交流电流输入板上采用12个精密电流变换器，用于将二次交流信号进行隔离变换为0～5V小电压信号，经总线处理模块输入到模数转换器（AD）。

4.4交流电压输入板硬件设计

交流电压输入板上采用6个精密电压变换器，用于将二次交流信号进行隔离变换为0～5V小电压信号，经总线处理模块输入到模数转换器（AD）。

4.5开入开出板硬件设计

4.5.1开入部分硬件设计

故障处理终端的开入量主要有开关位置、远方操作允许、事故跳闸、弹簧未储能、上隔离工作位、下隔离工作位和闭锁输入信号等，送入主芯片进行数据处理。

4.5.2控制回路开出硬件设计

与断路器控制回路配合，完成手动跳合闸，保护跳合闸，遥控跳合闸，断路器位置状态监视，跳合闸线圈状态监视，防跳功能，控制回路状态监视等功能。

4.6CPU主控模块设计

整个装置的核心处理单元，采用STM32F103ZE作为主控芯片，利用其丰富外设实现AD转换和计算、开入开出控制、定值及故障存储、时钟处理、串口通讯和网口通讯等功能。

4.6.1STM32F103ZE主控芯片

STM32F103ZE是一款由意法半导体S T公司生产的高性能的A R M®CortexTM-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM），并具有丰富的增强I/O端口和外设。包含4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口、3个SPI接口、1个SDIO接口、5个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。丰富的外设和优化的处理性能使STM32F103ZE芯片可完全兼顾快速逻辑控制和数据运算的功能。

4.6.2AD采样处理

AD采样处理部分采用两片AD7606转换芯片，通过SPI接口与STM32进行通信，由主芯片控制AD采样过程，每周波采集64点。AD7606是由ADI公司生产的16位逐次逼近型8通道同步采样ADC，单5V供电并可处理双极性输入信号，内置模拟输入钳位保护、二阶抗混叠滤波器，所有通道的采样吞吐率均可达到200KSPS。由交流采样模块输入的信号经简单的阻容滤波即可直接接入AD芯片，实现16路模拟信号的快速转换。

4.6.3开入开出控制

STM32F103ZE具有112个增强型通用IO端口，且所有IO端口均兼容CMOS和TTL电平。每个IO可随意配置为输入或输出，输出电流高达8mA且可吸收20mA以上输入电流。所以由STM32F103ZE的通用IO端口辅以光耦构成开入开出控制电路。

4.6.4定值及时钟处理

利用STM32F103ZE的I2C接口扩展1 片FM24CL16和时钟芯片SD2405完成定值存储和时钟处理。FM24CL16为铁电存储器，存取数据速度快且操作简单，2K字节的容量可方便设置多套定值；SD2405集成了实时时钟、晶振和可充电电池，供电电源自动切换，年误差小于2.5分钟。

4.6.5故障存储

利用STM32F103ZE的I2C接口和SDIO接口外扩1片FM24CL64和MicroSD卡用于故障记录存储和故障录波存储。FM24CL64为铁电存储器，存取数据速度快且操作简单，8K字节的容量可记录多大300条故障记录。

4.6.6 通讯功能

采用STM32F103ZE的2路USART接口辅以串口转换芯片构成2路RS485通信通道实现串口通讯功能；利用SPI接口扩展以太网控制芯片ENC28J60，辅以HR901170A实现1路以太网通讯功能。

4.7光纤通讯模块硬件设计

终端装置所要求光纤通信模块至少要2个光纤通信接口（环进环出）、具备百兆网口、并兼容232/485串口通信，通信运行稳定，适合电力行业应用环境。经过对比分析，最终决定采用武汉迈威光电技术有限公司生产的MIEN3105C低功耗工业以太网交换机。

5　软件设计

装置整体软件程序采用标准C语言编程，程序执行效率高，可读性和可移植性高。软件主要由初始化程序、采样中断服务程序、保护测量计算程序、保护功能处理程序、面板通讯中断服务程序、装置通讯中断服务程序、光纤串口通讯中断服务程序等组成。

5.1初始化程序

完成装置功能所需要的硬件外设初始化和软件数据的初始化，主要包括系统时钟初始化、IO端口初始化、I2C/ USART/SPI接口初始化、中断配置、定值及重要变量初始化等。

5.2采样中断服务程序

通过STM32F103ZE内部定时器中断启动A/D转换，设定初始采样频率3.2kHz，即312.5us启动一次A/D。AD7606的A/D转换完成后，由SPI接口经DMA通道读取采样数据。采样中断服务程序主要完成AD采样控制和采样数据读取存储。

5.3保护测量计算程序

采交流采样算法有多种多样，装置采用快速傅氏变换（FFT）。傅氏算法对谐波具有良好的滤波作用，基波的计算精度也相当高，并且在STM32中集成了硬件乘法器，相乘累加在重复命令下都是单周期指令，因此，本设计采用快速傅里叶变换（FFT）对采样数据进行计算处理，算出各通道电量的实部虚部，然后开方得出当前实时电量信息，作为保护处理的依据。

5.4保护功能处理程序

根据当前实时电量和状态信息，按预定逻辑实现不同类型的保护功能处理，并根据实际情况进行状态更新和故障信息处理。其中主要的逻辑判别和保护功能判别为方向判别、站内站间闭锁信号判别、智能纵联保护判别和过流保护判别。

5.5面板通讯中断服务程序

按照预定通讯协议（内部规约）处理与面板通讯信息，主要上传电量和状态实时信息、接收面板下发定值和时钟。

5.6装置通讯中断服务程序

按照预定通讯协议（Modbus/101/104）处理与主站后台系统通讯信息，完成与后台系统信息交互。

5.7光纤串口通讯中断服务程序

光纤串口通讯中断服务程序主要完成与光纤通信模块间的信息传输，利用自定协议进行通信，串口通信中断服务程序严格按照协议帧格式进行信息组织，完成信息体的接收和发送，进而实现光纤快速传输信号的功能。

结语

本文通过对国内对配电自动化主流发展模式的研究，结合目前配电自动化发展趋势，针对配电网级联开闭所的供电特性提出设计一套开闭所综合智能终端。该终端兼具常规站所终端（DTU）的功能和完善的保护功能，即可与配电主站配合实现馈线自动化功能，也能就地实现故障隔离和供电恢复，对配电自动化的发展具有重要意义。本文中的设计方案和终端软硬件设计均已投入到了实际产品和应用当中。终端产品已经通过了国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心的型式试验；新型的故障处理方案已经在郑州市近200个开关站（开闭所）验证并运行，运行情况良好，达到了预期设想和要求。

参考文献

[1] Q/GDW 11184-2014，配电自动化规划设计导则[S].

[2] DLT 721-2013，配电自动化远方终端[S].

[3] ST《STM32F系列ARM内核32位高性能微控制器参考手册V10_1》[Z].

中图分类号：TM727

文献标识码：A