智能模块化终端配电系统的结构与功能设计

班 伟，刘 贵

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211100）

0 引 言

受配电设备结构特点限制，以传统配电箱为主的终端配电系统存在维护不便、扩展和升级困难等问题。为了解决上述问题，研发了一种智能模块化的终端配电系统，通过模块化独立设计进一步提升了终端配电系统的多变性和动态性。智能模块化终端配电系统可以配置不同类型的业务模块，满足不同场景的使用需求。此外，智能终端配电系统采用导轨安装方式，具备即插即用功能，可以随意增加和退出业务模块。对于电力用户而言，该系统进一步降低了设备维护成本和购置成本。

1 智能模块化终端配电系统结构设计

1.1 模块单元结构设计

基于智能模块化的终端配电系统结构设计应当考虑安装便利、小型化、即插即用、扩展灵活以及易于替换等需求，将终端硬件系统分为不同的独立硬件模块，每个硬件模块均可独立安装在导轨上，通过连接器总线实现各硬件模块之间的数据交互和硬件模块电源供应。终端配电系统单个硬件模块采用控制模块和接线底板分层独立设计，硬件系统接线模块主要安装在系统导轨上，该接线模块包含总线接口和外部线接口。控制模块是终端配电系统硬件模块的关键部分，控制模块独立安装在导轨接线地板上，当模块出现损坏进行更换或升级时，只需将控制模块取出替换，不必拆除导轨接线底板[1]。

1.2 模块单元硬件结构设计

基于智能模块化的终端配电系统采用总线接口实现硬件模块之间的相互通信，每个硬件模块均可以独立安装在配电控制箱内，并且配电设备取消了传统机箱插板式安装方式。根据终端配电系统的使用需求，硬件模块数量和种类可以自由配置。为了实现各硬件模块的快速安装和替换，终端配电系统采用接口底座和模块单元分开设计的思路，在安装终端配电系统时只需安装接口底座，然后将硬件模块插入底座中即可实现硬件模块的正常运行。此外，在终端配电系统维护过程中，只需将硬件模块取出即可实现设备替换、升级或模块更新操作，进一步减少了终端配电系统运维和安装的工作量。

终端配电系统底座采用高速总线和外部信号总线接口，模块与底座之间采用排座连接方式。终端配电系统中，核心模块主要负责信号发送与接收、数据分析和运算处理等，核心模块信号发送与接收功能均依靠底座实现[2]。

1.3 模块单元分类安装

智能模块化的终端配电系统主要包括核心控制模块、数字量采集模块、电源模块、模拟量采集模块、无线网络模块、新能源接入模块、数字量开发模块以及宽带载波通信模块等，其中电源模块主要为终端配电系统和其他子模块提供电源，终端配电系统子功能模块在控制模块的调度下为用户提供相应的服务。终端配电系统硬件模块结构如图1所示。

图1 终端配电系统硬件模块结构

智能模块化终端配电系统主要由业务功能模块和最小系统组成，最小系统包括核心控制模块和电源模块。在搭建最小系统时，只需将电源模块固定在终端配电系统导轨上，然后再依次安装核心控制模块、模拟量采集模块以及其他扩展模块。其他业务模块需要根据终端配电系统使用需求和功能需求，选配不同种类和数量的数字量开出模块、数字量采集模块以及模拟量采集模块等。在安装其他业务模块时，只需将模块固定于终端配电系统，利用接口总线进行连接即可。

除了需要根据终端配电系统使用需求安装业务模块外，还要安装宽带载波模块、无线网络模块等通信模块，以此来满足终端配电系统在不同通信场景的使用需求。随着电力物联网的快速发展，基于智能模块化的终端配电系统只需更换物联网通信模块即可实现升级改造工作[3]。

2 智能模块化的终端配电系统功能设计

为了降低智能模块化终端配电系统的运维、调试及安装成本，终端配电系统各硬件模块需要具备自动退出、自动发现以及自动注册的模块即插即用功能。在对终端配电系统进行维护、升级及扩展时，只需在终端配电系统导轨上安装其他业务模块，利用外部接线方式进行连接，从而实现扩展模块自动上线运行。当其他业务模块接入终端配电系统后，业务模块会向核心模块发送自动注册申请。业务模块注册完成后，核心控制模块会对其进行统一协调控制。终端配电系统更换业务模块时，只需将原有模块取出，并安装新业务模块即可。新模块安装完成后会向核心控制模块发送注册申请，核心控制模块对注册申请分析处理后会更换终端配电系统注册信息，并对其进行协调控制。当终端配电系统中有业务模块退出时，只需将业务模块进行拆除即可取消该业务模块提供的服务。核心控制系统检测到有业务模块退出后会更新业务模块配置，并按照新的业务配置运行[4]。

2.1 模块标识设计

业务模块接入终端配电系统后会向核心模块提交注册申请并上报模块信息，核心模块会根据业务模块身份ID对模块地址和模块类型进行区分。模块ID采用32 bit字符进行标识，0～23 bit为模块物理地址，24～31 bit为模块类型标识。核心模块对业务模块类型区分后会固化至业务模块，使每个业务模块均具有唯一的类型标识。业务模块物理地址采用拨码形式，当存在多个相同类型的业务模块时，核心模块会按照功能需求对业务模块进行拨码，为其赋予不同的物理地址[5]。

2.2 即插即用功能实现

新业务模块安装完成后会自动向核心控制模块提交注册申请，申请内容包括新模块的软件版本、类型、身份ID等。核心控制模块接收到注册申请后，会根据注册信息为新业务模块分配数据空间，并向新模块发送注册确认信息。新业务模块注册完成后即可接收核心控制系统发送的协调控制指令，并向用户提供相应的业务服务[6]。新业务模块注册完成后，核心控制模块会检查新模块档案信息，并在数据库系统中添加新业务模块注册信息，删除已经退出服务的业务模块信息，进而实现业务模块自动退出、自动发现以及自动注册的全生命周期管理。即插即用功能的实现流程如图2所示。

图2 即插即用功能的实现流程

3 智能模块化的终端配电系统性能测试

3.1 测试环境

为了测试智能模块化终端配电系统的各项性能指标，按照《配电自动化远方终端》（DL/T 721—2013）相关标准搭建了终端配电系统性能检验环境，主要包括无线网络通信系统、本地测试设备以及模拟主站，如图3所示[7]。

图3 智能模块终端配电系统测试环境

3.2 测试方法

在终端配电系统额定频率为50 Hz、额定电压为100 V、额定电流为5 A的测试环境下，分别利用标准源向终端配电系统施加20%～120%倍的额定电压和额定电流，进而测试终端配电系统的三相电流、电压采集精度。其中，电流和电压采集精度绝对误差不超过0.5%即为合格[8]。

3.3 测试结果

终端配电系统电压和电流数据采集结果如表1和表2所示，其中In为额定电流，Un为额定电压。

表1 终端配单系统电流误差测试结果

表2 终端配单系统电压误差测试结果

从表1和表2可以看出，在不同电流和电压条件下，终端配电系统各相的测试结果绝对误差值均处于误差允许范围。由此可知，智能模块化终端配电系统的数据采集精度较高，采集误差均在误差绝对值允许范围内，可以为相关人员提供参考。

4 结 论

通过分析智能模块化终端配电系统的结构设计、模块分类、安装方式等，根据使用需求提出了即插即用功能设计，各业务模块之间采用自动注册、自动发现以及自动退出机制，实现了终端配电系统各模块的即插即用，进一步减少了终端配电系统扩容、调试的工作量。在不同电流和电压条件下测试了系统的数据采集精度，测试结果表明终端配电系统数据采集精度均在误差允许范围内，可靠性较好，值得推广。