用于FTU馈线终端遥控功能试验的便携式模拟断路器的设计与实现

国网山东省电力公司莱州市供电公司 鹿百兴 刘建伟 徐 凯 李林宇

国网山东省电力公司烟台供电公司 廖烽然

1 引言

用于FTU 馈线终端遥控功能试验的便携式模拟断路器体积小，重量轻，便于携带，可单人独带进行登杆作业，适合现场各种复杂地形使用。该装置直接从被测试的馈线终端取电，无须配备发电机或蓄电池，参数灵活可调，远程监测设备工作状态，能够模拟多种断路器故障状态并对设备故障进行消除。除了能实现FTU 馈线终端基本的遥控试验功能外，还具备以太网通信、4G无线通信和北斗/GPS 定位功能，能实现装置定位与对时，自动生成、归类各种试验历史记录，并将试验数据上传至计算机或服务器进行处理，便于数据的收集、统计和分析。

2 用于FTU 馈线终端遥控试验的模拟断路器应用背景

随着配电自动化技术的广泛应用，配电线路柱上开关数量有快速增加的趋势。运行当中存在开关远方遥控不成功的情况，影响故障自愈。同时需设备管理单位赶往现场进行操作，延长停电操作时间。

遥控不成功的主要原因为FTU 馈线终端遥控功能异常，因此对馈线终端遥控功能的检测和验证尤为重要。但在设备投入现场运行后，出于供电可靠性压力，不能随意对运行设备进行实际分闸操作。此时需将开关控制器拆回仓库做试验，试验过后装回现场，控制器重量较重不便拆卸，需至少三人配合才能完成，拆装往返耗费时间很长，造成运维人员劳动强度大且工作效率低。

市场现有的模拟断路器体积和重量较大，携带不便，需要220V 电源，现场试验需要配备发电机等设备，山地、丛林、农田等车辆无法直接到达的工作地点使用不便，接线复杂，使用门槛高，不适用于现场工作。现有模拟断路器功能固定，参数不可调，不能用于模拟误动、拒动、延迟等各类断路器机械故障。现有模拟断路器不具备试验数据记录和通信功能，不便于后期故障数据的收集、统计和分析。

基于此，本文设计了一种用于FTU 馈线终端遥控功能试验的便携式模拟断路器，实现在无须设备停电的方式下进行馈线终端遥控功能的试验，降低了停电造成的损失。携带方便，无须外部供电，提升了运维工作效率。采用单片机作为控制器，内部参数自定义，实现模拟断路器动作参数的灵活调整，同时可模拟各类断路器故障。具备试验数据自动记录和通信功能，提高了试验数据收集、统计和分析的效率。

3 用于FTU 馈线终端遥控试验的模拟断路器结构组成及工作原理

3.1 该模拟断路器结构组成

模拟断路器整体结构如图1所示。包括以太网接口、输入信号端子排、输出信号端子排、合闸按键复合指示灯、分闸按键复合指示灯、储能按键复合指示灯以及电源切换开关等组成[1]。该断路器类似于遥控器，质量轻便、体积小巧、便于携带。

图1 模拟断路器整体结构

模拟断路器机壳内剖如图2所示[2]。主要包括1—继电器输入模块、2—继电器输出模块、3—开关控制器航空插头、4—遥信电源、5—储能电源、6—24V 电源切换开关、7—装置前面板、8—核心控制单元、9—手动操作按键、10—状态指示灯、11—装置后面板、12—计算机、13—以太网调试、14—升级接口、15—协处理器、16—外部供电、17—电源管理模块、18—时钟模块、19—MQTT 服务器及用户手机、20—4G 通信模块、21—5V 电源切换开关（二）、22—5V 电源切换开关（一）、23—降压电源模块等。

图2 模拟断路器机壳内剖

3.2 工作原理

进行遥控功能试验的流程如下，开关控制器对装置发出分闸、合闸及储能信号，输入模块对应继电器动作，核心控制单元检测到输入继电器动作信号满足设定时间及判定逻辑，判定为接收到有效的控制信号。接着核心控制单元向输出模块发出信号，控制继电器吸合，对应继电器吸合，通过端子排及航空电缆向开关控制器反馈分闸位、合闸位和储能位信号。

通过操作按键进行手动操作时，信号检测流程为：按键分、合、储能键后，直接向核心控制单元输入信号，信号处理及输出过程与通过控制器自动操作一致。模拟断路器前面板有端子排与馈线终端的航空电缆连接[3]。后面板有红绿黄三个带指示灯的按键，用于进行手动操作和状态指示，另有1个网口用于网络通信，内部有4G 通信模块用于无线通信。信号输入输出的过程中，核心控制单元通过4G模块和以太网接口对外进行通信，将数据记录通过以太网发送至计算机，可通过计算机查看实时运行信息和历史记录，或通过4G 通信模块将信息上传至服务器。同时接收控制信号对模拟断路器内部参数进行调整。

4 该模拟断路器试验数据匹配算法流程

模拟断路器试验数据匹配算法流程如图3所示，其内部预存现有所有设备台账信息，包含设备名称，定位坐标，历史记录等信息。开机工作时，每完成一次现场测试后，连续获取当前定位坐标，当获取到连续稳定的位置坐标时，开始进入设备匹配过程，抽取台账内第一台设备信息，通过测试地坐标与台账设备坐标对比，计算出两点的距离。现场实际断路器安装于不同杆塔，相互距离基本在40m 以上，而北斗/GPS 定位精度在2.5m 以下[4]。因此设定条件为两点距离小于10m 时为匹配成功，自动将该条试验记录归类于此设备。若匹配不成功，则提取台账内下一台设备信息，重复计算匹配过程，直到匹配成功为止。若在台账中未找到能匹配的设备，则在台账中创建一条未命名设备。最后将试验记录进行本地存储和远程上传本文所述算法，实现了被试验馈线终端在现有台账中的自动匹配，减少数据收集和统计分析工作量。

图3 模拟断路器试验数据匹配算法流程

5 该模拟断路器使用优势

该模拟断路器包括核心控制单元，输入、输出继电器，输入输出端子排，操作按键及状态指示灯，电源切换开关及电源模块并带有定位通信功能和以太网接口，一般用于FTU 馈线终端遥控功能试验，主要优点如下[5]。

一是该模拟断路器体积小，重量轻，仅有手掌大小，携带方便，可以登上电力杆塔手持使用。

二是该模拟断路器核心控制单元使用单片机作为控制芯片，内部的分、合闸和储能时长合开关状态变化延时可通过内部程序自定义，也可模拟真实断路器无法分闸、合闸、储能的故障状态。

三是该模拟断路器操作面板上有合闸、分闸、储能三个操作按键。按下合闸、分闸、储能按键后，内部电路直接通过继电器向馈线终端反馈合闸位、分闸位和储能位信号，从而模拟真实断路器的手动操作。

四是该模拟断路器信号输入、输出均使用继电器进行驱动，在传输信号的同时实现模拟断路器和馈线终端的电隔离，避免现场设备对使用人员造成伤害。

五是该模拟断路器无须接入220V 市电，也无须外接发电机、蓄电池等外部电源，直接从端子排取得24V 直流电并通过降压稳压模块转换为5V 电源，为核心控制单元、继电器、驱动电路、定位及通信模块提供电源。并且针对不同厂家型号的馈线终端信号输出方式不同，可以通过电源切换开关自主选择遥信电源或者储能电源给模拟断路器供电。

六是该模拟断路器用于现场测试时，通过核心控制单元内采用的智能匹配与记录算法，将试验现场所在位置的北斗/GPS 定位坐标，与核心控制单元内部预先存储的馈线终端台账信息进行智能匹配，准确识别出被检测馈线终端的身份信息，并通过北斗/GPS 授时获取时间，生成带时标的事件记录，自动将本次测试结果归并入该终端的历史试验记录中。

七是该模拟断路器通过4G 通信模块接收无线信号或通过以太网接口接收网络信号，将操作人员发来的参数写入核心控制单元，并对发来的指令作出相应的合闸、分闸、储能操作，实现远程参数调整和远程控制。

该便携式模拟断路器接收到馈线终端发出的合闸、分闸及储能信号后会判断输入信号是否满足设定时间及判定逻辑，若判定为接收到有效的控制信号，经延时后控制继电器动作，通过端子排向馈线终端反馈合闸位、分闸位和储能位信号，并通过所述模拟断路器面板上的指示灯进行合闸位、分闸位和储能位的指示，具备FTU 馈线终端遥控试验所需的全部功能，可以完全模拟断路器的机械结构和逻辑功能。

6 结语

本文设计了一种用于FTU 馈线终端遥控功能试验的便携式模拟断路器，采用单片机作为控制器，可以在线路不停电的情况下，进行馈线终端的现场遥控功能试验，实现模拟断路器动作参数的灵活调整的同时还可模拟各类断路器故障。解决现有模拟断路器携带不便，动作特性不可调，不具备数据记录及通信功能等问题。此外，该装置携带方便，无须外部供电，具备试验数据自动记录和通信功能，提高了试验数据收集、统计和分析的效率，大幅度改善了作业质量。