CN108336826A - 一种配电网综合配电终端 - Google Patents

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陈金旺
沈晓波
陈咏梅
王先伟
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郭明盛
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Xiamen Power Supply Co of State Grid Fujian Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种配电网综合配电终端，包括：馈线采集控制单元、同步相量采集单元、电能质量监测单元、以太网交换单元、数据集中处理单元和时钟同步单元；时钟同步单元与数据集中处理单元、馈线采集控制单元、同步相量采集单元、电能质量监测单元分别相连以进行对时；以太网交换单元与数据集中处理单元通过以太网口相连；馈线采集控制单元、同步相量采集单元、电能质量监测单元均与以太网交换单元相连以进行以太网通信；馈线采集控制单元、电能质量监测单元均通过SPI接口与同步相量采集单元相连以进行SPI通信。本发明能够实现对配电网各个节点数据的同步采集，实现配电网设备的监控和数据采集，并进行电能质量在线监测。

Description

一种配电网综合配电终端
技术领域
本发明涉及配电网自动化领域，特别涉及一种配电网综合配电终端。
背景技术
配电网自动化终端是实现配电自动化的基础环节，一般指用于配电网监控的馈线终端设备(FTU)，配电变压器配电终端(TTU)，开闭所、环网柜远方监控终端(DTU)。其主要功能是实现配电网设备的监控和数据采集，具有遥信、遥测、遥控、故障电流检测、通信转发及故障的诊断、隔离、定位及恢复功能。虽然目前配电网自动化终端已经开始在智能配电网中起着重要作用，但是仍有许多问题急需解决。
其中尤为显著的是，传统的配电自动化(远方)终端存在数据延迟过大、边界测量不足、元件参数不精确等问题，使得配电网的状态估计精度和实时性都遇到了很大的挑战。同时，传统配电自动化远方终端只能提供稳态的、不同步的电网时间段面数据，使得上层子站或中心主站不能及时掌握系统的动态信息进而采取措施。另外，传统配电自动化远方终端由于测量数据精度有限以及时标不统一，只能利用大量冗余测量数据通过求解非线性方程组来得到电力系统的状态，计算时间比较长，实时性差，且无法应用于暂态过程的分析。此外，传统的配电网自动化终端无法实现电能质量监测功能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种高精度时间同步的配电网综合配电终端，能够实现对配电网各个节点数据的同步采集，从而获得全网络瞬时剖面的精确状态，实现配电网设备的监控和数据采集，并进行电能质量在线监测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种配电网综合配电终端，包括：综合测控模块和通信管理模块；所述综合测控模块包括馈线采集控制单元、同步相量采集单元、电能质量监测单元和以太网交换单元；所述通信管理模块包括数据集中处理单元和时钟同步单元；所述时钟同步单元与所述数据集中处理单元、馈线采集控制单元、同步相量采集单元、电能质量监测单元分别相连以进行对时；所述以太网交换单元与所述数据集中处理单元通过以太网口相连；所述馈线采集控制单元、同步相量采集单元、电能质量监测单元均与所述以太网交换单元相连以进行以太网通信；所述馈线采集控制单元、电能质量监测单元均通过SPI接口与所述同步相量采集单元相连以进行SPI通信。
优选的，所述配电网综合配电终端还包括A/D转换芯片；所述同步相量采集单元与A/D转换芯片相连以采集交流模拟量。
优选的，所述时钟同步单元基于GPS、北斗、IEEE1588和/或IRIG-B时钟进行对时。
优选的，所述时钟同步单元与所述数据集中处理单元、馈线采集控制单元FTU、同步相量采集单元PMU、电能质量监测单元PQ分别通过一路串行接口和一路秒脉冲接口相连。
优选的，所述时钟同步单元与所述数据集中处理单元、馈线采集控制单元FTU、同步相量采集单元PMU、电能质量监测单元PQ之间均设置有磁耦隔离器ADUM1200。
优选的，所述馈线采集控制单元和电能质量监测单元均通过以太网口与所述以太网交换单元相连。
优选的，所述同步相量采集单元通过具有SPI接口转网口功能的网络接口芯片与所述以太网交换单元相连。
优选的，所述馈线采集控制单元采用型号为STM32F407的CPU。
优选的，所述同步相量采集单元、电能质量监测单元和时钟同步单元均采用型号为STM32F427的CPU。
优选的，所述数据集中处理单元采用型号为AM-335X的核心板。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明具备传统FTU、DTU功能，能够实现配电网设备的监控和数据采集，具有遥信、遥测、遥控、故障电流检测、通信转发及故障的诊断、隔离、定位及恢复功能等功能；同时具有电能质量在线监测功能，具备电压暂降和短时电压中断同步监测和存储功能；
(2)传统的配电网自动化终端往往采用简单网络时间协议SNTP，能达到的最高同步精度只在毫秒级，无法满足主动配电网对采样值等实时信息时间同步精度的要求，而本发明通过增加基于GPS/北斗/IEEE1588/IRIG-B四种的高精度时钟同步功能，使同步精度达到亚微秒级；
(3)本发明通过高精度时钟同步采样技术实现对配电网各个节点数据的同步采集，以及对配电网中关键节点的电压、电流、频率、相量等基础参数进行监测；使各节点所测量的节点数据有一致的时间标准，不同地点测量和计算得到的数据加上对应的时标与角度，通过通信网络传送到控制中心，从而获得全网络瞬时剖面的精确状态，为配电网安全合环控制提供数据支撑；
(4)本发明电压电流同步量测精度达到0.2级，测量误差小于0.2％(传统配电自动化远方终端0.5级)，具备电压暂降和短时电压中断同步监测和存储功能，支持配电网电压暂降和短时电压中断的全网同步监测；
(5)本发明采用每周波256点采样数据，较传统配电自动化远方终端64个采样点具有更高的采样精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的配电网综合配电终端的整体结构图；
图2是本发明实施例的综合测控模块的原理框图；
图3是本发明实施例的时钟同步单元的原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1所示，本发明实施例的配电网综合配电终端，包括：综合测控模块10和通信管理模块20；所述综合测控模块10包括馈线采集控制单元101、同步相量采集单元102、电能质量监测单元103和以太网交换单元104；所述通信管理模块包括数据集中处理单元201和时钟同步单元202；所述时钟同步单元202与所述数据集中处理单元201、馈线采集控制单元101、同步相量采集单元102、电能质量监测单元103分别相连以进行对时；所述以太网交换单元104与所述数据集中处理单元201通过以太网口相连；所述馈线采集控制单元101、同步相量采集单元102、电能质量监测单元103均与所述以太网交换单元104相连以进行以太网通信；所述馈线采集控制单元101、电能质量监测单元103均通过SPI接口与所述同步相量采集单元102相连以进行SPI通信；所述数据集中处理单元通过以太网口以104规约对调度中心30通信。
具体的，所述综合测控模块10可采用三块线路板来实现，包括：综合测控板、时钟板、底板。
参见图2所示，综合测控板包含馈线采集控制单元101、同步相量采集单元102和电能质量监测单元103三个功能单元，每个功能单元都有一个独立的CPU，另外还包含一个以太网交换单元104芯片，完成这三个功能单元和数据集中处理单元201之间的通信。
本实施例中，馈线采集控制单元101、同步相量采集单元102、电能质量监测单元103各使用一路RS485接口，一路秒脉冲接口(定时器捕捉引脚)，用RS485报文修订日期、时、分、秒，秒，脉冲校准毫秒及以下时钟。RS485和秒脉冲均经过ADUM1200进行磁耦隔离。具体的，所述馈线采集控制单元101、同步相量采集单元102、电能质量监测单元103通过RS485接收时钟同步单元202所发的对时信息报文，并通过秒脉冲接口接收时钟同步单元202所发秒脉冲对时，保证时钟同步。
本实施例中，所述馈线采集控制单元101采用型号为STM32F407的CPU。所述馈线采集控制单元101提供一路SPI接口，完成与同步相量采集单元102的通信；采样点由原来的AD7606采集改为由同步相量采集单元102采集后通过SPI传输过来，所述馈线采集控制单元101收到采样点后的处理过程与现有的FTU一致。此外，所述馈线采集控制单元101还提供一路以太网接口，通过该以太网口与以太网交换芯片相连，完成与其他单元的以太网通信。
本实施例中，所述同步相量采集单元102采用的CPU选用144脚的STM32F427，可满足5个SPI接口。5个SPI口的分配如下：与馈线采集控制单元101通信--SPI1；与电能质量监测单元103通信--SPI2；与W5100(扩以太网)通信--SPI3；与两片AD7606通信--SPI4\SPI5。此外，所述同步相量采集单元102预留高速网络接口，使用CPU本身网口，接PHY芯片，完成SMV功能，采用SMV和GOOSE规约实现到调度中心30的数据传送，采用256点/周波。进一步的，所述同步相量采集单元102通过外扩网口(W5100芯片)，与以太网交换单元104(以太网交换机芯片)进行通信。所述两片AD7606接AC板的采样信号，一片AD7606有8个采样通道，可以采集一条线路的8个交流模拟量(Ua、Ub、Uc，Ia、Ib、Ic、Uo、Io)，另一片AD7606可以作为备用。
本实施例中，所述电能质量监测单元103采用的CPU选用144脚的STM32F427。所述电能质量监测单元103提供一路SPI接口，完成与同步相量采集单元102的通信。此外，所述电能质量监测单元103还提供一路以太网接口，通过该以太网口与以太网交换芯片相连，完成与其他单元的以太网通信。
如上所述，所述以太网交换单元104(以太网交换芯片)与馈线采集控制单元101、同步相量采集单元102和电能质量监测单元103通信，不使用网络变压器，使用电容耦合方式进行通信，交换机芯片其中两路网口，对外通信。
本实施例中，模拟量输入包括三相电压Ua、Ub、Uc，三相电流Ia、Ib、Ic及零序电压Uo、零序电流Io，模拟量输入采集采用16位A/D转换芯片AD7606，采样处理由同步相量采集单元102处理器负责完成，采样率每周波256点。
本实施例中遥信输出量共20个，接入馈线采集控制单元101的处理器，其中遥信分辨率：≤2毫秒，遥信公共端电源为24V/48V自适应，遥信的去抖动时间可设置，设置范围10～1000毫秒。遥控输出量8个，接入馈线采集控制单元101的处理器，继电器输出为常开接点，输出容量为直流110V 5A或220V 5A。环境温度和直流量采集也由馈线采集控制单元101负责完成。
具体的，上述数据量的数据采集计算方法如下：
1)采用FFT算法(快速傅里叶变换)分析计算电压、电流的幅值，有效值，计算谐波、电压暂降、短时中断等，从而实现电能质量的在线监测；
2)同步相量测量是利用高精度的GPS/北斗卫星同步时钟、IEE1588或B码对时实现对电网母线电压和线路电流相量的同步测量，通过通信系统传送到电网的控制中心，用于实现全网运行监测控制或实现区域保护和控制；
3)同步相量测量的基本算法是离散傅立叶变换(DFT变换)，即对输入信号的采样序列进行DFT变换求得相量。设输入信号采样序列为：
xk＝Xm cos(ωt+φ)
其中，Xm为信号幅值，φ为信号相角。
DFT变换公式为：
其中，即为所求相量。
综上，同步相量采集单元102的CPU负责模拟量采集，采样数据通过高速SPI总线传输给馈线采集控制单元101和电能质量监测单元103。馈线采集控制单元101采集遥信、遥控等输入，有关信号通过SPI总线发给同步相量采集单元102及电能质量监测单元103。所述以太网交换芯片采用5口以太网交换芯片，馈线采集控制单元101、同步相量采集单元102和电能质量监测单元103各设计有一个以太网口，通过以太网与通信管理模块交换数据。同步相量采集单元102的另一以太网口设计为61850标准的SMV及GOOSE报文传输。
参见图3所示为所述时钟同步单元202的原理框图，所述时钟同步单元202的处理器选用STM32F247，该芯片可支持的时钟源包括GPS、北斗、IEEE1588和IRIG-B。
具体的，所述时钟同步单元202的守时单元使用恒温晶振，当外部时钟源断了后，靠恒温晶振完成时钟的守护。当电源消失后，靠锂电池或者超级电容守时。
进一步的，所述时钟同步单元202的的对时方式采用串口报文加秒脉冲，具体为：采用RS485报文修订日期、时、分、秒、秒，脉冲校准毫秒及以下时钟。串口发送部分和秒脉冲的输出均经过磁耦ADUM1200(同向双通道)隔离。虑到RS485的每个输出不互相影响，每路的RS485电路都使用单独的耦和485芯片。
本实施例中，所述数据集中处理单元201具有6个以太网口，1个RS232/485通信口。其中一个以太网口以104规约对调度通信，另外5个以太网口可以接5个综合测控模块10，其RS232/485通信口用于接收所述时钟同步单元202的对时命令。
所述数据集中处理单元201在硬件平台选择方面主要考虑设备运行的恶劣环境、性能需求等的因素。本实施例中，采用了AM335X为核心板，其中央处理器为ARM32位主频高达1GHz的高性能CPU；具有512MB DDR3RAM和1GB Nand Flash；带有可扩展的SD卡槽，整体性能十分强劲。而且该核心板的电磁兼容性、环境温湿度适应性、稳定性强，可适应本项目运行的各种恶劣环境。
该核心板采用了嵌入式linux系统。嵌入式linux是将Linux操作系统进行裁剪修改，使之能在嵌入式计算机上运行的一种操作系统，其性能优异，适应于多种CPU和多种硬件平台；其内核的结构在网络方面非常完整，支持网络中最常用的UDP、TCP/IP等协议，也提供了包括十兆、百兆、千兆的以太网络，以及无线网络，Toker ring(令牌环网)、光纤甚至卫星的支持；其还是一个开源系统，软件移植容易，代码开放，有许多应用软件支持，应用产品开发周期短。此外，该核心板增减了程序远程下载、程序远程启动、采样值数据API(so)、事件信息API(so)和开关量输出API(so)的功能。
本实施例中，采用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，同时具有过采样保持及数字滤波功能，保证采样的可靠性及精确性。A/D芯片AD7606与CPU之间数据交换采样高速SPI总线。
本实施例中，A/D芯片与CPU处理器间的数据传输均加有磁隔离。遥信输入及遥控输出均采用光电隔离方式，且遥控输出加有硬件防护。继电器均采用双刀同步继电器支持硬件动作返回节点，确保输出的可靠性。所采用的电解电容、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。
本实施例中，所述馈线采集控制单元用于实现馈线终端设备(FTU)的功能，所述同步相量采集单元用于实现同步相量测量装置(PMU)的功能，所述电能质量监测单元用于实现电能质量监测装置(PQ)的功能。
具体的，所述馈线采集控制单元的功能具体包括：
a)测量功能，包括：
测量三相电压(Va、Vb、Vc、Uab、Ubc、Uac)和零序电压(Vx)；测量三相电流(零序电流)Ia、Ib(I0)和Ic；测量频率；计算平均电流、有功、无功、功率因素、视在功率、相角和谐波等。
b)本地/远程显示功能，包括：
开关分/合位置显示；远方/就地状态显示；接地“闭锁”状态显示；接地故障显示；相故障显示；交流失电显示；电池欠压显示；电池活化显示；电池管理模块故障显示；DC12V工作电源故障显示；DC48V控制电源故障显示；
c)事件记录功能，包括：SOE事件记录；遥控事件记录；遥测周期事件记录；系统运行日志记录。
所述同步相量采集单元的功能具体包括：
a)同步性：以精确的同步时钟信号(如GPS)作为采样过程的基准，使各个远方节点的相量之间存在着确定统一的相位关系。相量测量能利用同步时钟的秒脉冲信号同步装置的采样脉冲，采样脉冲的同步误差应不大于±1μs；
b)实时性：在高速通信系统的支撑下，能实时地将各种数据传送至多个主站，并接收各主站的相应命令；
c)高速度：具有高速的内部数据总线和对外通信接口，满足大量实时数据的测量、存贮和对外发送；
d)高精度：具有足够高的测量精度，A/D选用16位，装置测量环节产生的信号相移必须要进行补偿，装置的测量精度包括幅值和相角的精度；
e)选用角差符合小于0.1度的要求且精度高求的电压电流互感器，硬件回路设计充分考虑相移带来的影响；
f)实时测量和显示三相基波电压相量、三相基波电流相量、基波正序电压相量、基波正序电流相量、有功功率、无功功率、系统频率、开关状态；
g)可接收来自其他装置的同步时钟信号和PPS脉冲信号；
h)与主站通信协议遵照《GB/T 26865.2-2011电力系统实时动态监测系统第2部分：数据传输协议》的规定要求；
i)动态数据记录功能；
j)故障录波：存10组录波信息，故障前1S，故障后2S，按每周波128点采样数据存储，3秒的数据所需要的内存是：每组录波数据所需内存：128*(3000/20)*8*2＝3072000个字节，即需要3兆字节的内存，10组录波数据为30M字节的内存。
关于故障录波：通信要求符合COMTRADE的输出数据模型规范。参见《DL/T553-2013电力系统动态记录装置通用技术条件》的附录B。
k)数据存储：采用32GTF卡实现。
本发明一种配电网综合配电终端具有较高的采样率，并且在分布式部署后，各采集单元时间同步，通过各采集单元对采集节点进行分布式电能质量分析，对电压暂升暂降、电压波动与闪变、高次谐波的幅值、频率抖动等进行实时计算，为配电网的故障定位、电能质量优化、谐波治理提供了丰富的数据，为大规模配电网的可靠性和自愈性提供原始准确数据，为配电网的可靠、自愈、可治理提供了前提条件，能够满足未来主动配电网发展对终端设备的技术要求。
本发明一种配电网综合配电终端可以在故障扰动后实时监视、记录动态数据，可以预测配电网的稳定性，并提供相应的控制策略，防止突发故障产生时控制策略不足。当预测到配电网将失去暂态稳定时，可按预定方案对配电网采取紧急措施，防止系统崩溃。
本发明一种配电网综合配电终端可得到系统高精度实时数据，使得状态估计从大规模的非线性计算问题转化为线性的估计算法，不仅大大提高状态估计的精度，而且能大量缩短计算时间，更有利于实时分析计算和暂态过程控制。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种配电网综合配电终端，其特征在于，包括：综合测控模块和通信管理模块；所述综合测控模块包括馈线采集控制单元、同步相量采集单元、电能质量监测单元和以太网交换单元；所述通信管理模块包括数据集中处理单元和时钟同步单元；所述时钟同步单元与所述数据集中处理单元、馈线采集控制单元、同步相量采集单元、电能质量监测单元分别相连以进行对时；所述以太网交换单元与所述数据集中处理单元通过以太网口相连；所述馈线采集控制单元、同步相量采集单元、电能质量监测单元均与所述以太网交换单元相连以进行以太网通信；所述馈线采集控制单元、电能质量监测单元均通过SPI接口与所述同步相量采集单元相连以进行SPI通信。
2.根据权利要求1所述的配电网综合配电终端，其特征在于，所述配电网综合配电终端还包括A/D转换芯片；所述同步相量采集单元与A/D转换芯片相连以采集交流模拟量。
3.根据权利要求1所述的配电网综合配电终端，其特征在于，所述时钟同步单元基于GPS、北斗、IEEE1588和/或IRIG-B时钟进行对时。
4.根据权利要求1所述的配电网综合配电终端，其特征在于，所述时钟同步单元与所述数据集中处理单元、馈线采集控制单元FTU、同步相量采集单元PMU、电能质量监测单元PQ分别通过一路串行接口和一路秒脉冲接口相连。
5.根据权利要求4所述的配电网综合配电终端，其特征在于，所述时钟同步单元与所述数据集中处理单元、馈线采集控制单元FTU、同步相量采集单元PMU、电能质量监测单元PQ之间均设置有磁耦隔离器。
6.根据权利要求1所述的配电网综合配电终端，其特征在于，所述馈线采集控制单元和电能质量监测单元均通过以太网口与所述以太网交换单元相连。
7.根据权利要求1所述的配电网综合配电终端，其特征在于，所述同步相量采集单元通过具有SPI接口转网口功能的网络接口芯片与所述以太网交换单元相连。
8.根据权利要求1所述的配电网综合配电终端，其特征在于，所述馈线采集控制单元采用型号为STM32F407的CPU。
9.根据权利要求1所述的配电网综合配电终端，其特征在于，所述同步相量采集单元、电能质量监测单元和时钟同步单元均采用型号为STM32F427的CPU。
10.根据权利要求1所述的配电网综合配电终端，其特征在于，所述数据集中处理单元采用型号为AM-335X的核心板。
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