吳小軍

（上海天洲電器集團有限公司，上海201901）

在智能電網(wǎng)的發(fā)展過程中，實現(xiàn)配網(wǎng)自動化有利于提高供電質(zhì)量和改進配電管理效率。智能饋線終端對電網(wǎng)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，實現(xiàn)故障線路的識別、定位、隔離以及非故障區(qū)恢復供電；與配電主站組成配電自動化系統(tǒng)，按照通信協(xié)議（101/104 規(guī)約）主動向配電主站上報故障事件和接受主站下達命令。目前，我國6～35kV中壓配電網(wǎng)廣泛采用小電流接地系統(tǒng)，其特點是當發(fā)生接地故障時，故障電流很小，允許設備短時間運行，提高供電可靠性。需要注意的是，相間電壓升高會給設備絕緣帶來危害，長時間運行對設備絕緣造成嚴重威脅，甚至引發(fā)相間短路故障。計算機與電子技術的發(fā)展，高精度高采樣率的數(shù)據(jù)采集使基于暫態(tài)分析的故障定位技術達到了實用化水平。本文設計選用STM32F407 作為電量計算、保護邏輯判定、控制輸出的主控制器，MAX11046 作為多通道高精度同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，結(jié)合二者優(yōu)勢構(gòu)建新型智能饋線終端。實際性能測試結(jié)果表明，該裝置具有較高的交流采集精度，相關技術性能和功能指標滿足基于暫態(tài)電量分析的故障定位技術要求。

1 設計背景與方案

配網(wǎng)自動化管理系統(tǒng)中，需要對電網(wǎng)進行實時精確監(jiān)控和故障定位分析。智能饋線終端通常安裝在配電網(wǎng)架空線路桿塔等處，是一款集四遙（遙測、遙信、遙控、遙調(diào)）、保護和通信于一體的配網(wǎng)自動化產(chǎn)品。它一般由交直流模擬量采集、開關量狀態(tài)輸入檢測、無源控制出口以及多種通信接口等組成。就本文所設計的方案而言，交流信號經(jīng)互感器電氣隔離后，通過信號調(diào)理電路將其送入多通道同步采樣器，微控制器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果進行電量計算；開關位置信號經(jīng)電氣隔離后由微控制器處理，根據(jù)保護邏輯實時判定并輸出，包括事件記錄，故障錄波，狀態(tài)指示和繼電器出口等。綜上所述，設計方案考慮如下：硬件構(gòu)成上以STM32F407 微控制器為運算處理器、MAX11046 多通道同步采樣轉(zhuǎn)換器為高精度采集核心部件，結(jié)合圖形化可編程保護邏輯，共同構(gòu)建嵌入式測控一體化平臺。其中，微控制器單元負責運行算法、執(zhí)行邏輯和多種通信（RS232/RS485/以太網(wǎng)）功能，并運行FreeRTOS 實時多任務操作系統(tǒng)，功能軟件模塊化，提升了執(zhí)行效率和擴展能力。

2 硬件設計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)。就智能饋線終端核心單元硬件構(gòu)成而言，主要包括模擬量采集電路設計、開關量電路設計（含狀態(tài)輸入檢測和無源控制輸出）、多種通信接口以及數(shù)據(jù)存儲等，模塊之間通過高速并/串行總線相連，擴展簡易方便。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 模擬量采集電路。模擬量采集電路分為交流模擬量和直流模擬量兩部分。前者對電網(wǎng)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，實現(xiàn)對電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)等電量的計算，提供給保護邏輯判斷；后者用于采集工作環(huán)境等數(shù)據(jù)，如后備電源電壓、航空插頭接口處溫濕度等信息。

2.2.1 交流模擬量。由于配電網(wǎng)中存在感性或者容性負載引起相位偏移，同時又需要監(jiān)測此相移，因此在設計上采用高精度多通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX11046，為交流模擬量提供高效的數(shù)據(jù)采集。其具有8 個帶有采樣保持（T/H）獨立輸入通道，能夠?qū)崿F(xiàn)250kbps 采樣速率，它具備以下特點：（1）極高的輸入阻抗（1GΩ），減少了精密運放的使用；（2）真正的雙極性信號，無需電位平移電路；（3）單電源供電，節(jié)省了電源模塊和PCB 尺寸；（4）高信噪比和低溫漂，保證了不同環(huán)境的測量穩(wěn)定性。針對本文設計的智能饋線終端，電網(wǎng)信號是在繼電保護測試源的持續(xù)激勵下產(chǎn)生，裝置通過內(nèi)部電壓/電流互感器實現(xiàn)電氣隔離，將互感器次級傳感信號送至信號調(diào)理電路變換成符合模數(shù)轉(zhuǎn)換器的測量范圍。因此，設計上需要考慮雙極性±5V信號的輸入量程。采集過程中會依次經(jīng)過多個調(diào)理電路，具體如下：（1）Π 型低通濾波器，濾除互感器次級輸出信號的高頻部分；（2）雙向限幅電路，保護精密測量電路不受損壞；（3）電壓比較電路，提高電網(wǎng)在出現(xiàn)頻率波動時的數(shù)據(jù)采集精度。2.2.2直流模擬量。不同于交流模擬量信號可以利用互感器實現(xiàn)電氣隔離，設計上必須采用新的方式實現(xiàn)電氣化隔離。具體方案：首先將外部直流量轉(zhuǎn)換為跟信號幅度成正比例關系的脈沖信號，然后將其輸至高速光電耦合器從而實現(xiàn)電氣隔離。AD7740 作為低功耗同步幅頻轉(zhuǎn)換器，采用電荷平衡轉(zhuǎn)換技術，具有工作范圍寬，對外部元件要求小，輸出頻率準確，無需調(diào)整和校準的優(yōu)點。

2.3 開關量電路。開關量電路設計包括開關量狀態(tài)輸入檢測和無源控制輸出。前者用于檢測開關位置狀態(tài)，后者用于保護跳閘（分/合閘控制）、遙控和告警等出口。2.3.1 開入量。開入量常用于檢測斷路器合、分位置以及儲能等狀態(tài)。遙信回路電壓24VDC，輸入為無源節(jié)點；采用軟硬件相結(jié)合的防誤措施，其中軟件防抖可實現(xiàn)10～1000ms 設置（默認200ms），硬遙信分辨率小于2ms。2.3.2 開出量。根據(jù)保護邏輯執(zhí)行結(jié)果，按照用戶設置方式進行繼電器輸出，支持脈沖、電平和同步三種方式。遙控輸出支持軟壓板閉鎖和硬壓板輸出控制，雙重保護設計保證其操作的準確性和可靠性。

2.4 通信接口。智能饋線終端通常會配置線損模塊、4G模塊和工業(yè)路由器等配件。因此，通信接口通常分為串口通信和網(wǎng)絡通信。其中，串口通信主要接入線損模塊和串口版4G模塊，網(wǎng)絡通信主要接入工業(yè)路由器（網(wǎng)口版4G模塊）和配電主站。

3 軟件設計

智能饋線終端的軟件設計主要包括底層驅(qū)動程序，F(xiàn)reeRTOS實時多任務操作系統(tǒng)和用戶功能軟件等。與uC/OS-II 操作系統(tǒng)直接開關中斷實現(xiàn)臨界區(qū)保護不同，受ARM CM4F 內(nèi)核支持，F(xiàn)reeRTOS 實時多任務操作系統(tǒng)可以設置中斷閾值進行選擇開關中斷實現(xiàn)臨界區(qū)保護。根據(jù)上述特性，將功能劃分為獨立于操作系統(tǒng)運行和接受操作系統(tǒng)管理兩大類。前者適用于緊急時事務處理，特點是實時性高，處理時間短，涉及交流周期采樣和測頻功能；后者適用于操作系統(tǒng)管理提高實時性能，涉及測量計算、保護算法邏輯、通信收發(fā)規(guī)約、秒級任務和后臺保存等功能?？傮w任務關聯(lián)如圖2 所示。

3.1 交直流采集任務設計

圖2 總體任務關聯(lián)圖

圖3 小電流接地流程圖

交流采集任務采集電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)，直流采集任務采集低速慢變信號。與傳統(tǒng)前后臺系統(tǒng)大循環(huán)設計相比，運行在FreeRTOS實時多任務操作系統(tǒng)上的軟件依靠系統(tǒng)資源將中斷服務程序和用戶任務關聯(lián)，實現(xiàn)高優(yōu)先級中斷和低優(yōu)先級任務的翻轉(zhuǎn)，提升軟件執(zhí)行效率。3.1.1 交流量采樣。隨著計算機控制技術和電子技術的發(fā)展，基于暫態(tài)分析的故障定位技術取得了突破性進展。依照《Q/GDW11815-2018 配電自動化終端技術規(guī)范》錄波要求，同時結(jié)合暫態(tài)電量分析需要，本文設計的終端每周波采樣80 點，能夠很好的捕捉到暫態(tài)過程，從而保證有足夠多的點反映暫態(tài)狀態(tài)。為降低處理器運算負荷，每1/4 周波執(zhí)行一次保護計算，每2 周波執(zhí)行一次諧波計算。交流采樣任務屬于事件觸發(fā)型任務，具體過程為采樣定時器觸發(fā)ADC 啟動轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換完成時觸發(fā)硬件中斷，在中斷服務程序（ISR）中只進行讀取結(jié)果等少量操作，盡量減少中斷服務程序占用處理器時間；通過信號量觸發(fā)關聯(lián)任務，在關聯(lián)任務內(nèi)執(zhí)行保護算法，從而提高系統(tǒng)硬實時性響應。3.1.2 直流量采集。直流量采集利用秒中斷控制脈沖采集時間窗口，同時秒也作為順序事件記錄時間戳的重要組成，因此秒中斷優(yōu)先級較高，然而對直流量的結(jié)果處理并不緊迫。在高優(yōu)先級的秒中斷服務程序中完成脈沖讀取并保存，通過信號量觸發(fā)低優(yōu)先級的關聯(lián)任務。操作系統(tǒng)將掛起低優(yōu)先級任務，運行就緒的高優(yōu)先級任務，從而提高系統(tǒng)軟實時性響應。

3.2 小電流接地故障定位設計。小電流接地故障定位是基于暫態(tài)電量分析的故障定位技術。首先對電量數(shù)據(jù)實時采集并循環(huán)記錄，同時對采樣數(shù)據(jù)進行離散傅里葉變換（DFT）后計算出電量參數(shù)，保護邏輯實時判斷零序電壓，一旦零序電壓大于保護整定值，則立即凍結(jié)記錄數(shù)據(jù)，由小電流接地算法判定生成結(jié)果。程序流程如圖3 所示。

3.3 圖形化可編程保護邏輯。智能饋線終端的保護邏輯往往都是固化在裝置軟件上，不同現(xiàn)場不同保護功能對應著不同版本的裝置固件，增加了生產(chǎn)難度和運維成本。本文所設計的圖形化可視邏輯編程，其核心思想是將所有的輸入/輸出、保護算法等功能虛擬化、模塊化、元件化，邏輯設計者僅需要簡單的拖拽、連線和設置，即可完成特定的保護功能。生產(chǎn)備貨時只需要固化基礎軟件；發(fā)貨時按照訂貨要求下載不同的配置；現(xiàn)場調(diào)試時，部分輸入輸出不能正常工作，運維人員只需要簡單修改即可切換至備用輸入/輸出口。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 參數(shù)設置

智能饋線終端核心單元由交采板、主控板、遙信遙控板、電源板等組成。結(jié)合小電流接地故障邏輯，針對基本測量功能和主要技術指標進行了實際測試和分析。測試過程如下：4.1.1 用戶設置：投入故障錄波控制字（KLBU0），設定U0 整定值6.5V；4.1.2 外部接線：交流量接入電流Ia,Ib,Ic；電壓Ua,Uc,U0,其中U0 作為啟動條件；4.1.3 測試條件：電壓額定值（Ue）：220.0V，電流額定值（Ie）：5.0A。

4.2 結(jié)果與分析。為了驗證智能饋線終端的高精度交流采樣，通過施加零序電壓（22.0V）觸發(fā)故障錄波，然后利用模擬主站軟件通過文件服務提取波形文件，最后用分析軟件計算測試誤差。結(jié)果如表1 所示。從表1 可以看出，測量精度實測值遠低于要求值，表明開發(fā)的裝置性能良好，滿足期望的技術要求，同時其他功能的測試結(jié)果也完全符合配網(wǎng)自動化終端技術規(guī)范要求。

結(jié)束語

配網(wǎng)自動化是智能電網(wǎng)發(fā)展過程中的重要組成部分。本文所述的智能饋線終端集測控于一體，具備基于暫態(tài)電量分析的小電流接地故障處理功能。圖形化可編程邏輯功能是該裝置的重要特色，將基礎固件和保護邏輯分離，符合工程化應用。

表1 實驗數(shù)據(jù)