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        運行功耗動態(tài)變化的配電終端研發(fā)與應(yīng)用

        2021-04-24 07:59:34王霄翔王文龍
        電氣技術(shù) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:模擬量饋線低功耗

        王霄翔 王文龍

        (南京南瑞繼保電氣有限公司,南京 211102)

        0 引言

        配電終端一般分為站所終端和饋線終端。饋線終端一般用于柱上架空線路的保護及測量,形態(tài)上主要區(qū)分為罩式饋線終端和箱式饋線終端兩種類型。站所終端一般在開閉所或環(huán)網(wǎng)柜內(nèi),大多為集中式。饋線終端和站所終端均配備超級電容或蓄電池作為后備電源。以饋線終端為例,一般來說,超級電容的后備電源供電時間不小于15min,壽命約為5 年;蓄電池后備電源供電時間不小于4h,壽命約為2 年。

        以前運行的配電終端功能很少,只有兩遙(遙信、遙測)功能,只能起到監(jiān)視線路狀態(tài)的作用。如今因配電自動化加速推進,對配電終端功能的要求越來越高,不僅要滿足基本的三遙(遙信、遙測、遙控)功能,還要具備接地故障判別、電壓時間型饋線自動化、線損計量、一次開關(guān)的在線監(jiān)測功能等。同時,對配電終端的計算能力也提出了更高的要求,終端的功耗因此提高,對后備電源容量的要求也越來越高。目前使用的后備電源主要為蓄電池,其2~3 年維護一次已顯得較為繁瑣。用戶更希望使用容量稍大的超級電容,壽命長、維護成本低,但超級電容僅能維持15min 的供電時間。后備電源的容量受成本、體積、質(zhì)量的限制,不能無限增大,如何在滿足功能需求的前提下控制饋線終端的功耗顯得十分重要[1-5]。

        為了延長后備電源的供電時間、降低饋線終端的功耗,有些研究人員選擇功耗低的芯片作為主計算芯片,并盡量減少模擬量、通信及開入開出的接口數(shù)量,這樣可以大幅度降低饋線終端的功耗,但功耗低的芯片性能不強,外部通道數(shù)量的減少也導(dǎo)致饋線終端擴展能力差,不能滿足復(fù)雜情況下配電自動化的需要。文獻[6]是配電網(wǎng)監(jiān)測通信終端的開發(fā),主要選用低功耗元器件降低功耗。文獻[7]主要從終端芯片和一次開關(guān)入手來降低功耗。文獻[8]對配電終端CPU 給出一套調(diào)度算法,但是實現(xiàn)較為復(fù)雜并且中斷周期較長,不符合配電終端發(fā)展趨勢。本文介紹一種功耗動態(tài)變化的饋線終端,可根據(jù)線路實際情況動態(tài)調(diào)整運行工況,在后備電源大小不增加的情況下增加后備電源供電時間。

        1 配電終端硬件設(shè)計

        以饋線終端為例,介紹硬件設(shè)計方案。按照功能來列舉,饋線終端至少應(yīng)有遙測、遙信、遙控、保護、通信和人機界面等功能模塊。按照模塊化設(shè)計思路,將每一部分功能設(shè)計成一個單獨的模塊,拆分為CPU 模塊、模擬量模塊、電源模塊、開入模塊、開出模塊、通信模塊,最終通過一個總線板將所有模塊連接在一起。饋線終端硬件框圖如圖1所示。

        圖1 饋線終端硬件框圖

        1.1 CPU 模塊

        CPU 模塊包含雙核處理器、雙路A-D 采樣芯片和現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)芯片,負(fù)責(zé)采樣計算和各種邏輯計算。為滿足小電流接地、高速錄波等高性能需求,選取最高主頻為866MHz 的處理器。該處理器支持主頻調(diào)節(jié),將默認(rèn)主頻設(shè)定在866MHz,計算能力滿足各種需求;低功耗切換主頻后為667MHz,功耗降低,能滿足基本需求。CPU 模塊同時具有RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口,負(fù)責(zé)網(wǎng)口對外通信。

        1.2 模擬量模塊

        模擬量輸入功能由模擬量模塊實現(xiàn),由若干小PT/小CT 組成,主要作用是將一次互感器的二次信號轉(zhuǎn)換為A-D 芯片可以采樣的小電壓電流信號。饋線終端需要采集開關(guān)兩側(cè)電壓、零序電壓、三相電流及零序電流,再增加一路直流電壓采集用于監(jiān)視后備電源的電壓,共8 路模擬量。開關(guān)兩側(cè)的電壓既供電又采樣,是判斷線路運行狀態(tài)的重要信息,故無論任何情況均需要保證這兩路電壓的采樣,其他幾路采樣設(shè)計為可關(guān)斷,減少功耗。

        1.3 開入模塊

        一次開關(guān)側(cè)傳來的開關(guān)量至少有開關(guān)分位、開關(guān)合位、未儲能位,終端內(nèi)部電源管理模塊也會有3~4 個開關(guān)量需要采集,再加上遠方就地、就地分合閘按鈕等本地信息遙信,并預(yù)留2~3 路遙信備用,一共按照14 路開入進行設(shè)計。其中,開關(guān)分位與開關(guān)合位是最重要的開關(guān)量信息,除這兩路開入外,其他開入電路設(shè)計為可關(guān)斷。

        1.4 開出模塊

        開出模塊包含多路繼電器的輸出,負(fù)責(zé)終端出口功能,需要控制開關(guān)分、合和控制電源管理模塊活化、停止活化,一共需要兩組(四路)出口。控制開關(guān)分、合為基本功能,開出模塊設(shè)計為整體可關(guān)斷。

        1.5 通信模塊

        通信模塊主要負(fù)責(zé)串口通信和外置液晶功能。饋線終端需要具備至少3 路串口,分別用于對上無線通信、本地運維、接入線損模塊數(shù)據(jù)。本地運維和接入線損模塊數(shù)據(jù)串口設(shè)計為可關(guān)斷,在特定條件下節(jié)省裝置功耗。通信模塊還具備一路外接液晶模塊的輸出接口,可以外接液晶操作界面,根據(jù)需要外接液晶模塊的輸出可關(guān)斷。

        1.6 電源模塊

        電源模塊負(fù)責(zé)終端電源的供給,輸入為DC 24V。設(shè)計兩種工作狀態(tài),正常態(tài)穩(wěn)態(tài)最大輸出為10W,低功耗態(tài)穩(wěn)態(tài)最大輸出為5W。

        1.7 硬件設(shè)計小結(jié)

        在滿足饋線終端功能要求的前提下,對各個模塊針對功耗進行優(yōu)化,設(shè)計低功耗模式和全功耗模式兩種狀態(tài),低功耗模式時通過硬件IO 關(guān)斷一部分電路,降低功耗,硬件IO 的控制由軟件實現(xiàn)。默認(rèn)狀態(tài)下,硬件處于全功耗模式運行狀態(tài)。

        2 配電終端軟件設(shè)計

        2.1 軟件模塊組成

        配電終端的軟件由保護功能、測量控制、通信和功耗控制四個部分組成。

        1)保護功能。三段過電流保護、二段零序過電流保護、三次重合閘、電壓時間型饋線自動化、接地故障判別等保護功能。

        2)測量控制。實時的電壓、電流、頻率和功率的計算,遙控功能,同期功能。

        3)通信。對上通信,支持的規(guī)約有國網(wǎng)101、國網(wǎng)104、南網(wǎng)101、南網(wǎng)104 等,可根據(jù)實際需要進行擴展與開發(fā)。

        4)功耗控制。根據(jù)采集到的模擬量、開關(guān)量判斷終端運行狀態(tài),對終端功耗進行相應(yīng)控制。

        2.2 功耗控制邏輯

        將裝置運行模式分為兩種:全功耗運行模式和低功耗運行模式。

        1)全功耗模式下CPU 主頻設(shè)定為866MHz,低功耗模式下CPU 主頻設(shè)定為667MHz。

        2)全功耗模式下模擬量采集模塊開放所有通道,低功耗模式下模擬量采集模塊僅開放兩路電壓采集通道,關(guān)斷其他通道。

        3)全功耗模式下開入模塊開放所有通道,低功耗模式下開入模塊僅能采集兩路開入(開關(guān)合位和開關(guān)分位),關(guān)斷其他通道。

        4)全功耗模式下開出模塊開放所有通道,低功耗模式下開出模塊整體關(guān)斷。

        5)全功耗模式下通信模塊開放所有串口和外置液晶輸出功能,低功耗模式下僅支持一路RS 232 串口,關(guān)斷其他串口和外置液晶輸出功能。

        CPU 模塊有一套饋線終端工作狀態(tài)的判斷機制,通過模擬量、開入量、通信狀態(tài)等指標(biāo)來判斷饋線終端的運行狀態(tài),可以控制終端在全功耗模式與低功耗模式之間切換。功耗切換邏輯包括:

        1)饋線終端處于全功耗模式時,根據(jù)當(dāng)前模擬量輸入情況,當(dāng)電壓、電流模擬量低于閾值并持續(xù)時間超過閾值后,切換為低功耗模式;饋線終端處于低功耗模式時,當(dāng)電壓模擬量高于閾值并持續(xù)時間超過閾值后,切換為全功耗模式,邏輯框圖如圖2所示。

        圖2 切換邏輯1

        2)饋線終端處于低功耗模式時,若檢測到遙信輸入量的變化,則自動切換為全功耗模式,經(jīng)過一定時間閾值后,若模擬量采樣值不能達到閾值,則饋線終端切換為低功耗模式,邏輯框圖如圖3 所示。

        圖3 切換邏輯2

        3)CPU 模塊通過通信模塊可以與配電主站進行通信,配電主站發(fā)出遙控指令時,CPU 模塊立即發(fā)出指令喚醒饋線終端,切換至全功耗模式,邏輯框圖如圖4 所示。

        圖4 切換邏輯3

        4)CPU 模塊通過通信模塊可以與配電網(wǎng)主站進行通信,配電網(wǎng)主站可主動發(fā)出指令,切換饋線終端運行模式為全功耗模式或低功耗模式,邏輯框圖如圖5 所示。

        圖5 切換邏輯4

        通過以上四種邏輯,在正常運行工況下,饋線終端可以自行判斷運行模式,實現(xiàn)功耗的動態(tài)變化。

        低功耗模式下,饋線終端仍保留了基本的開關(guān)位置采集、線路電壓采集、基本保護(過電流及告警功能)和對上串口101 規(guī)約通信功能?,F(xiàn)場一般只有在線路故障或停運的狀態(tài)下,饋線終端才會進入低功耗模式,雖然減少了一部分模擬量采集、開入和開出通道,但不會給饋線終端的現(xiàn)場使用帶來問題。

        3 測試與現(xiàn)場應(yīng)用

        3.1 測試

        饋線終端軟硬件開發(fā)完成后,配合63V、84F超級電容,終端功耗及后備電源帶電時間見表1。

        表1 終端功耗和后備電源測試結(jié)果

        經(jīng)過測試,在低功耗模式下,后備電源帶電時間長達5h30min,包含饋線終端帶柱上SF6斷路器三次分閘、三次合閘(包含儲能),相比全功耗模式后備電源帶電時間增加30%左右,效果達到預(yù)期。

        3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

        2019 年10 月,在廣東廣州若干配電網(wǎng)架空線路試運行一批帶超級電容后備電源的運行功耗動態(tài)變化的饋線終端,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試人員及運行后用戶反饋,后備電源帶電時間均達到4.5h 以上,與配備鉛酸蓄電池的常規(guī)饋線終端性能指標(biāo)一樣,現(xiàn)場運行達到預(yù)期目的。

        4 結(jié)論

        本文介紹了一種運行功耗動態(tài)變化的配電終端,根據(jù)線路運行情況可以降低終端功耗,配合大容量的超級電容,可以達到鉛酸蓄電池的供電水平,超級電容相比鉛酸蓄電池壽命長、損耗低,可以極大地減少用戶的運維成本。延長后備電源帶電時間可以給線路檢修和故障排查留出更多的時間,使終端在線時間更長,便于遠程控制。研究成果達到了預(yù)期目的。

        配電終端應(yīng)用在電力行業(yè),使用的芯片均采用工業(yè)級穩(wěn)定性較高的芯片,相對于一些通信芯片,此種芯片在功耗控制和頻率調(diào)節(jié)方面能力較弱,不能大幅度降低空載時的運行功耗,故本文的功耗調(diào)節(jié)范圍仍然不夠大,后續(xù)還需要在保證終端功能的前提下,在軟硬件雙重層面尋找減少終端功耗的可能。

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