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        運(yùn)行功耗動(dòng)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(hù)及測(cè)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(kāi)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(jí)電容或蓄電池作為后備電源。以饋線終端為例,一般來(lái)說(shuō),超級(jí)電容的后備電源供電時(shí)間不小于15min,壽命約為5 年;蓄電池后備電源供電時(shí)間不小于4h,壽命約為2 年。

        以前運(yùn)行的配電終端功能很少,只有兩遙(遙信、遙測(cè))功能,只能起到監(jiān)視線路狀態(tài)的作用。如今因配電自動(dòng)化加速推進(jìn),對(duì)配電終端功能的要求越來(lái)越高,不僅要滿足基本的三遙(遙信、遙測(cè)、遙控)功能,還要具備接地故障判別、電壓時(shí)間型饋線自動(dòng)化、線損計(jì)量、一次開(kāi)關(guān)的在線監(jiān)測(cè)功能等。同時(shí),對(duì)配電終端的計(jì)算能力也提出了更高的要求,終端的功耗因此提高,對(duì)后備電源容量的要求也越來(lái)越高。目前使用的后備電源主要為蓄電池,其2~3 年維護(hù)一次已顯得較為繁瑣。用戶更希望使用容量稍大的超級(jí)電容,壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本低,但超級(jí)電容僅能維持15min 的供電時(shí)間。后備電源的容量受成本、體積、質(zhì)量的限制,不能無(wú)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(zhǎng)后備電源的供電時(shí)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(jì)算芯片,并盡量減少模擬量、通信及開(kāi)入開(kāi)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(qiáng),外部通道數(shù)量的減少也導(dǎo)致饋線終端擴(kuò)展能力差,不能滿足復(fù)雜情況下配電自動(dòng)化的需要。文獻(xiàn)[6]是配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)通信終端的開(kāi)發(fā),主要選用低功耗元器件降低功耗。文獻(xiàn)[7]主要從終端芯片和一次開(kāi)關(guān)入手來(lái)降低功耗。文獻(xiàn)[8]對(duì)配電終端CPU 給出一套調(diào)度算法,但是實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜并且中斷周期較長(zhǎng),不符合配電終端發(fā)展趨勢(shì)。本文介紹一種功耗動(dòng)態(tài)變化的饋線終端,可根據(jù)線路實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整運(yùn)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(shí)間。

        1 配電終端硬件設(shè)計(jì)

        以饋線終端為例,介紹硬件設(shè)計(jì)方案。按照功能來(lái)列舉,饋線終端至少應(yīng)有遙測(cè)、遙信、遙控、保護(hù)、通信和人機(jī)界面等功能模塊。按照模塊化設(shè)計(jì)思路,將每一部分功能設(shè)計(jì)成一個(gè)單獨(dú)的模塊,拆分為CPU 模塊、模擬量模塊、電源模塊、開(kāi)入模塊、開(kāi)出模塊、通信模塊,最終通過(guò)一個(gè)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(chǎng)可編程門(mén)陣列(field programmable gate array,FPGA)芯片,負(fù)責(zé)采樣計(jì)算和各種邏輯計(jì)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(jì)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(shí)具有RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口,負(fù)責(zé)網(wǎng)口對(duì)外通信。

        1.2 模擬量模塊

        模擬量輸入功能由模擬量模塊實(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換為A-D 芯片可以采樣的小電壓電流信號(hào)。饋線終端需要采集開(kāi)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(kāi)關(guān)兩側(cè)的電壓既供電又采樣,是判斷線路運(yùn)行狀態(tài)的重要信息,故無(wú)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(jì)為可關(guān)斷,減少功耗。

        1.3 開(kāi)入模塊

        一次開(kāi)關(guān)側(cè)傳來(lái)的開(kāi)關(guān)量至少有開(kāi)關(guān)分位、開(kāi)關(guān)合位、未儲(chǔ)能位,終端內(nèi)部電源管理模塊也會(huì)有3~4 個(gè)開(kāi)關(guān)量需要采集,再加上遠(yuǎn)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(kāi)入進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中,開(kāi)關(guān)分位與開(kāi)關(guān)合位是最重要的開(kāi)關(guān)量信息,除這兩路開(kāi)入外,其他開(kāi)入電路設(shè)計(jì)為可關(guān)斷。

        1.4 開(kāi)出模塊

        開(kāi)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(kāi)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??刂崎_(kāi)關(guān)分、合為基本功能,開(kāi)出模塊設(shè)計(jì)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(duì)上無(wú)線通信、本地運(yùn)維、接入線損模塊數(shù)據(jù)。本地運(yùn)維和接入線損模塊數(shù)據(jù)串口設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)小結(jié)

        在滿足饋線終端功能要求的前提下,對(duì)各個(gè)模塊針對(duì)功耗進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)低功耗模式和全功耗模式兩種狀態(tài),低功耗模式時(shí)通過(guò)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(shí)現(xiàn)。默認(rèn)狀態(tài)下,硬件處于全功耗模式運(yùn)行狀態(tài)。

        2 配電終端軟件設(shè)計(jì)

        2.1 軟件模塊組成

        配電終端的軟件由保護(hù)功能、測(cè)量控制、通信和功耗控制四個(gè)部分組成。

        1)保護(hù)功能。三段過(guò)電流保護(hù)、二段零序過(guò)電流保護(hù)、三次重合閘、電壓時(shí)間型饋線自動(dòng)化、接地故障判別等保護(hù)功能。

        2)測(cè)量控制。實(shí)時(shí)的電壓、電流、頻率和功率的計(jì)算,遙控功能,同期功能。

        3)通信。對(duì)上通信,支持的規(guī)約有國(guó)網(wǎng)101、國(guó)網(wǎng)104、南網(wǎng)101、南網(wǎng)104 等,可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行擴(kuò)展與開(kāi)發(fā)。

        4)功耗控制。根據(jù)采集到的模擬量、開(kāi)關(guān)量判斷終端運(yùn)行狀態(tài),對(duì)終端功耗進(jìn)行相應(yīng)控制。

        2.2 功耗控制邏輯

        將裝置運(yùn)行模式分為兩種:全功耗運(yùn)行模式和低功耗運(yùn)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(kāi)放所有通道,低功耗模式下模擬量采集模塊僅開(kāi)放兩路電壓采集通道,關(guān)斷其他通道。

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

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

        5)全功耗模式下通信模塊開(kāi)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(jī)制,通過(guò)模擬量、開(kāi)入量、通信狀態(tài)等指標(biāo)來(lái)判斷饋線終端的運(yùn)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(shí),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(shí)間超過(guò)閾值后,切換為低功耗模式;饋線終端處于低功耗模式時(shí),當(dāng)電壓模擬量高于閾值并持續(xù)時(shí)間超過(guò)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(shí),若檢測(cè)到遙信輸入量的變化,則自動(dòng)切換為全功耗模式,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間閾值后,若模擬量采樣值不能達(dá)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(guò)通信模塊可以與配電主站進(jìn)行通信,配電主站發(fā)出遙控指令時(shí),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(guò)通信模塊可以與配電網(wǎng)主站進(jìn)行通信,配電網(wǎng)主站可主動(dòng)發(fā)出指令,切換饋線終端運(yùn)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(guò)以上四種邏輯,在正常運(yùn)行工況下,饋線終端可以自行判斷運(yùn)行模式,實(shí)現(xiàn)功耗的動(dòng)態(tài)變化。

        低功耗模式下,饋線終端仍保留了基本的開(kāi)關(guān)位置采集、線路電壓采集、基本保護(hù)(過(guò)電流及告警功能)和對(duì)上串口101 規(guī)約通信功能。現(xiàn)場(chǎng)一般只有在線路故障或停運(yùn)的狀態(tài)下,饋線終端才會(huì)進(jìn)入低功耗模式,雖然減少了一部分模擬量采集、開(kāi)入和開(kāi)出通道,但不會(huì)給饋線終端的現(xiàn)場(chǎng)使用帶來(lái)問(wèn)題。

        3 測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

        3.1 測(cè)試

        饋線終端軟硬件開(kāi)發(fā)完成后,配合63V、84F超級(jí)電容,終端功耗及后備電源帶電時(shí)間見(jiàn)表1。

        表1 終端功耗和后備電源測(cè)試結(jié)果

        經(jīng)過(guò)測(cè)試,在低功耗模式下,后備電源帶電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)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(chǔ)能),相比全功耗模式后備電源帶電時(shí)間增加30%左右,效果達(dá)到預(yù)期。

        3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

        2019 年10 月,在廣東廣州若干配電網(wǎng)架空線路試運(yùn)行一批帶超級(jí)電容后備電源的運(yùn)行功耗動(dòng)態(tài)變化的饋線終端,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員及運(yùn)行后用戶反饋,后備電源帶電時(shí)間均達(dá)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(chǎng)運(yùn)行達(dá)到預(yù)期目的。

        4 結(jié)論

        本文介紹了一種運(yùn)行功耗動(dòng)態(tài)變化的配電終端,根據(jù)線路運(yùn)行情況可以降低終端功耗,配合大容量的超級(jí)電容,可以達(dá)到鉛酸蓄電池的供電水平,超級(jí)電容相比鉛酸蓄電池壽命長(zhǎng)、損耗低,可以極大地減少用戶的運(yùn)維成本。延長(zhǎng)后備電源帶電時(shí)間可以給線路檢修和故障排查留出更多的時(shí)間,使終端在線時(shí)間更長(zhǎng),便于遠(yuǎn)程控制。研究成果達(dá)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(jí)穩(wěn)定性較高的芯片,相對(duì)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(shí)的運(yùn)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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