張翠文

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引 言

近年來配電網(wǎng)安全事故頻發(fā)，經(jīng)常出現(xiàn)變壓器燒壞、大規(guī)模停電等現(xiàn)象，不僅為電力企業(yè)帶了經(jīng)濟損失，而且也影響了人們的日常生活。因此，提高電力系統(tǒng)供電質(zhì)量，保證電力設備可靠、安全運行成為了電力行業(yè)發(fā)展過程中的重要內(nèi)容，研制性能良好、功能全面的模塊化配電終端系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫。

1 基于智能模塊化的配電終端系統(tǒng)設計

1.1 配電終端系統(tǒng)功能分析

基于智能模塊化的配電終端系統(tǒng)主要具備以下功能。

（1）配電終端系統(tǒng)具有交流和直流轉(zhuǎn)換功能，當系統(tǒng)交流電失效時會自動切換至直流電供電，以保證系統(tǒng)的正常運行。

（2）可以讀取用戶用電信息，具備防竊電功能。

（3）能夠檢測電能質(zhì)量，并進行無功補償，可以改善電能質(zhì)量。

（4）防漏電保護功能，能夠檢測接地漏電等異常放電行為，保證用電安全。

（5）具備檢測數(shù)據(jù)自動上傳功能，能夠與主站進行實時通信，如接收后臺指令、數(shù)據(jù)等，同時也可以自動上傳配電終端系統(tǒng)檢測信息和用戶用電信息等。

由于采用模塊化設計，功能模塊之間互不干擾，能可靠且無故障地運行，配電終端系統(tǒng)性能要求如下文所述。

（1）高實時性：智能配電終端作為監(jiān)控裝置，其實時性要求較高。首先，須確保設備與所有外圍連接設備之間的通信，以便于正確處理監(jiān)測到的異常情況并防止設備損壞，同時主動上傳設備監(jiān)控的異常信息[1]。

（2）多種通信模式：基于模塊化的配電終端系統(tǒng)包括各種通信方式，如通用分組無線業(yè)務（General Packet Radio Service，GPRS）通信、網(wǎng)絡通信、光纖通信、中壓載波通信以及與主站的本地串口通信；外圍設備通信方式包括低壓載波通信、485通信等。多通信模式要求配電終端系統(tǒng)具備協(xié)同處理能力，不同通信模式之間的共存不可避免地導致一些矛盾，配電終端系統(tǒng)需要具備處理協(xié)調(diào)通信模式共存的能力。

（3）可擴展性：基于模塊化的配電終端系統(tǒng)對于擴展性要求較高，配電終端系統(tǒng)需要預留一些接口用于二次開發(fā)。

（4）模塊化設計：配電終端系統(tǒng)采用模塊化設計，因此其集成度較高。在功能不變的情況下，體積比以前的設備小。此外，模塊化設計便于維護、維修和更換部分電路，即使部分電路出現(xiàn)故障，也不會影響整個配電終端系統(tǒng)的運行，提高了配電終端系統(tǒng)運行的可靠性[2]。

1.2 配電終端系統(tǒng)總體設計方案

智能模塊化配電終端系統(tǒng)功能包括交流電與直流電供電功能、三相電壓和三相電流信息采集功能、系統(tǒng)漏電異常信息監(jiān)測和信息處理功能、無功補償功能、輸電線路輸電質(zhì)量分析功能、電力用戶信息自動抄表功能以及與后臺主站多種通信功能[3]。

模塊化終端配電系統(tǒng)具有采集、保護和監(jiān)控功能，系統(tǒng)單個中央處理器（Central Processing Unit，CPU）的處理速度較慢，數(shù)字信號處理（Digital Signal Process，DSP）的價格較貴，且管理難度大，因此本系統(tǒng)采用雙核設計思想，即系統(tǒng)為雙CPU設計，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分析和設備管理，同時在保證高速處理系統(tǒng)信息的情況下，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性?？傮w設計方案如圖1所示。管理CPU模塊主要用于顯示信息以及協(xié)調(diào)各模塊工作；執(zhí)行CPU負責采集各模塊運行信息。

圖1 模塊化配電終端系統(tǒng)設計方案

為實現(xiàn)系統(tǒng)維護和擴展的便利性，配電系統(tǒng)模塊化單元之間均為單獨設計、調(diào)試、修改，可以進一步提高配電終端系統(tǒng)的使用壽命。系統(tǒng)各單元模塊圖如圖2所示。各單元模塊之間相互獨立互不干擾，即使其中1個單元模塊發(fā)生故障后，其他單元模塊均可以正常運行。此外，管理CPU模塊可以實現(xiàn)對其他模塊的統(tǒng)計協(xié)調(diào)管理和調(diào)配。

圖2 系統(tǒng)各單元模塊圖

2 模塊化單元設計方案

2.1 管理CPU模塊設計

配電終端系統(tǒng)核心控制單元即管理CPU模塊，主要用于管理所有外圍模塊，具備進線采集、數(shù)據(jù)分析、外觀采集、交直流控制、變壓器電能信息讀取和控制、用戶用電信息讀取和控制以及無功補償控制等功能。

基于以上功能需求分析，配電終端系統(tǒng)采用lpc1788處理器。lpc1788具有低功耗、高處理速度和多個外圍接口的優(yōu)點。處理器工作溫度范圍為38～82℃，可在惡劣的室外環(huán)境中使用。它包括4種不同類型控制器，具有豐富的資源，十分適合用于工業(yè)控制。

管理CPU模塊運行方案如圖3所示。核心模塊連接到主板插座，可以實現(xiàn)同時與多個不同的外圍模塊進行數(shù)據(jù)交換。此外，管理CPU與大容量存儲器進行連接，可以儲存收集到的數(shù)據(jù)，同時提供歷史信息檢索等服務。配電終端系統(tǒng)配備多個通信接口，可以實現(xiàn)設備信息的手動更改。

圖3 管理CPU模塊工作方案

2.2 用戶出線交流采集模塊設計

該模塊的功能基本與進線采集模塊相似，均用于收集出線位置三相電流和三相電壓數(shù)據(jù)，并將采集信息傳輸至管理CPU模塊中，以便于對數(shù)據(jù)的管理和分析，因此出線和進線功能模塊之間主要采用信息接口實現(xiàn)相互通信。在本配電終端系統(tǒng)中，通信接口線路主要采用串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）總線，執(zhí)行CPU可以輕松采集出線模塊的數(shù)據(jù)，然后計算和分析線路狀況，以便于對配電終端系統(tǒng)的管理。用戶出線交流采集模塊的硬件結構如圖4所示。

圖4 出線交流采集模塊

2.3 無功補償控制模塊設計

基于模塊化的配單終端系統(tǒng)無功補償功能主要依據(jù)采集電路電流和電壓值，然后根據(jù)系統(tǒng)功率因素等各項指標判斷系統(tǒng)是否需要進行無功補償。無功補償模塊主要由補償電容器并聯(lián)構成，該電容器具有結構簡單、經(jīng)濟實用等優(yōu)點，其主要具備以下功能：提高線路功率因數(shù)，減少無功功率；減少用電設備電能損耗；提高輸電質(zhì)量。

本文構建系統(tǒng)采用集中補償方式，配電終端系統(tǒng)與電容器之間采用485通信方式，配電終端系統(tǒng)可以實時對電容器投切運行情況進行監(jiān)測，并通過計算線路輸電需求，減少或增加電容器投切量進而達到改善線路輸電質(zhì)量的目的。

電容器投切模塊與管理CPU模塊之間采用內(nèi)部集成電路（Inter-Integrated Circuit，I2C）通信方式，每組光耦連接16路電容器，光耦采用I2C芯片進行控制，進而實現(xiàn)光耦的協(xié)同統(tǒng)一控制[4]。

2.4 通信接口與遙控模塊設計

通信接口與遙控模塊硬件結構如圖5所示，該模塊包括抄讀計量總量接口、電流保護器通信接口、傳輸控制斷路器接口以及分合閘等。

圖5 通信接口與遙控模塊

該系統(tǒng)主要利用插座實現(xiàn)管理CPU、通信接口和遙控模塊之間的連接，采用RS485接口連接外圍設備和電流保護器，管理CPU模塊可以實時讀取電流保護器狀態(tài)，根據(jù)其運行參數(shù)控制電流保護器。當外圍設備有多個不同的電流保護器時，配電終端系統(tǒng)可以通過識別地址的方式區(qū)分電流保護器[5]。另外，通信接口與遙控模塊和變壓器計量總表之間采用RS485接口連接，可以實現(xiàn)對變壓器計量總表實時檢測、竊電報警、用戶信息采集等功能。當外圍設備包括多個計量總表時，配電終端系統(tǒng)也可以通過地址對其進行區(qū)分。

3 基于模塊化的配電終端系統(tǒng)測試

3.1 電壓采集精度測試

根據(jù)國家電網(wǎng)發(fā)布的電力系統(tǒng)測試技術規(guī)范要求，本文利用模塊化配電終端系統(tǒng)對額定頻率下三相平衡電流和電壓采集精度進行測試。

額定功率下三相電壓幅值如表1所示，最小測試值為1 V，最大測試值為100 V，測試試驗共6組，輸入信號頻率為50 Hz，允許誤差為標準值的0.5%[6]。

從表1中可以看出，在額定功率下A相電壓最大誤差絕對值為0.119 7 V，最小誤差絕對值為0.000 7 V，測量誤差均在允許范圍內(nèi)，測量精度較高；B相電壓最大誤差絕對值為0.039 2 V，最小誤差絕對值為0.009 0 V；C相電壓最大誤差絕對值為0.045 5 V，最小誤差絕對值為0.001 2 V[7]。三相電壓測量誤差均在允許誤差范圍內(nèi)，由此可見本文設計的測量系統(tǒng)測量精度較高，滿足電壓測量精度要求。

表1 三相電壓測試結果

3.2 電流采集精度測試

額定功率下三相電流幅值如表2所示，測試試驗共5組，最大電流測試值為5 A，最小電流測試值為0.5 A，輸入信號頻率為50 Hz，電流測試允許誤差量程為0.5%。

表2 三相電流測試結果

從表2中可以看出，在額定頻率下A相電流采集精度較高，最大誤差和最小誤差絕對值均為0；B相電流最大誤差絕對值為0.002 7 A，最小誤差絕對值為0.000 2 A；C相電流最大誤差絕對值為0.003 7 A，最小誤差絕對值為0.000 4 A。三相電流采集精度均在允許誤差值范圍內(nèi)，滿足電流采集精度要求[8]。

4 結 論

綜上所述，本文對模塊化配電終端系統(tǒng)功能進行了分析，并提出了模塊化配電終端系統(tǒng)整體設計方案，對每個模塊進行了分析，包括管理CPU模塊、用戶出線交流采集模塊、無功補償控制模塊和通信接口與遙控模塊。最后對本文設計的模塊化配電終端系統(tǒng)三相電流和電壓采集精度進行了測試，測量結果精度均在允許值范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)設計要求。